Исследование и разработка программного комплекса

Исследование и разработка программного комплекса
моделирования аварийного покидания воздушного
судна
1
Аннотация.
В данной работе рассматриваются проблемы компьютерного моделирования
аварийного покидания воздушного судна.
Ключевые слова.
Аварийная
эвакуация,
алгоритм,
аналитическая
пассажиров, модель салона ВС, математическая модель.
2
модель
движения
Содержание.
1.Введение. ……………………………………………………………….4
2.Требования АП…………………………………………………………5
3. Прототипы, алгоритмы работы………………………………………8
4. Сравнение с сертификационной демонстрацией……………………9
5. Описание алгоритма движения………………………………………11
6. Заключение……………………………………………………………..13
3
1. Введение.
Аварийное покидание воздушного судна является одной из основных
задач обеспечения безопасности полетов. Известно несколько катастроф, при
которых не выполнялись требования АП по части аварийного покидания
самолета. Одна из них – возгорание Boeing 737 в аэропорту Манчестера в
1985 году, приведшее к смерти 55ти пассажиров. Именно из-за таких
катастроф данная задача до сих пор актуальна. К тому же, современное
развитие высоких технологий позволяет провести чисто математическое
моделирование,
а
при
высоком
проценте
сходимости
результатов
моделирования с результатами экспериментов отказаться от натурных
испытаний.
Замена реальной демонстрации аварийной эвакуации компьютерным
моделированием существенно сократит затраты
средств и времени.
Математическая модель с высокой степенью точности имитирует процесс
аварийной эвакуации людей, и в конечном итоге может заменить
сертификационные демонстрации. Помимо таких очевидных преимуществ,
как низкая стоимость и безопасность, подобная математическая модель
может быть использована для имитации в широких пределах аварийных
ситуаций, что не может быть воспроизведено на самолете при жестких
ограничениях, установленных для сертификационной демонстрации.
Компьютерное моделирование движения людей в потоке —
сложная задача, потому что поведение большого количества людей зависит
от множества факторов, таких как индивидуальное движение каждого
участника толпы, ограничения среды, в которой находится толпа и
взаимодействия между всеми участниками толпы. Также описываемая
модель должна отражать вариативность поведения человека в условиях
затрудненного потока. Происходит постоянная коррекция
4
направления
движения в зависимости от их окружения, и благодаря этому даже в очень
плотных толпах количество столкновений между агентами и резких смен
направления движения удивительно мало.
Наиболее реалистичный
подход к моделированию движения
толпы
основывается на агентном подходе, в котором каждый индивид сам
принимает решения на основе своих личных характеристик и целей (т.н.
локальное управление).
2. Требования АП.
Разрабатываемый программный комплекс должен учитывать следующие
требования :
Аварийная эвакуация должна быть выполнена либо в ночной темноте,
либо днем с имитацией ночной темноты. Если демонстрация проводится в
помещении в дневные часы, то она должна быть выполнена с затемнением
каждого окна и с закрытой каждой дверью, чтобы свести к минимуму
влияние дневного освещения. Может быть использовано освещение по полу
или по земле, но свет должен быть слабым и экранированным от попадания в
иллюминаторы или двери самолета.
Самолет должен находиться в нормальном положении с выпущенным
шасси.
Для спуска людей с крыла на землю могут быть использованы
подставки или наклонные рампы, а для предохранения участников
демонстрации на полу или на земле может быть размещено страховочное
оборудование, такое, как маты или перевернутые надувные плоты. Для
достижения участниками демонстрации земли не может быть использовано
никакое другое оборудование, которое не входит в состав аварийного
оборудования для эвакуации из самолета.
5
Для освещения можно использовать только систему аварийного
освещения самолета
Каждая наружная дверь и выход и каждая внутренняя дверь и штора
должны быть во "взлетном" положении.
Должен быть использован типовой состав пассажиров из лиц с
нормальным здоровьем в следующем соотношении:
(1) не менее 30% должны быть женщинами;
(2) не менее 5% должны быть старше 60 лет с пропорциональным
количеством женщин;
(3) не менее 5%, но не более 10% должны быть детьми до 12 лет, равномерно
распределенными по возрасту;
(4) три куклы размером с ребенка, которые не входят в общее количество
пассажиров, должны переноситься участниками для имитации живых детей в
возрасте 2 года или менее;
Поясные привязные ремни и плечевые привязные ремни (если они
требуются) должны быть застегнуты.
Перед началом демонстрации примерно половина общего среднего
количества предметов ручной клади, багажа, одеял (пледов), подушек и
других подобных предметов должна быть распределена в различных местах в
проходах и подходах к аварийным выходам для создания небольших
препятствий.
При демонстрации может быть использовано не более 50% аварийных
выходов на бортах фюзеляжа самолета, которые соответствуют всем
требованиям, относящимся к требуемым аварийным выходам самолета. На
6
выходах, которые не будут использованы при демонстрации, должны быть
отключены ручки или показаны красными лампами, красной лентой или
другими приемлемыми средствами, размещенными снаружи выходов, пожар
или другая причина, по которой они не пригодны для использования.
Используемые выходы должны быть типовыми из всей совокупности
аварийных выходов самолета и должны считаться Заявителем объектами
одобрения Компетентным органом. Должен быть использован, как минимум,
один выход на уровне пола.
Время эвакуации завершается, когда последний человек эвакуируется
из самолета и окажется на земле. Эвакуирующиеся с использованием
подставки или рампы считаются достигшими земли, когда они находятся на
подставке или рампе, если доказано, что пропускная способность подставки
или рампы не превышает пропускную способность средств, имеющихся на
самолете для спуска с крыла в реальной аварийной ситуации.
Таким образом, разрабатываемый программный комплекс должен
представлять из себя базу данных, обработчик алгоритмов поведения и
пересчета координат и подпрограмму-визуализатор.
3. Прототипы и алгоритмы работы.
В
основе
разработки
лежит
программы-прототипы,
созданные
компанией Ситис, которые позволяют решать похожую задачу при расчете
помещений.
В зависимости от реализации, визуализация может быть различная. В
одном варианте после запуска расчета показывается только плотность
распределения пассажиров, в то время как в другом – каждый агент в
7
отдельности. Оба способа позволяют оценить места наибольшей плотности
потока и, как следствие, места возникновения заторов.
Алгоритмы работы прототипа разработаны на основе ГОСТа 12.1.00491, в частности, Приложением №2 «Упрощенная аналитическая модель
движения
людского
потока»,
Приложением
№4
«Имитационно-
стохастическая модель движения людских потоков» и упрощенно выглядит
так: на каждой итерации в цикле моделирования, каждому агенту
предоставляется промежуток виртуального времени – временной шаг, за
который он производит действия. Временной шаг равен по длительности для
всех агентов и его длительность не меняется в процессе расчета. Агенты
обновляются в порядке их близости к целевой локации: чем ближе агент к
локации, указанной как цель его движения, тем раньше его параметры (в т.ч.
координаты) будут обновлены на текущей итерации. Каждый агент имеет
координаты - x, y и уровень, на котором он находится. Координаты агента в
начальный момент времени задаются пользователем программы.
Во время моделирования процесса эвакуации агент выполняет
последовательность целей, записанных в скрипте. Агент планирует свои
действия основываясь на текущих целях и данных получаемых из
окружающей среды. Если во время выполнения цели «двигаться к локации»
агент встречает на своем пути препятствие, то он перепланирует свой путь,
учитывая наличие узких мест и форму скопления людей перед ним.
Расчетное время эвакуации людей из здания устанавливается по времени
выхода из здания последнего человека.
4. Сравнение с реальной демонстрацией.
Сравним работу программы с реальной демонстрацией.
8
При
проведение
сертификационных
испытаний
осуществляется
имитация ситуации, когда самолёт ночью совершает аварийную посадку, при
этом 50 процентов выходов (например в Ту-204 их восемь) потеряны по
причинам пожара или деформации люков. У самолета находятся службы
МЧС,
скорой
помощи,
Межгосударственного
представители
авиационного
Авиационного
комитета
(АРМАК)
Регистра
и
другие
специалисты.
По условиям сертификационных испытаний, пассажиров рассаживают по
местам без верхней одежды, все иллюминаторы закрыты непроницаемыми
шторами. Никто не знает, через какие двери будет происходить эвакуация.
В качестве примера можно рассмотреть проведение подобных
испытаний на самолёте Ту-204.
В качестве пассажиров в испытаниях принимают участие 155 человек.
Из них 62 женщины, остальные — мужчины. Все они разных возрастных
групп, без предварительной подготовки, не участвовавшие ранее в подобных
мероприятиях. Для имитации присутствия детей в возрасте до 2-х лет
специально изготовлены три куклы весом от 5 до 10 кг.
Испытания проводят в корпусе при погашенном свете, т.е. в полной
темноте, для более точного приближения к реальным условиям. Сработала
автоматика и борт перешёл на аварийное освещение.
Один из четырех люков «заклинило» при посадке, открылись только
три. Мгновенно, строго горизонтально, выстрелили надувные трапы,
наибольший из которых размером 1,5 м шириной и 8 м длиной. Через две
секунды, высвеченные по контуру габаритными огнями, они были готовы к
спуску людей. С высоты 4 метров тремя потоками пассажиры и экипаж стали
спускаться на землю, и ровно через 92 секунды все 163 человека, в том числе
9
5 бортпроводников и 3 члена экипажа были «спасены». Таким образом, был
достигнут феноменальный результат: при нормативе 90 секунд, через четыре
выхода, люди за 92 секунды были эвакуированы через три выхода. При этом
не получено ни одной травмы.
Полученные
результаты
доказывают
способность
выполнить
аварийную эвакуацию из самолёта Ту-204 минимум 160-ти человек через три
выхода. Целесообразным стало рассмотрение вопроса по исключению
передней пары аварийных выходов из конструкции Ту-204 для улучшения
лётно-технических характеристик и компоновки пассажирского салона.
Теперь рассмотрим результаты моделирования в одной из программпрототипов.
В качестве модели для программы был взят Airbus A320
В начальный момент времени все агенты начинают двигаться
одновременно, так как время задержки эвакуации для них установлено
равным нулю. При дальнейшем моделировании можно задать некоторую
задержку, описывая тем самым состояние апатии и бездействия пассажиров,
которое рассмотрено в разделе, посвященном психологическому состоянию
людей.
Через
сек. можно наблюдать, как все пассажиры бизнес класса, а
также пассажиры первого ряда салона экономического класса покинули ВС
через аварийные выходы в носовой части салона.
Агенты, чьи координаты меньше, чем координаты 3его ряда, начинают
двигаться
к аварийному выходу, расположенному в середине салона.
Происходит разрыв связанного потока пассажиров, вследствие чего
возникает затор в районе седьмого ряда.
10
Путем сравнения демонстраций стало ясно, что рассмотренная выше
методика может применяться при компьютерном моделировании эвакуации
из самолета.
Существующие на данный момент примеры подобного
моделирования имеют в своей основе достаточно примитивный алгоритм
поведения.
К
примеру,
в
демонстрации
аварийного
покидания
самолета
Boeing 747 присутствуют следующие недостатки:
1. Движения пассажиров абсолютно идентичные, что указывает на
непродуманность алгоритмов поведения. Фактически, нет никакой
нелинейности поведения, а это никоим образом неприемлемо при
разработке данного программного решения.
2. Также видно, что не соблюден масштаб салона и аварийных выходов.
Пассажиры при покидании просто пропадают, не видно спуска по
надувному трапу, нет особых условий (дым, затемнение помещения),
не видна разница скоростей различных групп агентов.
5. Описание алгоритма движения.
В процессе рассмотрения данного вопроса был разработан алгоритм
движения и поиска ближайшего для пассажира выхода применительно к
воздушному судну.
В этот алгоритм входит создание матриц координат
агентов, расчет плотности потока в контрольных точках, процесс сравнения
координат агентов с координатами аварийных выходов, определение
скорости потока и движения каждого пассажира и определение движения
агента на граничных участках.
11
Алгоритм нахождения пассажиром пути до ближайшего аварийного
выхода строится на анализе и сравнении текущих координат пассажира и
координат ближайшего к нему аварийного выхода.
В начальный момент времени каждому пассажиру в соответствии с его
посадочным
местом
задаются
координаты
его
местонахождения
в
пространстве. Эти координаты переносятся в две матрицы координат для
последующей работы с ними в качестве массива данных. Таким образом
получаем матрицы (X) и (Y). Учитывая то, что в соответствии с особым
поведением пассажира в аварийной
ситуации необходимо ввести время
задержки эвакуации как психологическую реакцию агента (рассмотрено в
разделе №3), вводим дополнительную матрицу для учета времени (T).
После запуска процесса эвакуации в каждой итерации происходит
пересчет координат, таким образом создаются две матрицы (X1) и (Y1). Шаг
итераций в алгоритме составляет 200мс и определяется из условия времени
реакции.
Для программирования перемещения потока людей необходимо задать
координаты аварийных выходов в виде констант, и сравнивать положение
пассажира в пространстве с этими константами, тем самым корректируя
движение агента.
Рассмотрим подробнее процесс.
Если текущая координата хi меньше, чем правая граница, образованная
фюзеляжем, то агент движется влево, если больше, чем левая, то вправо.
После этого идет проверка по координате у. Направление движения по
вертикали
определяется подсчетом разности координат между текущим
положением агента и координатами выходов. К примеру, если путь
(определяющийся разностью) до у2 наименьший и пассажир находится во
второй половине салона, то движение происходит в сторону увеличения
12
координаты. Если путь до у2 наименьший и пассажир находится в первой
половине салона, то движение происходит в сторону уменьшения у.
В случае попадания агента на граничный участок происходит анализ
плотности потока пассажиров в областях, граничащих с областью
нахождения этого пассажира. Вычисленное соотношение плотностей
сравнивается с единицей.
Описанный выше алгоритм осуществляется при работе всех аварийных
выходов.
Если
рассматривается
вариант
блокирования
выходов,
то
необходимо включить в алгоритм соответствующие поправки.
6. Заключение.
На основе указанных выше алгоритмов был разработан набор программных
и
алгоритмических средств, позволяющих визуализировать поведение
пассажиров при аварийной эвакуации и проводить анализ полученных
результатов.
В процессе разработки программы было сделано следующее:
· реализованы алгоритмы нахождения оптимального пути
· создана программная реализация алгоритма поведения пассажира и экипажа
· создана визуальная часть программы, наглядно показывающая процесс
эвакуации.
13
Список используемых источников.
1. ГОСТ 12.1.004-91
2. АП 25
3. Модель поведения толпы на основе локальных потенциальных полей.
Р.В. Гребенников Воронежский государственный университет.
4. Ситис Эватек. Руководство пользователя.
14