Abstrakt
många allvarliga verkliga problem kan simuleras med hjälp av cellulär automatteori. Det fanns många bränder på offentliga platser som dödade många människor. Föreslagen metod, kallad cellulär Automatutvärdering (CAEva i korthet), använder cellulär automatteori och kan användas för att kontrollera byggnadsförhållanden för brandolycka. Testerna som utfördes på verklig olycka visade att ett lämpligt konfigurerat program möjliggör en realistisk simulering av mänsklig evakuering. Författarna analyserar några verkliga olyckor och bevisade att CAEva-metoden verkar som en mycket lovande lösning, särskilt när det gäller byggnadsrenoveringar eller tillfällig otillgänglighet av flyktvägar.
1. Inledning
cellulära automater används av några av IT-grenarna, inklusive området för artificiell intelligens. De består av ett nätverk av celler, som var och en kännetecknas av ett visst tillstånd och en uppsättning regler. Förändringen av det aktuella tillståndet för en given cell är resultatet av ovan nämnda egenskaper och samband med de närliggande cellerna . Teorin om cellautomat introducerades först av en amerikansk forskare av ungersk härkomst, John von Neumann. Han visade bland annat att även enkla maskiner visar en förmåga att reproducera, vilket fram till den tiden betraktades som en grundläggande egenskap hos levande organismer . Under många år hade cellulära automater endast varit föremål för teoretiska studier. Med utvecklingen av datorer och programvara har optimeringsmetoder baserade på detta tillvägagångssätt allt oftare studerats och implementerats i praktiken . På grund av deras mångsidighet tillämpas cellulära automater inom många verkliga områden, såsom biologi, fysik och matematik och inom olika IT-områden, såsom kryptografi eller datorgrafik .
1.1. Tillämpning av cellulära automater
cellulära automater har tillämpats i praktiken, till exempel, i simulering av gatutrafik, där specifikt definierade cellulära automat styr trafiken . Fordonsflödet hanteras i princip vid det specifika segmentet av en given trafikintensitet . Detta gäller till exempel trafikintensitetskontrollen på Ruhrs motorvägar i Tyskland. Övervakningscentren som är utformade uteslutande för detta ändamål samlar in data från utvalda delar av motorvägarna . Den sålunda erhållna informationen analyseras och används för att förbereda korttidssimuleringar av trafikintensiteten med hjälp av cellulära automater. Projektets webbplatser publicerar statistisk information om de studier som utförts på beteendet hos förare som var förvarnade om eventuella trafikproblem som kan uppstå under flera följande timmar . Ett annat exempel på mobilautomatapplikation är demografiska simuleringar för en given region. Syftet med sådana simuleringar är att generera en modell som visar befolkningens storlek vid ett visst område i form av en karta över den prognostiserade befolkningstätheten. Sådana simuleringar kan baseras på det välkända ”livets spel” . Genom att införa någon modifiering av algoritmen är det möjligt att övervaka beteendet hos de omgivande cellerna . Andra exempel på cellulära Automata implementeringar inkluderar bildbehandling, generering av texturer, simulering av vågor, vind och människor evakueringsprocess samt ett simuleringsprogram, utvecklat för syftet med denna studie . Syftet med den föreslagna algoritmen är att generera simuleringar av mönster av mänsklig flykt från byggnaden i brand med ett visst antal utgångar och brandkällor .
1.2. Rutnätet för cellulär automat
ett rutnät eller ett diskret utrymme, där cellulär automatutveckling äger rum, består av en uppsättning identiska celler . Var och en av cellerna är omgiven av samma antal grannar och kan anta samma antal stater . Det finns tre strukturella faktorer som väsentligt påverkar rutnätet och som en konsekvens beteendet hos hela cellautomaten: (i) storleken på utrymmet som beror på storleken på det studerade problemet, vars exempel visas i Figur 1(galler 1d, 2d och 3D); (ii)tillhandahållande av regelbundenhet, vilket kräver att gallret fylls helt med identiska celler; (iii) antalet grannar (beroende på båda ovan nämnda faktorer).
i denna artikel presenterar författarna möjligheten att simulera verklig brandolycka för att förhindra stora brandolyckor. För detta ändamål författare använde cellulära automater utvärderingsmetod, CAEva i korthet. Detta dokument har följande organisation. Avsnitt 2 presenterar tanken på att förutse brandrisken, två verkliga olyckors beskrivning och CAEva-simuleringsmetod med deras gränsvillkor och överföringsfunktion. Avsnitt 3 presenterar experimentresultaten när de nämnda två verkliga brandolyckorna simulerades. Slutligen avsnitt 4 består av slutliga slutsatser.
2. Prognoser för brandrisken
2.1. Brandolyckor på offentliga platser
bränder är en av de mest okontrollerbara olyckorna, särskilt när de händer inomhus. Således, oavsett byggnaderna fungerar oavsett om det är ett bostadshus, företag eller någon annan typ av byggnad, måste dess design följa brandbestämmelserna. Korridorernas bredd, antalet nödutgångar och det tillåtna antalet personer som bor inne samtidigt har en allvarlig inverkan på användarnas säkerhet. Enkel närvaro av dörrarna på planlösningen är inte tillräcklig; de måste vara öppna. I många fall berodde det stora antalet skadade på att nödutgångsdörrarna låstes. Under de senaste decennierna har det varit ett antal katastrofala bränder på offentliga platser som restauranger och nattklubbar. Tabell 1 presenterar några exempel på sådana olyckor och listar antalet offer. Som du kan se från de uppgifter som lämnats har det varit många bränder i underhållningsklubbar genom åren och orsakat många skador, oavsett om de inträffade årtionden sedan (1942) eller nyligen (2013).
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.2. Fallet med Kiss Nightclub Fire Accident
händelsen som heter ”Aglomerados” började lördagen den 26 januari 2013 klockan 23:00 UTC på Kiss nightclub. I klubben fanns studenter på sex universitet och personer från tekniska kurser vid Federal University of Santa Maria . Under de tidiga morgontimmarna följande dag inträffade brand medan eleverna höll en freshers boll och en panik bröt ut. Vittnen vittnade om att orsaken till branden var antingen en flare av fyrverkerier upplysta av medlemmarna i ett musikband som spelade under festen. Branden fick taket att kollapsa i flera delar av byggnaden och fångade många människor inuti. Brandmän hittade antal kroppar i klubbens badrum. Vid tidpunkten för förbränningen var det cirka 2000 personer inne i klubben. Detta antal fördubblar byggnadens maximala kapacitet på 1000. Minst 231 personer dog och hundratals fler skadades i denna katastrof. Många dödsfall orsakades tydligen av rökinandning, medan andra offer trampades i rusningen för utgångarna. Figur 2 presenterar schemat för Kiss nattklubben.
2.3. Cocoanut Grove Fire Accident
Cocoanut Grove var en restaurang som byggdes 1927 och ligger på 17 Piedmont Street, nära Park Square, i centrala Boston, Massachusetts . Enligt förbud var det mycket populärt på 1920-talet. byggnadsstrukturen var envånings, med en källare under. Källaren består av en bar, kök, frysar och förvaringsutrymmen. Den första våningen innehöll en stor matsal och balsal med en bandstand, tillsammans med flera barområden separat från balsalen. Matsalen hade också ett infällbart tak för användning under varmt väder för att ge utsikt över månen och stjärnorna. Huvudingången till Cocoanut Grove var via en svängdörr på Piedmont Street-sidan av byggnaden. Lördagen den 28 November 1942 inträffade en mycket stor brandolycka. Under den kvällen hade en busboy beordrats att fixa en glödlampa på toppen av en konstgjord palm i hörnet av källarstången. En stund senare började dekorationerna brinna. Som andra möbler antänds, en eldklot av eld och giftig gas tävlade över rummet mot trappan. Den roterande dörren fastnade på grund av förälskelsen av panikade beskyddare. Massor av människor fastnade i eld. Det uppskattades senare att mer än 1000 personer var inne i lunden vid tidpunkten för branden. Det slutliga dödsantalet som upprättades av kommissionär Reilly var 490 döda och 166 skadade, men antalet skadade var en räkning av de som behandlades på ett sjukhus och släpptes senare medan många skadades men inte sökte sjukhusvistelse. Figur 3 presenterade schemat för Cocoanut Grove.
2.4. Caeva Simulation Method
caeva simulation method är ett program förberett för att repetera brandsläckningsscenarierna i byggnader . Det hjälper till att jämföra olika simuleringsresultat och dra lämpliga slutsatser. Programmet har implementerats i C++Builder-miljön, som är ett objektorienterat programmeringsverktyg i Windows-miljö och är gratis tillgängligt på Airlabs webbplats . Programmet gör det möjligt att rita ett bräde av alla storlekar, inklusive planen för en envåningsbyggnad, för att lokalisera människor inuti och för att ange eldkällan. Styrelsen består av ett rutnät av celler. Varje cell kan anta endast ett av följande tillstånd: brand, vägg, person, person i brand eller en tom cell. Figur 4 presenterar diagrammet över tillstånd för en enda cell i brandsimuleringsautomaten.
2.5. Gränsvillkor
det diskreta utrymmet, där olika utvecklingar av cellulära automater äger rum, inkluderar ett d-dimensionellt, teoretiskt oändligt rutnät. Eftersom denna typ av rutnät inte kan implementeras i datorprogram, representeras den i en form av en begränsad tabell. Därför är det nödvändigt att ställa in gränsvillkor vid nätets gränser, det vill säga vid bordsgränserna. Uppsättningen av grundläggande villkor visas i Figur 5. Dessa förhållanden är analoga efter nätrotation på 90 grader, så ytterligare arrangemang hoppades över som triviala. Följande regler användes för simulering av cellrörelsen i väggriktningen: (i)rak rörelse: cellens tillstånd förblir oförändrat, (ii)diagonal rörelse: cellens tillstånd ändras till en tom, eftersom infallsvinkeln är lika med reboundvinkeln, ska cellens tillstånd i spegelbilden ändras till tillståndet för den cell som initierade rörelsen, (iii)rörelseförhållanden: (iv)rörelse är möjlig om målcellen är i tomt tillstånd. I annat fall kommer cellen inte att ändra sitt tillstånd, (v) försöket med cellens rörelse i ”person” – tillstånd till cellen i ”eld” – tillstånd ökar antalet brännskador hos den initierande cellen.
ett speciellt fall är ett försök av rörelsen från hörnet av brädet. En rebound i tre initierande riktningar ändrar inte tillståndet för en cell, men det kan ändra det förändras som ett resultat av ett försök av rörelsen i de på varandra följande fem riktningarna. Det bör också noteras att rörelsesregler och Villkor gäller för cellerna i ”person” – tillståndet såväl som i ”eld” – tillståndet. De fält som rörelsen inte kan utföras på är cellerna i ”vägg” – tillståndet. Rebound-förhållanden uppstår vid kanten av det cellulära automatnätet, vilket utgör en barriär från vilken rörliga virtuella objekt återhämtar sig (i visuell mening). Dessa villkor Används för att simulera inneslutna empiriska utrymmen.
2.6. Överföringsfunktion
utvecklingen av cellulära automater sker i diskret tid som bestämmer på varandra följande bearbetningscykler. Varje diskret ögonblick används för att uppdatera tillståndet för enskilda celler; således är varje automat ett dynamiskt objekt över tiden. I varje iteration kan överföringsfunktionen bearbeta (beräkna) alla celler i rutnätet en efter en enligt specifika regler. Varje bearbetad cell får sitt nya tillstånd baserat på beräkningen av dess nuvarande tillstånd och tillstånd för de närliggande cellerna. Överföringsregler och tillståndsutrymmet, liksom det definierade grannskapet, är inneboende element i den cellulära automatutvecklingsprocessen. När exekveras, visar programmet huvudskärmen redo att rita byggplanen och att ordna enskilda element inuti. När kortet är ritat och alla komponenter är ordnade kan användaren starta konfigurationen av Brand-och personparametrar och inställning av gruppeffekten. Brandparametrar är följande:(i)eld slocknar ensam om antalet grannar är mindre än 1, (ii)eld slocknar från överbefolkning om antalet grannar är mer än 3, (iii)ny eld genereras när antalet grannar är minst 3, (iv) eld genereras när antalet grannar är mindre än eller lika med 4. Parametrar för människor är följande: (v)sannolikheten att en person går mot utgången i standardläge är 50,(vi)antal brännskador som resulterar i döden är 5,(vii) gruppeffekten är på/av.
det finns punkter på skärmen som simulerar människor som flyr mot utgången och den förökande elden. Alla händelser registreras i statistiktabellen. De inkluderar antalet personer kvar i styrelsen, räddade från och dog i elden eller genom att krossa . De erhållna uppgifterna möjliggör att dra slutsatser från experimenten .
2.7. Implementering av OFN-Notation till Fuzzy Observation av verklig brandolycka
användningen av beställda fuzzy-nummer i cellulär automatisering verkar vara ett naturligt steg. Det finns många noteringar av fuzzy tal som introduceras av Zadeh , Klir , Dubois et al. , och K Exceptionopotek et al. , bland andra. Eftersom vi i detta fall har en tvådimensionell apparat där Moores grannskap dessutom används, finns det åtta tillgängliga drag från celler . Ett exempel på denna situation visas i Figur 6.
det finns en del av grannskapet som ligger närmare utgången och den andra delen närmare gruppen av celler i det mänskliga tillståndet . Således finns det två möjliga uppsättningar rörelser för denna cell i fråga, beroende på determinanten . Eftersom var och en av uppsättningarna är ett fyrelement, är notationen av fuzzy tal som kallas beställda fuzzy tal som introduceras av lämplig för dess beskrivning . Efter skaparens OFNs död i vissa verk kallas också ’ S Fuzzy Numbers . I denna notation har det fuzzy talet A i allmänhet formen av en trapezoid som beskrivs av koordinater, som presenteras i Figur 8.
pilen i Figur 8 visar riktning som återspeglar ordningen för de enskilda koordinaterna. På sådana fuzzy tal är det möjligt att utföra aritmetiska operationer som beskrivs i litteraturen :(i)tillägg: (ii)skalär multiplikation: (iii)subtraktion: (iv)multiplikation: (v)division:
en given uppsättning möjliga drag i Moores grannskap från cell till cell visas i Figur 9. Beroende på algoritmens inställningar kan trafikdeterminanten(i)gå mot närmaste avfart, (ii)få närmaste samling av människor.
determinanten kommer att relateras till det fuzzy numret i OFN-notationen .
Definition 1. Låta vara två par luddiga siffror. Att styra kommer att vara positivt för en delmängd av rör sig närmare den angivna determinanten:ett par koordinater som är mer avlägsna från determinanten kommer att betecknas med negativ riktning:en delmängd av celler till vilka ytterligare rörelse kan bestämmas är ett par fuzzy tal som uppfyller följande regler: är positiv är positiv då annars från denna uppsättning par som beskrivs , vilket representerar de fyra möjliga rörelserna i nästa utveckling av den cellulära automaten, dras ett par koordinater. Som standard måste fälten där trafiken är omöjlig elimineras från listan. Om ingen rörelse är möjlig i någon av de fyra cellerna kommer celltillståndet inte att förändras. Detta symboliserar en situation där en person förblir orörlig.
3. Experimentet med CAEva-metoden
författarna lanserade en simulering av Kiss nightclub-scenariot i CAEva-programmet. De placerade människor inuti och satte eld. Byggnaden består av sju rum och det fanns bara en utgång. De blå punkterna markerar människor och de röda brinner. Flera tester utfördes baserat på detta schema och de antagna förhållandena var följande: syftet med testet var att simulera en brand i byggnaden, baserat på vissa regler och relationer. Inställning av följande parametrar, val av versioner och inneboende regler utgör helt och hållet en miljö som påverkar dödligheten. Variablerna var(i)utformningen av byggnadsgolv, inklusive antal och placering av dörrar, (ii) fördelning av ett definierat antal personer inne i byggnaden på angivna platser, (iii) inställning av brandparametrar:(a)elden slocknar ensam om det inte finns några grannar, (b)elden slocknar på grund av överbefolkning om det finns fler än 3 grannar, (c)ny eld genereras när det finns minst 3 grannar, men inte mer än 4, (iv)inställning av parametrarna för människor(levande celler): (a)antal brännskador som resulterar i döden är som standard inställd på 5, (v)placering av brandkällan på brädet, (vi)specificera sannolikheten för att människor går mot utgången(tre alternativ): 25%, 50% och 75%, (VII)ange om personer går mot utgången i grupper (två alternativ): med eller utan gruppeffekt.
Figur 10 presenterar Kiss nattklubb schema innan simuleringsprocessen startades. De röda rutorna representerar eld medan de blå representerar människor. Figur 11 presenterar Kiss nattklubb schema efter avslutad simulering. Figur 12 presenterar Cocoanut Grove schema innan simuleringsprocessen startades. De röda rutorna representerar eld medan de blå representerar människor. Figur 13 presenterar Cocoanut Grove schema efter avslutad simulering. Simuleringen gjordes två hundra gånger för varje tillstånd; det fanns sex villkor som ger 1200 simuleringar för en brandolycka. Tabell 2 visar de genomsnittliga resultaten av den utförda simuleringen. Med hänsyn till de verkliga uppgifterna om antalet dödsfall i Kiss nattklubbsbranden uppnåddes resultatet som var närmast den faktiska dödssiffran med 75% Sannolikhet för att människor skulle gå mot utgången och med gruppeffekt av. Tabell 3 jämför de genomsnittliga resultaten med reella tal.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
som du kan se i Tabell 2 minskar ökningen av sannolikheten för att personer går till utgången antalet personer som dör till följd av brand. Antalet offer minskar endast när gruppeffekten är på. Dessutom ökar det totala antalet personer som har överlevt en brand också när sannolikheten för att människor rör sig mot utgången ökar.
som visas i tabellen 3 erhölls det minsta relativa felet i frånvaro av gruppeffekt och till ett värde av 75% av de personer som gick till utgången. De största felen uppnåddes med gruppeffekten aktiverad och med 25% Sannolikhet för att människor skulle gå till utgången. Detta kan innebära att gruppeffekten i händelse av denna Brand inte fungerade, och folk letade efter en väg ut av sig själva.
som du kan se i Tabell 4, Här har också ökningen av sannolikheten att gå till utgången av lokalerna minskat antalet personer som dog i elden. Tabell 5 jämför de genomsnittliga resultaten med reella tal. Det minsta felet erhölls för den funktionshindrade gruppeffekten, men med ett värde på 50% av personerna på väg till utgången. Det kan innebära att gruppeffekten i händelse av brand i denna klubb inte fungerade, men folk skyndade sig inte att lämna klubben, vilket orsakade en tragisk effekt.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dödligheten beror på platsen för brandutbrottet. Om elden blockerar något rum, kan de som bor där inte fly och nå utgången även om de rör sig mot det med 100% sannolikhet. Gruppeffekten som används i programmet hjälper inte nödvändigtvis till att fly från människor från byggnaden. Det kan generera folkmassa, eftersom människor letar efter andra att bilda grupper och därmed trampning kan uppstå. När en person inte har någon riktning när han/hon kunde röra sig, trampas han/hon. I figurerna 6-9 markeras eldplatsen och eldspridningen i rött. In contrast, blue indicates the location of people at the start of an event, a fire.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
4. Slutsatser
som man kan se kan utförda simuleringar hjälpa till att förstå hur människor uppförde sig vid branden, oavsett om de följde publiken på jakt efter en utgång, oavsett om de agerade ensamma eller var de tillräckligt bestämda för att hitta en väg ut. I ett fall visade människor en högre bestämningsnivå (75% sannolikhet att gå mot utgången), medan i det andra fallet var nivån lägre (50%). Simuleringar kan användas som en varning under säkerhetsnivåanalys, men också som en del av en detaljerad analys av händelserna som inträffade.
jämförelsen av den föreslagna metoden med det faktiska fallet visade att det är extremt svårt att skapa en simulering av brandsläckningsscenario. Det mest utmanande elementet är människors beteende, vilket kan bli stokastiskt och oförutsägbart. Författarna till denna studie lyckades återskapa scenariot för flykt från människor från en byggnad med hjälp av cellulära automater, vars genomförande var föremål för detta dokument. Använda en lämplig konfiguration av programmet: att bestämma sannolikheten för att en person går mot utgången, brandparametrarna och på/av-inställningen av gruppeffekten gör det möjligt att dra följande slutsatser. När gruppeffekten tillämpas i programmet är antalet personer som dör till följd av trampning större än i fallet när denna effekt är inaktiverad. Dödligheten stiger när människor inte kan röra sig i någon riktning, vilket är ett resultat av individer som samlas i grupper som skapar områden med hög densitet, där trampning ofta uppstår. Resultaten som visade sig vara närmast de faktiska siffrorna uppnåddes när sannolikhetsvärdet med vilket människor flydde var cirka 50-75%. De hinder som påverkar beslutsprocessen under evakueringen inkluderar bland annat begränsad synlighet på grund av röken, till följd av förbränning av brandfarliga material, hög temperatur och giftiga gaser. Resultatet som uppnås med CAEva-metoden kan ge värdefull information för arkitekter och byggkonstruktörer. Resultaten från programmet bekräftar avhandlingen att insouciant eller olaglig blockering av flyktvägar i byggnader kan ha tragiska konsekvenser vid varje steg i byggnadsoperationen. De personer som ansvarar för brandsäkerhet och strukturella säkerhetsinspektioner kan använda sådana verktyg för att motivera sina beslut som ibland kan tyckas vara för stränga. För att göra simuleringen ännu mer realistisk är det värt att överväga möjligheten att automatiskt ändra parametern relaterad till sannolikheten för att en person rör sig mot utgången under simuleringen. Att lägga till ytterligare villkor för att ge mer exakta resultat är också möjligt. De framtida experimenten bör ta hänsyn till detta faktum.
intressekonflikter
författarna förklarar att det inte finns några intressekonflikter angående publiceringen av detta dokument.
