Модуль 1. Теоретическая часть

    Тема 5. Программные реализации математических моделей движения людского потока

    Введение

         В обзоре приведены краткое описание, возможности, ограничения наиболее распространенных программ, реализующих модели движения людских потоков. Данные программы используются для определения расчетного времени эвакуации при определении величины пожарного риска. Ссылки на сайты программ приведены в списке литературы.

         Под эвакуацией понимается процесс организованного самостоятельного движения людей непосредственно наружу или в безопасную зону из помещений, в которых имеется возможность воздействия на людей опасных факторов пожара [1].

         Модели движения людских потоков в соответствии с Методикой [2] подразделяются на три вида:

•  упрощенная аналитическая модель движения людского потока (УА),

•  модель индивидуально-поточного движения людей из здания (ИП),

•  имитационно-стохастическая модель движения людских потоков (ИС).

         Поскольку процесс движения является сложным, более того, может быть разделен на несколько сложных, взаимодействующих между собой процессов, в существующих программах (моделях) для наиболее часто решаемых задач разработаны «кнопки» (готовые алгоритмы), позволяющие пользователю создать элемент модели (или задать параметры процесса) с помощью нескольких простых операций (щелчков мыши). Однако для других, менее часто встречающихся задач, нет готовых решений и требуется более трудоемкая настройка. Такая дополнительная настройка в данном описании называется настройкой продвинутого уровня (НПУ) - сложный и трудоемкий процесс создания элемента модели, для которого не предусмотрено готовое решение в интерфейсе программы, т.е. «кнопка», но которое в принципе позволяет реализовать данная математическая модель эвакуации. Для такой настройки требуется глубокое понимание принципов и особенностей конкретной математической модели эвакуации (и даже ее отдельной версии).

5.1 Ситис Флоутек (УА, ИС) [5]

          Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета параметров движения людей по упрощенной аналитической и имитационно-стохастической моделям, определения расчетного времени эвакуации из здания согласно положениям приложений 2, 4 и 5 Методики [2].

          Комплектации:

–      ИСМ - интегрированная среда моделирования;

–      ПРО - профессиональная, дополнительные возможности:

o   вывод результатов в файлы CSV и JSON;

o   запуск из командной строки (возможность встраивания в программные комплексы).

Возможности программы:

•  Ввод исходных данных для расчета с помощью встроенного графического редактора на основе сканированных планов здания.

•  Создание сцены на основе импорта данных из файла формата dxf.

•  Поддержка параметризации. Значения некоторых свойств, например, количество человек, плотность, время начала эвакуации можно задавать в виде математических выражений.

•  Работа с единым файлом проекта в составе комплекса программ СИТИС для расчета пожарного риска (Блок, Спринт).

•  Возможность создания нескольких сценариев эвакуации.

•  Отображение карты расчетных участков и пути эвакуации.

•  2D/3D анимация движения людских потоков с возможностью пошагового просмотра.

•  Просмотр основных параметров для каждого расчетного участка.

•  Формирование отчета, включающего исходные данные, таблицы расчета времени эвакуации из каждого помещения, таблицы времени выхода с этажей, таблицы участков с задержкой движения, сводную таблицу времени эвакуации для всех сценариев, карты участков расчета, изображения путей эвакуации.

•  Экспорт отчета в формат rtf. Для конвертации в docx необходим сторонний текстовый процессор.

•  Учет направления открытия двери – свойство «зазор» для коридора, в который открывается дверь. При одностороннем открывании двери заужение выполняется на половину ширины створки (то есть значение зазора составит четверть ширины створки), при двухстороннем – на ширину створки (значение зазора составит половину ширины створки).

•  Выполнение расчета с учетом слияния разнородных людских потоков.

•  В составе программы содержатся базы данных параметров людских потоков и площадей горизонтальной проекции людей в соответствии с Методиками [2, 3] и Сводом правил [4]. 

•  Вывод результатов расчета во внешние файлы: json, csv.

•  В программе реализован механизм контроля «ручного» изменения отчета (таблиц).

•  Вывод лицензии и декларации разработчика, в которых указаны: название файла проекта и код проекта (код проекта – уникальный код, связывающий расчет, отчет и декларацию).

     Ограничения программы:

•  Контроль за допустимым значением плотности людского потока должен выполнять пользователь (при анализе расчета).

•  В моделях не учитывается эмоциональное и физическое состояние, изменение состояния людей в процессе эвакуации и другие поведенческие особенности.

•  Одновременный просмотр результатов эвакуации и результатов моделирования распространения опасных факторов пожара не возможен.

     Документация:

•  Декларация соответствия, 2019.

•  Руководство пользователя, 2019.

• Техническое руководство, 2016.

•  Учебное пособие «Прикладные программы для расчета пожарного риска» [6], 2017.

   5.2 Ситис Эватек (ИП) [7]

        Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета параметров движения людей по индивидуально-поточной модели, определения расчетного времени эвакуации согласно положениям приложений 3 и 5 Методики [2].

    Возможности программы:

•  Определение времени эвакуации людей из здания (или частей).

•  Определение плотности потоков в любой момент времени в любой части здания, пропускной способности частей здания.

•  Создание сцены на основе импорта данных из файла формата dxf.

•  Задание сценариев поведения людей с помощью встроенного скриптового языка.

•  Создание отчета.

•  Визуализация расчета: пройденные пути всех людей, а также одного или нескольких человек.

•  Подсветка участков пути человека, где плотность потока превышала указанное в настройках пользователем значение (по умолчанию – 0,5 м²/м²).

•  Экспорт результатов расчета во внешний файл в формате xml.

    Ограничения программы:

•  Не рекомендуется загружать в качестве подложки изображение размером более 5000 пикселей по ширине или высоте (замедляет загрузку изображения).

•  После изменения масштаба подложки размеры уже нарисованных по этой подложке объектов не меняются.

    Документация:

•  Руководство пользователя, 2009.

•  Валидация и верификация эвакуационной модели СИТИС Эватек, 2008.

    5.3 GreenLine (УА) [8]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и определения расчетного времени эвакуации по упрощенной аналитической модели движения людского потока согласно положениям приложений 2 и 5 Методики [2].

    Возможности программы:

•  Ввод исходных данных для расчета с помощью графического редактора с возможностью использовать в качестве подложки планы этажей здания (возможные форматы файлов подложки .jpeg, .mng, .png, .bmp, .tiff).

•  Автоматический расчет длин участков на основе одного масштабного участка.

•  Автоматическая проверка параметров расчета на наличие ошибок.

•  Быстрое редактирование схемы эвакуации: автоматический ввод одинаковых параметров для дверей, ширин горизонтальных путей и ширин лестничных маршей, изменение параметров входных узлов сразу для нескольких элементов.

•  Учет наличия маломобильных групп населения.

•  Формирование отчета по результатам расчетов в формате (.rtf): табличный вид, сокращенный, полный (с этапами вычислений и формулами).

•  Сетевая версия (расчет через интернет) и локальная (расчет на компьютере пользователя).

Документация:

•  Руководство пользователя, 2016.

                                                              5.4 RiskManager (УА) [15]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и определения расчетного времени эвакуации по упрощенной аналитической модели движения людского потока согласно положениям приложений 2 и 5 Методики [2]. Данная программа разработана на основе программ Greenline и Z-Model (моделирование пожара в здании зонным методом) и сочетает в себе как достоинства этих программ, так и новые функции.

    Возможности программы:

          Дополнительно к функциям, реализованным в GreenLine, в программе RiskManager доступны:

•  Автоматическое создание сводного отчета по расчетам (риска).

•  Настройка вида отчета о результатах моделирования эвакуации: полный, табличный, сокращенный.

•  Создание нескольких сценариев в одном проекте.

Документация:

•  Только видео инструкция [16].

    5.5 Fenix+ / Fenix+ 2 / (ИП) [9]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета движения людей по индивидуально-поточной модели, определения расчетного времени эвакуации из здания согласно положениям приложений 3 и 5 Методики [2].

         Одновременный просмотр результатов эвакуации и результатов моделирования распространения опасных факторов пожара производится как в Fenix+, так и в программе SmokeView.

    Возможности программы:

•  Просмотр результатов моделирования эвакуации людей в табличном виде и в режиме видеоизображения.

•  Просмотр результатов моделирования эвакуации людей одновременно с воспроизведением динамики развития пожара.

•  Отображение упрощенных схем эвакуации людей.

•  Импорт чертежей в формате .dxf (а также в виде изображения, которое можно использовать в качестве подложки для рисования топологии).

•  Не требуется разбивать здание на отдельные участки.

•  Моделирование эвакуации из многоэтажных зданий.

•  Результаты моделирования каждого сценария сохраняются в отдельные текстовые файлы, которые могут быть открыты в другой программе (например, в табличном процессоре) для получения дополнительной информации.

•  Анимированное воспроизведение результатов моделирования с возможностью пошагового просмотра процесса эвакуации людей из здания.

•  Автоматическая остановка расчета, если время существования скоплений превысило 6 мин.

•  Автоматизация задания времени начала эвакуации (в соответствии с Методикой [2]).

•  Одновременное моделирование эвакуации людей для нескольких сценариев.

•  Автоматическая проверка сценария на наличие критических ошибок (моделирование не возможно).

•  Автоматическая проверка сценария на наличие ошибок, которые могут привести к недостоверным результатам моделирования эвакуации. Например, если расстояние между двумя препятствиями меньше 0,7 м, или на пути движения находятся препятствия на высоте меньше 1,9 м).

•  Доступ к результатам моделирования в текстовом виде.

•  Иллюстрация спасения немобильных людей в форме цветных диаграмм с подробным описанием параметров процесса.

•  Редактор контингентов: возможность создать контингенты людей с уникальными характеристиками.

   Документация:

•  Руководство пользователя Fenix+ / Fenix+ 2 x.2.2, 2019.

•  Техническое руководство. Моделирование пожара. Fenix+ / Fenix+ 2 x.2.3, 2019.

•  Валидация и верификация, 2020.

•  Производственные объекты. Практическое руководство Fenix+ 2 x.2.2, 2017.

                                                                     5.6 Fenix+ 3 (ИП) [9]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета движения людей по индивидуально-поточной модели, определения расчетного времени эвакуации из здания согласно положениям приложения 3 и 5 Методики [2].

         Одновременный просмотр результатов эвакуации и результатов моделирования распространения опасных факторов пожара производится как в Fenix+ 3, так и в программе SmokeView.

Возможности программы [14]:

        Дополнительно к функциям, реализованным в Fenix+ / Fenix+ 2, в программе Fenix+ 3 доступны:

•  Путевые точки: их использование позволяет реализовать сложные сценарии эвакуации людей из здания. В качестве путевых точек могут использоваться двери.

•  Карты плотностей людского потока: позволяют быстро выявить участки с наиболее затрудненным движением.

•  Создание контингентов людей с произвольной зависимостью скорости движения людей от плотности потока.

   Документация:

•  Руководство пользователя Fenix+ 3 3.0.6, 2020.

•  Гражданские объекты. Практическое руководство Fenix+ 3 3.0.5.

•  Производственные объекты. Практическое руководство Fenix+ 3 3.0.5.

•  Расчет безопасных противопожарных расстояний (разрывов). Практическое руководство Fenix+ 3 3.0.5.

•  Эвакуация людей. Валидация и верификация, 2020.

•  Техническое руководство. Моделирование пожара. Fenix+ 3 3.0.5.

                                                                      5.7 Pathfinder (ИП) [10]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета движения людей по индивидуально-поточной модели, определения расчетного времени эвакуации из здания. Для настройки программы согласно положениям приложения 3 Методики [2] разработчики программного комплекса FireCat разместили на сайте архив с профилями для зданий всех классов функциональной пожарной опасности, всех групп мобильности, а также настройки для спасения и общие параметры для Pathfinder.

Возможности программы:

•  Представление результатов моделирования в виде графиков, в формате .csv (значения, разделенные запятыми) и текстового отчета, в котором содержится время выхода из помещений и скорости потоков через двери.

•  Одновременный просмотр результатов эвакуации и результатов моделирования распространения опасных факторов пожара.

•  Визуализация спасения немобильных людей силами персонала на носилках, инвалидных креслах и других средствах передвижения.

•  Использование различных вариантов поведения людей при спасении: помощники могут сопровождать немобильного человека весь путь до выхода или зоны безопасности, а могут передавать его от одной команды спасателей к другой (например, одна команда везет немобильного человека к лифту, другая встречает внизу у лифта), или оказывать помощь только на части пути (например, помочь человеку в кресле-коляске при спуске по лестнице).

•  Учет ограничений на количество рейсов, в соответствии с требованиями методики [2].

•  Визуализация результатов моделирования эвакуации в виде «контуров» - полей различных параметров движения, например, плотность, скорость движения людей, загруженность путей эвакуации (возможно создание пользовательских контуров, использовать усреднение, поиск максимальных и минимальных значений. Каждый контур можно индивидуально настраивать – диапазон значений, цветовая шкала, сглаживание и др.).

•  Импорт геометрии из AutoCAD (файлы в форматах .dxf и .dwg), FDS (.fds) и PyroSim (.psm).

•  Загрузка изображений в форматах .gif, .jpg или .png в качестве подложек.

•  Имитация работы лифта, эскалатора, движущейся дорожки.

•  Использование лестниц, рамп.

Ограничения программы:

•  Работа лифта имитируется только в режиме эвакуации.

Документация:

 Руководство пользователя, 2020.

 Схема работы в Pathfinder.

   5.8 FireGuide (ИС) [11]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета параметров движения людей, определения расчетного времени эвакуации из здания. Расчет производится при помощи модуля EVAC программы Fire Dynamics Simulator (FDS) [12] по имитационно стохастической модели.

         Модуль Evac интегрирован в FDS. По сравнению с оригинальным модулем EVAC модель доработана в части зависимости скорости движения людей от плотности потока в соответствии с Методикой [2].

         Одновременный просмотр результатов эвакуации и результатов моделирования распространения опасных факторов пожара производится в программе SmokeView.

    Возможности программы:

•  Использование лестниц, рамп (требуется НПУ).

•  Использование эвакуирующимися лифтов (без визуализации самого лифта, требуется НПУ).

•  Импорт геометрии из AutoCAD (файлы в форматах .dxf и .dwg), FDS (.fds).

•  Загрузка изображений в форматах .gif, .jpg или .png в качестве подложек.§ Для предсказания поведения людей используется агентная модель.

•  Алгоритмы движения людей основаны на модели паники.

•  При моделировании может быть учтено воздействие дыма и токсичных продуктов горения на эвакуирующихся (требуется НПУ).

•  Учитывается эмоциональное и физическое состояние, изменение состояния людей в процессе

эвакуации и другие поведенческие особенности (требуется НПУ).

    Ограничения программы:

•  Нет возможности имитировать работу эскалатора, движущейся дорожки.

•  Трудоемкий процесс построения и настройки лестниц.

    Документация:

Руководство пользователя, 2013.

                                                                    5.9 Urban (ИП) [18]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета параметров движения людей, определения расчетного времени эвакуации из здания.

   Возможности программы:

•  Отображение путей эвакуации (при условии что было проведено моделирование эвакуации).

•  Автоматическая проверка сценария на наличие ошибок.

   Документация:

•  Руководство пользователя.

•  Видеоролики по работе с программой.

                                                                    5.10 Фогард (УА, ИП) [19]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета параметров движения людей, определения расчетного времени эвакуации из здания. В программе представлены две модели движения людского потока: Фогард-РВ и Фогард-РВ+ варианты упрощенной аналитической модели согласно положениям приложения 2 Методики [2]; Фогард-РВ (ИПМ) - индивидуально-поточная модель согласно положениям приложения 3 и 5 Методики [2].

         В отличие от Фогард-РВ версия Фогард-РВ+ позволяет расчитывать движение людских потоков независимо друг от друга. При этом каждый поток начинает движение независимо от других с учетом времени начала эвакуациии в зависимости от расчетного сценария. В случаях встречи людских потоков на участках слияния, происходит их слияние с разделением на потоки, с учетом части потока, которая покинула участок до слияния потоков. Учитывается время начала эвакуации.

Возможности программы:

•  Работа с программой осуществляется с помощью приложения (клиента), на компьютере пользователя распаковывается архив, установка не требуется. Расчет производится на удаленном сервере разработчика программы.

•  Формирование подробного отчета с расчетной схемой эвакуации, требуемой нумерацией страниц, номером раздела, названием отчета. Настройка отчета (выслать на email уведомление, отчет, уведомление+отчет).

•  Автоматическая проверка сценария на наличие ошибок.

•  Проведение расчета с получением сводной информации по путям эвакуации – начальный участок, конечный участок, участки с задержками, их время.

•  Возможность проведения анализа – поиск «слабых» мест в расчетной схеме.

•  Автоматическая подстановка номера вливающегося участка (предыдущий номер).§ Возможность вводить номер участка начиная с определенного;

•  Расчет времени спасения людей из зданий Ф1.4 (ИП);

•  Дополнительные параметры движения людей для проведения расчетов в зданиях функциональной пожарной опасности Ф1.3, Ф1.4, Ф1.1 (ИП).

    Ограничения программы:

•  Объем объекта, над которым будет работать программа, не должен быть более 3 млн. м³.

•  Для успешного экспорта вспомогательных таблиц на компьютере должен быть установлен пакет Microsoft Office.

    Документация:

•  Руководство пользователя, 2017.§ Рекомендуемый пример отчета по Методике [2].

•  Применение программного комплекса Fogard для расчета пожарного риска.

•  Рекомендуемый пример отчета по пожарным рискам производственных объктов.

•  Рекомендуемый пример отчета по пожарным рискам в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности.

                                                                 5.11 Сигма ПБ (ИП) [20]

         Программа предназначена для моделирования эвакуации и расчета параметров движения людей, определения расчетного времени эвакуации из здания. Для моделирования людских потоков используется вычислительное ядро отечественной программы SigmaEva©[21].

    Возможности программы:

•  Импорт модели из Autodesk Revit.

•  Наглядная и подробная иллюстрация процесса эвакуации позволяет отслеживать выполнение на отдельных участках здания условий своевременной и беспрепятственной эвакуации при пожаре.

•  Управление отображением поэтажных планов.

•  Совместная визуализация полей опасных факторов пожара на каждом этаже здания и процесса эвакуации людей.

•  Подробный автоматизированный отчет.

    Ограничения программы:

•  Размеры файлов с изображением планов этажей не должны превышать 7Мб, в противном случае подложка может не отображаться.

•  Импорт подложки только в формате .jpg.

•  Отсутствует возможность работы с несколькими сценариями в одном проекте.

•  Для объектов класса функциональной пожарной опасности Ф1.1 визуализация переноски немобильных пациентов не предусмотрена.

    Документация:

•  Руководство пользователя, 2020.

•  Видеоинструкции [23].

                                                                           Заключение

          Рассмотрены программы, реализующие математические модели движения людского потока: Ситис Флоутек, Ситис Эватек, RiskManager (GreenLine), Fenix+ 3, Pathfinder, FDS+Evac (FireGuide), Urban, Fogard, Сигма ПБ.

         Согласно доступным в литературе исследованиям, наиболее точные (в сравнении с натурными экспериментами) результаты моделирования движения людского потока получаются при использовании моделей Флоутек и Эватек, наименее – при использовании Pathfinder. Среди зарубежных программ, FDS+Evac демонстрирует близкие к Флоутек и Эватек результаты [13, с. 112].

         Следует отметить, что многообразие выбора программ, реализующих модели движения людского потока, создает иллюзию простоты решения задачи определения расчетного времени эвакуации. В этой связи уместно привести цитату из экспертной оценки Академии ГПС МЧС России: «... все пользователи различных программных продуктов, просчитывая пожарные риски на одно и то же здание, получают различные значения. Такая ситуация приводит к разночтению выводов, т.е. в одном расчетном обосновании - соответствие нормативному значению пожарного риска, а в другом расчетном обосновании на тот же объект - несоответствие, для исключения которого необходимо выполнить дополнительные более дорогостоящие требования пожарной безопасности, например, автоматическое пожаротушение и противодымную защиту. … Таким образом, отсутствие эталонного программного продукта в РФ влечет за собой неоднозначные выводы, что приводит к диаметрально противоположным правовым последствиям» [17]. Для заинтересовавшихся данной проблематикой рекомендуется к прочтению статья Холщевникова В.В. и Парфененко А.П. «Корректность компьютерной модели и наша жизнь» [22].

                                                                                  Литература

1.    Федеральный закон Российской Федерации от 22.07.2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» // Российская газета - Федеральный выпуск №4720 от 01.08.2008.

2.    Приказ МЧС России от 30.06.2009 г. № 382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».

3.    Приказ МЧС России от 10.07.2009 г. N 404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах».

4.    СП 59.13330.2012 «Доступность зданий и сооружений для маломобильных групп населения».

5.    Ситис Флоутек 4.16 [Сайт] / URL: http://sitis.ru/655z113.

6.    Прикладные программы для расчета пожарного риска [Текст]: учебное пособие/ авт.-сост. Брюхов Е.Н. и др.; под общ.    ред. О. А. Мокроусовой. Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2017. 154 с. URL: http://sitis.ru/files/e1e751786fce3f6a17ad78b87dc3d19b.

7.    Ситис Эватек [Сайт] / URL: http://sitis.ru/655z126.

8.    Greenline [Сайт] / URL:https://nordsoftware.ru/programms/greenline/.

9.    Fenix+ 3 [Сайт] / URL: https://mst.su/fenix/.

10. FireCat [Сайт] / URL: https://www.pyrosim.ru.

11. FireGuide [Сайт] / URL: http://fireguide.ru/.

12. FDS, Fire Dynamics Simulator [Сайт] / URL: https://pages.nist.gov/fds-smv/.

13. Самошин Д. А. Состав людских потоков и параметры их движения при эвакуации: Монография. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2016. 210 с.

14. Алексин С. А. Fenix+ 3 - новая программа для расчета пожарного риска/ Профессиональный блог о пожарной безопасности. URL: https://mst.su/blog/fenix3.

15. RiskManager [Сайт] / https://nordsoftware.ru/programms/risk manager.

16. RiskManager: видеоинструкция [Сайт] / https://nordsoftware.ru/ video/riskmanager/.

17. Письмо Академии ГПС МЧС России № 2791-1-14 от 19 июля 2017г. депутату Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации И.М. Тетерину.

18. Urban [Сайт] / URL: https://urbanpo.ru/.

19. Fogard [Сайт] / URL: http://fogard.ru/.

20. Сигма ПБ [Сайт] / URL: https://3ksigma.ru/.

21. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ No2013610824. Кирик Е.С., Малышев А.В. «Программа по расчету времени эвакуации из многоэтажных зданий и сооружений моделью индивидуально поточного типа (SigmaEva)», 9 января 2013 г.

22. Холщевников В.В., Парфененко А.П. Корректность компьютерной модели и наша жизнь // Пожаровзрывобезопасность/ Fire and Explosion Safety. 2020. Т.29. №3. С.66–94. DOI: 10.22227/PVB.2020.29.03. 66-94.

23. Уроки по работе с ПО Сигма ПБ [Сайт]