Software algorithms that implement the foot traffic model in the building evacuation management system

Emergency alert and evacuation management systems (EAEMS), if present in buildings, significantly reduce people evacuation times in emergencies (in comparison with static routes pointers), and they can thus reduce the number of victims. The paper describes an approach to the EAEMS creation that meets the requirements of a reasonable cost. State-of-the-art of microelectronics and computing machinery, as well as the accumulated global theoretical evidence make it possible to create the most effective EAEMS. Unfortunately, the cost of such systems is not affordable to be introduced everywhere in operation. An important and very expensive part of such systems are sensors of people gathering density in the building. Their absence causes the use of appropriate computer models to predict the dynamics of the human flow density. In turn, the use of very accurate models also make system more expensive due to the required computing resources. Therefore, the main objective of this work is the search for applicable mathematical model, as well as implementing its program algorithm, which would allow to construct EAEMS using cheap microelectronic elements. The choice is made on the flow model of the foot traffic in the building, using experimentally determined flow rate depending on the density of the people. It is shown that the program implementation of the selected model which represents the building in the form of a computational grid produces results, which consistent with the results presented in the works of other groups who used other, more accurate models. Unfortunately, as shown in the paper, this software implementation of model does not allow to produce real-time calculations on the basis of the cheap single-board computers (for example, Raspberry Pi). Replacing the spatial representation of the building from a grid to a weighted bipartite graph reduces the computational time dozens of times, and thus makes it possible to use the single-board computers. Testing of the graph based implementation of the model shows adequate results that are comparable with the results of more accurate models and algorithms consuming more computing resources. Thus, it is concluded that affordable EAEMS can be constructed on the basis of inexpensive microelectronics with the application of appropriate computer model of the people movement in the building.

управление эвакуацией, математическое моделирование, движение людских потоков, теория графов, пространственно-информационная модель здания, микроконтроллеры, беспроводные электронные системы, evacuation management, mathematical simulation, foot traffic, graph theory, building information model, microcontrollers, wireless electronic systems

1. Меркушкина Т. Г., Самошин Д. А., Хасуева З. С., Зыкова М. Ю. Особенности эвакуации людей из современных офисных зданий при пожаре // Технологии техносферной безопасности.-2015. -Вып. 5(63).-C. 73-81.

2. Колодкин В. М., Морозов О. А., Варламов Д. В., Чирков Б. В., Ваштиев В. К., Галиуллин М. Э. Система управления эвакуацией людей из здания при пожаре // Безопасность в техносфере : cб. статей. -2015. -Вып. 9. -С. 6-9.

3. Микроконтроллер ATmega 128RFA1. Atmel Corporation. URL: http://www.atmel.com/devices/atmega128rfa1.aspx (дата обращения: 07.07.2015).

4. Helbing D., Molnбr P. Social force model for pedestrian dynamics // Physical Review E.-1995.- Vol. 51, No. 5. -P. 4282-4286. DOI: 10.1103/PhysRevE.51.4282.

5. Yang Y., Deng J., Xie C., Jiang Y. Design and implementation of Fire Safety Evacuation Simulation Software based on Cellular Automata Model // Procedia Engineering.-2014.-Vol. 71.-P. 364-371. DOI: 10.1016/J.PROENG.2014.04.052.

6. Холщевников В. В. Людские потоки в зданиях, сооружениях и на территории их комплексов : дис. …д-ра техн. наук. -М., 1983.-486 с.

7. Холщевников В. В. Закономерность связи между параметрами людских потоков : диплом№ 24-S на открытие в области социальной психологии.-М. : Российская академия естественных наук, Международная академия авторов научных открытий и изобретений, Международная ассоциация авторов научных открытий, 2005.

8. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приказ МЧС РФ от 30.06.2009 № 382; введ. 30.06.2009 // Российская газета. -2009. -№ 161.

9. Шихалев Д. В., Хабибулин Р. Ш. Математическая модель определения направлений безопасной эвакуации людей при пожаре // Пожаровзрывобезопасность.-2014.-Т. 23,№4.-С. 51-60.

10. Shikhalev D. V., Khabibulin R. Sh., Armel Ulrich Kemloh Wagoum. Development of a safest routing algorithm for evacuation simulation in case of fire // Proceedings of the 6th International Conference on Agents and Artificial Intelligence. - LoireValley, France, 2014. - C. 685-690. DOI: 10.5220/0004919706850690.

11. Chu Y., Zhang H., Shen S., Yang R., Qiao L. Development of a model to generate a risk map in a building fire // Science China. Technological Sciences. - 2010. - Vol. 53, No. 10. - P. 2739-2747. DOI: 10.1007/s11431-010-4063-8.

12. Холщевников В. В., Парфененко А. П. О моделировании эвакуации людей и динамики опасных факторов пожара в целях нормирования эвакуационных путей // Технологии техносферной безопасности.- 2014.-№1(53).-8 c. URL: http://elibrary.ru/download/37807443.pdf (дата обращения: 10.06.2016).

13. Kemloh U., Chraibi M., Mehlich J., Seyfried A., Schadschneider A. Efficient and validated simulation of crowds for an evacuation assistant // Computer Animation and Virtual Worlds. - 2012. - Vol. 23, No. 1. -P. 3-15. DOI: 10.1002/cav.1420.

14. Карькин И. Н., Скочилов А. Л., Зверев В. В., Контарь Н. А. Валидация и верификация эвакуационной модели СИТИС: Эватек. No. 4152-ТТ2.5.-Екатеринбург : СИТИС, 2008. -29 с.

15. Ахо А. В., Хопкрофт Д. Э., Ульман Д. Д. Структуры данных и алгоритмы.-М., СПб., Киев : Изд. дом “Вильямс”, 2003.-384 с.

16. СИТИС: Флоутек 3.11. Руководство пользователя. URL: http://sitis.ru/soft/flowtech3 (дата обращения: 07.07.2016).

17. Галиуллин М. Э. Создание и использование пространственно-информационной модели здания (ПИМ) для расчета величины риска при составлении декларации пожарной безопасности // Безопасность в техносфере : cб. статей. -2015. -Вып. 9. -С. 59-80.

18. Проект QGIS. URL: http://qgis.org (дата обращения: 07.07.2016).

19. JavaScript Object Notation. Описание стандарта JSON. URL: http://json.org (дата обращения: 07.07.2016).

20. Fire Dynamic Simulator (FDS). Техническое руководство к программе моделирования динамики пожара. URL: file://F:/Fire %20Journal/2016/10’2016/Work %2010’2016/59005 Техническое руководство к программе моделирования динамики пожара. Валидация.pdf (дата обращения: 12.12.2015).

21. Колодкин В. М., Чирков Б. В., Ваштиев В. К., Варламов Д. В., Степанов А. О. Математическая модель, обеспечивающая минимальное время эвакуации // Безопасность в техносфере : cб. статей. -2015. -Вып. 9. -С. 55-58.

22. Grigoraє Z. C. Analysing the human behavior in a fire drill. Comparison between two evacuation software: FDS+Evac and Pathfinder // Bulletin of the Transilvania University of Braєov CIBv.-2014.- Vol. 7(56), Special Issue No. 1. -P. 103-110.

23. FDS+Evac Software. VTT Technical Research Centre of Finland. URL: https://code.google.com/p/fds-smv/ (дата обращения: 07.07.2015).

24. Pathfinder. Agent Based Evacuation Simulation. URL: http://www.thunderheadeng.com/pathfinder/ (дата обращения: 07.07.2015).

25. Дистель Р. Теория графов. -Новосибирск : Изд-во института математики, 2002.

26. Raspberry Pi. URL: https://www.raspberrypi.org/ (дата обращения: 07.07.2015).