Система интеллектуального управления эвакуацией: расчет минимального пути

Основной задачей всех противопожарных систем является спасение жизни людей, находящихся под воздействием опасных факторов пожара. Но одной такой системы недостаточно. Необходим точный расчет маршрута движения при эвакуации, от которого и зависит успех операции. Интеллектуальная система позволяет это осуществить благодаря программному обеспечению, подстраивающемуся под конкретную ситуацию

А.В. Леус Заместитель заведующего базовой кафедрой "Системы безопасности" Московский физико-технический институт (Государственный университет)

А.В. Филимонов Аспирант базовой кафедры "Системы безопасности" Московский физико-технический институт (Государственный университет)

Каждая противопожарная система на любом объекте включает как минимум 3 составляющие:

  1. Система пожарной сигнализации, так или иначе обнаруживающая возгорание, задымление и проч.
  2. Система оповещения, которая информирует всех находящихся в здании людей о возникновении опасной ситуации.
  3. План эвакуации, согласно которому все могут покинуть опасное помещение.

Интеллектуальной является система с программным обеспечением, имеющая возможность с помощью встроенного процессора настраивать свои параметры в зависимости от состояния внешней среды. Отсюда следует, что интеллектуальная система управления эвакуацией должна проводить анализ сигналов по многим параметрам от систем, входящих в состав интегрированной системы безопасности, и выдавать сигналы на исполнительные механизмы.



Алгоритм формирования кратчайшего пути движения человека

Для управления эвакуацией в первую очередь должен быть создан оптимальный план действий. Расчет движения людей по зданию производится на основании пожарных норм, где учитывается как скорость движения эвакуирующихся, так и пропускная способность путей эвакуации.

Если план здания достаточно сложен, а выходов, в том числе пожарных, несколько, то вычисление ближайшего выхода от данного помещения может оказаться непростой задачей. В общем случае для заданной точки нужно рассчитать минимальную по времени траекторию движения человека до выхода. Такие расчеты необходимо провести для всех возможных выходов, после чего выбрать минимальный по времени путь.

Интеллектуальной является система с программным обеспечением, имеющая возможность с помощью встроенного процессора настраивать свои параметры в зависимости от состояния внешней среды. Отсюда следует, что интеллектуальная система управления эвакуацией должна проводить анализ сигналов по многим параметрам от систем, входящих в состав интегрированной системы безопасности, и выдавать сигналы на исполнительные механизмы

Данную работу не сложно выполнить для одного помещения, но когда их сотни, а выходов десятки, то задача становится сложной и достаточно трудоемкой даже при условии применения вычислительной техники. Все это приводит к тому, что план эвакуации создается не на основе точных расчетов, а на базе экспертных интуитивных оценок, которые могут быть заведомо ошибочны.

Для более верного расчета наибыстрейшего пути движения человека к выходу предлагается разделить план здания на равные клетки – дискреты пространства. Точность вычислений будет зависеть от размера одной клетки.

Каждому дискрету на полученном поле задается временной параметр, описывающий, за какое время человек может его преодолеть. Время также можно поделить на интервалы – дискреты времени. Минимальный дискрет времени определяется как время, за которое человек может преодолеть со своей максимальной скоростью нужное расстояние. Используя данную математическую модель и рассматривая последовательность дискретов времени, определяем, в каких клетках на поле объекта может находиться человек в заданный момент времени. Как только в данное множество клеток попадет целевая клетка (например, клетка, в которой обозначен выход), можно говорить о нахождении минимального времени эвакуации из заданной точки.

Имея точные данные о каждом шаге поиска, легко восстановить минимальную по времени траекторию движения, причем алгоритм позволяет автоматически вычислять путь до ближайшего выхода.

Применение алгоритма для расчета плана эвакуации объекта

Приведем пример подобных расчетов. В качестве объекта исследования выберем здание с коридорами и кабинетами. В нем имеется несколько выходов. Для простоты рассмотрим только один этаж данного объекта.

Все поле плана здания делится на равные клетки. На плане обозначаются как непреодолимые препятствия (стены), так и преодолимые (двери). В каждом помещении задаются стартовые клетки (точки возможного начала движения эвакуирующегося). Используя специализированное программное обеспечение, работающее по алгоритму, описанному выше, для каждой стартовой клетки вычисляется минимальная по времени траектория до ближайшего выхода из здания.

Таким образом, для каждого помещения или для произвольной точки объекта можно получить траекторию движения до выхода с учетом всех отмеченных препятствий, а также затрудняющих движение факторов, если таковые имеются.

Преимущества применения автоматического расчета

Использование автоматического расчета при создании плана эвакуации позволяет избежать ошибок в выборе ближайшего выхода из здания, а также дает возможность за очень короткое время получить достаточно точный расчет по потокам людей на путях эвакуации, что в конечном итоге также может помочь при оценке помещений на предмет соответствия пожарным нормам.

Автоматизированный расчет плана эвакуации дает дополнительную гибкость при внесении изменений в планы здания. Основным же преимуществом автоматизации расчета является то, что план эвакуации может быть адаптирован и видоизменен в зависимости от различных состояний, в которых находится защищаемый объект. Вычислительные мощности современных компьютеров позволяют решать подобные расчетные задачи за весьма короткое время. В зависимости от требований по детализации, а следовательно, точности вычисления и параметров компьютера время на пересчет плана эвакуации может составлять от миллисекунд до минут.

Перспективы интеграции с различными системами безопасности

Таким образом, при получении информации от систем пожарной сигнализации, контроля и управления доступом, а также от оператора, оценивающего процесс эвакуации с помощью видеонаблюдения, интеллектуальная система управления эвакуацией может изменить план в соответствии с меняющейся ситуацией на объекте.

Интеграция с системой пожарной сигнализации
При обнаружении пожара соответствующее извещение передается в систему оповещения. После получения сигнала тревоги от системы оповещения люди эвакуируются из зданий согласно планам, а также на основании указателей и речевого оповещения.

При этом не учитывается, что некоторые пути эвакуации могут быть перекрыты, например, из-за воздействия опасных факторов пожара. В то же время интеллектуальная система управления, получая информацию о задымлении или загазованности помещений, через которые проходит путь, может принять решение о его пересчете. В этом случае запустится тот же расчет, что и для построения исходного плана, но в опасном помещении будет расположено непреодолимое препятствие. Используя описанный алгоритм поиска минимальной по времени траектории движения, можно легко получить новые пути, которые помогут миновать опасный участок. При этом потоки людей могут быть направлены как в обход данного пути, так и просто в другие доступные выходы.

Кроме того, по данным извещателей вполне возможно прогнозировать развитие ситуации и на этом основании адаптировать план эвакуации в реальном масштабе времени.

Остается только добавить, что для реализации данной системы указатели и планы должны быть интерактивными. Что касается "умных" указателей, то эта задача достаточно тривиальна. Если программное обеспечение будет управлять хоть какой-нибудь автоматикой, то включить или выключить таблички типа "Вход", "Выход", "Пожар " и проч. не составит для нее большого труда. Кроме того, пути эвакуации можно снабдить соответствующими интерактивными стрелками и знаками, которые будут также управляться на основе рассчитываемых потоков людей. Так, например, если данная стрелка указывает на путь к выходу, который уже перекрыт под действием опасных факторов пожара, то интеллектуальная система управления эвакуацией, вычислив безопасный маршрут, должна изменить направление данной интерактивной стрелки в соответствии с новым расчетом и активировать предупреждающий знак (или голосовое сообщение), которое охарактеризует прежнее направление движения как опасное. Что же касается интерактивных планов, то в настоящее время наиболее простой способ их реализации – использование обычных терминалов.

Интеграция с системой контроля и управления доступом
Мы не рассматривали вопрос об учете пропускной способности путей эвакуации при управлении соответствующими потоками.

Для наиболее точного решения данного вопроса всю необходимую информацию можно получить от системы контроля и управления доступом. Если СКУД организована ответственно и качественно, то в рамках интегрированной системы безопасности должна быть доступна вся информация о людях, находящихся на защищаемом объекте. В том числе известно количество людей, находящихся в каждом помещении.

Очевидно, что пропускную способность определяют наиболее узкие места на пути эвакуации. Теоретически в данной математической модели можно контролировать пропускную способность каждой клетки, но это сложно для вычисления и не имеет смысла. Выделив на всех путях эвакуации наиболее узкие места, в том числе самые узкие – двери, ведущие из зданий, помещений, мы получим набор контрольных клеток для оценки системы.

Обладая информацией о количестве людей в каждом помещении, мы можем задать для каждого из них вес траектории эвакуации, который будет определен количеством людей, находящихся внутри. Если необходима более точная оценка, мы можем вычислить отдельные траектории для всех людей в помещении (в данном случае стартовыми точками могут быть примерные координаты расположения рабочих мест), причем вес каждой траектории будет равен единице.

После вычисления плана эвакуации для каждой контрольной клетки рассчитывается параметр пропускной способности. Через все контрольные клетки будет проходить какое-то количество траекторий движения. Сумма весов всех траекторий, прошедших через данную клетку, даст количество человек, которое должно пройти через нее при эвакуации.

Также не сложно вычислить, за какое время в контрольную клетку придет первый человек, и в какой момент через нее пройдет последний эвакуирующийся.

Считая, что распределение проходящих людей равномерно, можно оценить пропускную способность данной клетки как частное от количества прошедших людей и общего интервала времени их прохождения. Для уточнения (усложнения) задачи можно вместо равномерного распределения использовать нормальное или любое другое распределение.

Если расчетная пропускная способность допускается нормами и техническими характеристиками преграждающих устройств, то считаем, что система прошла для данной клетки успешный контроль.

Если же соответствующая пропускная способность не обеспечивается, то потоки необходимо перенаправлять. Для этого можно использовать как "жадные" алгоритмы, так и вероятностную оптимизацию или в крайнем случае простой перебор. Стоит отметить, что если при первом расчете программа показывает недостаточную пропускную способность для данной контрольной клетки, то в первую очередь стоит подумать об увеличении пропускной способности на данном элементе пути эвакуации.

Интеграция с системой видеонаблюдения
Несмотря на все развитие современной техники и интеллектуальность сегодняшних устройств, нам все еще страшно доверять свои жизни какому-то там "алгоритму формирования кратчайшего пути движения человека", да который к тому же будет интерактивно "водить" пострадавших при пожаре людей по горящему и задымленному зданию. Мы допускаем, что в подобных системах в самый неподходящий момент могут быть сбои, которые, в свою очередь, могут привести к ошибке и, как следствие, к гибели людей.

В наши дни еще слишком мало статистики по успешной работе подобных интеллектуальных систем, поэтому основное требование к интегрированной системе – возможность верификации тревоги с целью последующего принятия решения оператором. Именно для этого и необходима интеграция с системой видеонаблюдения.

Помимо верификации пожарной тревоги, которую может осуществить оператор, данная интеграция системы управления эвакуацией и системы видеонаблюдения может дать оператору полную необходимую информацию для принятия решения об изменении плана эвакуации, в том числе переключения интерактивных знаков.

В этом случае при тревоге оператор наблюдает "картинку" с места тревоги и оценивает обстановку. В то же время интеллектуальная система управления эвакуацией готовит альтернативные маршруты, позволяющие обойти участки повышенного задымления и загазованности.

После оценки обстановки с помощью системы видеонаблюдения оператор просматривает новые планы эвакуации и принимает решение об их активации, после чего система в автоматическом режиме продолжит свою работу. При этом ситуация во время пожара может измениться. На это отреагирует пожарная сигнализация, а затем остальные системы, но каждый раз оператор, руководствующийся информацией, полученной от системы видеонаблюдения, должен принять решение о запуске альтернативного плана, предложенного системой управления эвакуацией.

Адаптация плана эвакуации в зависимости от информации, полученной от интегрированных подсистем

Рассмотрим пример расчета плана эвакуации. В каждом помещении для повышения точности расчета выбираются четыре стартовые точки (углы помещения). Все пути открыты, свободны. Отсутствует распространение опасных факторов пожара. В этом случае программа показывает достаточно очевидный результат (рис. 1).

Для наглядности рассмотрим сразу три варианта возникновения препятствий. Предположим, дверь в правой части здания заблокирована (на рис. 2 она выделена синим цветом). В этом случае программа

по заданному алгоритму пересчитала маршруты и вывела часть людей в центральный выход, а часть – через выход в правом крыле здания.

Помимо заблокированной двери в правой части здания, считаем, что в левом крыле дверь также недоступна для выхода. Кроме того, в коридоре правой части здания опасные факторы пожара так же перекрыли путь эвакуации. На рисунке видно, как программа нашла возможный путь эвакуации через помещение с двумя дверьми.

На рис. 2 также видно, что время эвакуации для многих помещений значительно увеличилось (чем ярче зеленые клетки в помещениях, тем больше время эвакуации), но при этом были получены не только возможные траектории в обход опасных факторов пожара, но и найдены кратчайшие пути эвакуации в условиях изменившейся ситуации.

Благодаря стремительному развитию вычислительной техники те задачи, которые ранее считались невыполнимыми, сегодня уже могут быть решены с использованием современных вычислительных инструментов. Так, результаты проведенного исследования находят применение не только для задач управления эвакуацией. Принято, что ИСБ противодействует нарушителю. Аналогичные методы могут быть использованы также в других задачах, требующих поиска оптимальных путей, разработки наиболее эффективных и быстродействующих интегрированных систем.

Опубликовано: Каталог "Пожарная безопасность"-2011