Моделирование процесса эвакуации в зданиях с учетом количества и местоположения посетителей, определяемых с помощью мобильных устройств Малодушев Сергей Викторович

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Актуальность задач, связанных с эвакуацией людей в экстренных ситуациях, обусловлена тем, что от эффективности их решения зависят жизни и здоровье людей. Задачу эвакуации людей из здания можно разделить на две части - определение местоположения посетителей и перемещение посетителей к выходам из здания.

Для определения численности и местоположения посетителей здания могут быть использованы системы локального позиционирования. Современные системы локального позиционирования используют различные технологии - ультразвук, инфрокрасное излучение, радиоизлучение, видеонаблюдение и другие. Большинство систем локального позиционирования имеет ряд ограничений при использовании в публичных зданиях, например, требуется наличие специального мобильного устройства у посетителя и дорогостоящей инфраструктуры. Решение задачи позиционирования людей в ходе процесса эвакуации рассмотрено в ряде исследований с применением различных технологий - RFID для мониторинга и корректировки маршрутов эвакуирующихся людей, UWB для определения позиций пожарных расчетов в здании, шагомер для определения пройденного пути, Wi-Fi. озможность применения какой-либо из доступных технологий в задачах эвакуации зависит от ряда параметров, включающих как стоимость, так и доступность используемой технологии. Наиболее доступной является технология Wi-Fi, т.к. Wi-Fi сети активно применяются для предоставления доступа к сети Интернет. Исследования возможности использования данной технологии для определения позиций мобильных станций получили широкое распространение. Технология Wi-Fi использует стандарты связи, работающие в нелицен-зируемом частотном диапазоне, в том же частотном диапазоне работают и другие технологии беспроводной передачи данных, применяемые в системах локального позиционирования, например, ZigBee, Bluetooth и NanoLOC. В отличие от сетей, построенных на базе данных технологий, инфраструктура Wi-Fi сетей часто уже имеется в большинстве современных зданий и, в ряде случаев может быть использована для определения местоположения и численности находящихся в здании посетителей, что удешевляет стоимость конечного решения. Для определения местоположения посетителя в здании требуется наличие у посетителя мобильного Wi-Fi устройства, передающего измеренный сигнал. Подобный подход предполагает наличие предустановленного и настроенного программного обеспечения на стороне мобильного устройства посетителя. виду того, что в публичных зданиях с большим количеством посетителей, использование подобного подхода не представляется возможным, в данной работе была рассмотрена возможность определения местоположения мобильных станций МС) без какой-либо дополнительной их настройки.

При решении задач эвакуации одной из наиболее важных является задача уменьшения времени, необходимого на эвакуацию людей из здания. Для решения данной задачи необходимо соответствующим образом маршрутизировать потоки эвакуирующихся посетителей. Моделирование процесса эвакуации из здания может быть осуществлено с применением различных типов моделей - клеточных автоматов, потоковых, индивидуально поточных, имитационно стохастических. ыбор конкретного типа модели зависит от типа здания, количества и разнообразия посетителей, этажности и ряда других параметров. Примеры расчета параметров потока для различных участков пути и групп мобильности, а также психологические аспекты поведения людей в экстренных ситуациях были подробно рассмотрены в исследованиях Холщевникова .. и Самошина Д.А. Для зданий коридорного типа наиболее оптимальным типом моделей эвакуации являются потоковые модели. частности, применение потоковых моделей оправдано для учебных заведений. Определение пути эвакуации для каждого посетителя в отдельности является ресурсоемкой задачей для зданий с большим количеством посетителей, в связи с чем выгодно разделять посетителей на группы например, студенты на занятиях), определять местоположение и численность данных групп и далее вычислять пути эвакуации для каждой группы в отдельности.

Несмотря на большое количество исследований в рассматриваемой области, представленные задачи определения численности и местоположения посетителей в зданиях коридорного типа и их дальнейшая эвакуация не были рассмотрены в комплексе. Более того, не существует каких-либо универсальных методов, позволяющих быстро и точно определить численность и местоположение людей в задании.

Целью данного диссертационного исследования является повышение эффективности процесса эвакуации в зданиях коридорного типа.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Предложить способ определения численности и мест размещения посетителей здания с применением технологии Wi-Fi и существующих моделей распространения радиосигнала.

2. Провести исследования эффективности предложенного способа определения численности посетителей здания и мест их размещения с целью определения рекомендаций к его использованию.

3. Предложить математическую модель, учитывающую численность и местоположение посетителей.

4. Разработать алгоритм для моделирования эвакуации из здания.

5. Разработать комплекс программных средств для вычисления позиций посетителей здания на основе предложенного способа и реализующий созданный алгоритм для моделирования эвакуации.

Научная новизна:

6. Предложен способ позиционирования мобильных Wi-Fi устройств в зданиях коридорного типа, проведены экспериментальные исследования предложенного способа. Предложенный способ позиционирования отличается от существующих тем, что позволяет позиционировать мобильные устройства в Wi-Fi сетях с динамически меняющимися частотами базовых станций, а также допускает отсутсвие каких-либо дополнительных настроек на стороне МС.

7. Разработана собственная математическая модель и алгоритм для моделирования перемещения потоков людей в зданиях коридорного типа в ходе процесса эвакуации.

8. Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать процесс эвакуации людей, а также вычислять позиции мобильных Wi-Fi устройств с использованием предложенного способа. Реализованный в программном комплексе алгоритм перемещает потоки в соответствии со свойствами предложенной математической модели.

Практическая значимость результатов исследований, рассмотренных в данном диссертационном исследовании заключается в том, что созданная математическая модель и алгоритм эвакуации могут быть применены для решения задач эвакуации, а также проектирования зданий с целью соблюдения норм пожарной безопасности. Предложенный способ определения позиций МС в зданиях коридорного типа может быть использован для определения численности посетителей в различных частях здания.

Методология и методы исследования: для достижения поставленных целей и задач в данном диссертационном исследовании использовались методы теории вероятностей, прикладной статистики, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

9. Предложена новая математическая модель, описывающая процесс эвакуации людей из зданий. ычислительные эксперименты подтверждают применимость созданной математической модели для решения задач эвакуации.

10. Численные методы и алгоритмы для расчета процесса эвакуации и для определения количества и позиции посетителей здания коридорного типа.

11. Система имитационного моделирования процесса эвакуации в зданиях коридорного типа, основанная на созданном комплексе программ для вычисления позиций беспроводных мобильных устройств и моделирования процесса эвакуации.

Достоверность полученных результатов подтверждена докладами на конференциях, научными публикациями, полученными свидетельствами о регистрации разработанного ПО Программа сканнер беспроводных Wi-Fi

сетей» №2015619990 [], «Эмулятор процесса эвакуации» №20762074 [] и «Программа для вычисления локации на отрезке» №2018610100 []. Результаты проведенных исследований соответствуют результатам исследований других авторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

12. VII международная конференция Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий» (ПМТУКТ-2014). оронеж, Россия, 15-21 сентября 2014 г.;

13. International Workshop Networking Games and Management. Петрозаводск, Россия, 5-7 июля 2015 г.;

14. VIII международная конференция Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий» (ПМТУКТ-2015). оронеж, Россия, 21-26 сентября 2015 г.;

15. III международной конференции, посвященной 85летию со дня рождения профессора, чл. корр. РАН .И. Зубова Устойчивость и процессы управления». СанктПетербург, Россия, 5-9 октября

2015 г.;

5. IX международная научная конференция «ероятностные методы в
дискретной математике». Петрозаводск, Россия, 30 мая - 3 июня

2016 г.;

6. IX международная конференция «Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий» (ПМ-ТУТ-2016). оронеж, Россия, 20-26 сентября 2016 г.;

7. X международная конференция «Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий» (ПМ-ТУТ-2017). оронеж, Россия, 18-24 сентября 2017 г.

Личный вклад. Автор принимал активное участие в проведении исследований, разработке комплекса программ, математической модели и способа определения позиций МС, а также представлял результаты исследований на конференциях.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 изданиях, одно из которых входит в перечень Scopus [], 4 статьи опубликованы в журналах из перечня А -], 9 статей опубликованы в материалах конференций -].