Ученые Красноярского научного центра СО РАН уже более 15 лет моделируют движение людей. Это нужно, чтобы проверять различные здания на безопасность. Благодаря вычислениям красноярских ученых музеи, спортивные сооружения, торговые центры и другие здания с массовым пребыванием становятся комфортнее и безопаснее для посетителей. О том, как компьютерное моделирование помогает решать задачи безопасности, рассказывает Екатерина Кирик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН.

– Что лежит в основе математической модели пешеходного движения?

– Математическая модель – это всегда упрощение реального явления с выделением наиболее характерных особенностей. В нашем случае мы рассматриваем направленное перемещение людей, оставляя за рамками поведенческие аспекты. Внимание акцентируется на физическую составляющую этого процесса. Такой подход устанавливается целями моделирования. Чаще всего мы определяем время направленного движения людей по участкам путей эвакуации и места, где происходят скопления, их продолжительность. При этом наш виртуальный человек взаимодействует с окружающей средой, например, «видит» и обходит препятствия, заблаговременно корректируя свою траекторию. Он «знает» о наличии других людей, и это влияет на его скорость и траекторию. Мы предполагаем, что у людей есть цель, и она определяется вопросом, на который мы хотим ответить в результате моделирования. При этом нужно отметить, что модель содержит параметры, которые позволяют воспроизвести и случайное блуждание.

– На какие вопросы можно отвечать, применяя компьютерное моделирование пешеходного движения?

– Круг вопросов широк. Например, сколько времени требуется, чтобы освободить чашу стадиона или зрительный зал в театре. Сколько времени требуется на освобождение всего здания. Как быстро люди покинут прилегающую территорию и хватит ли пропускной способности дверей и коридоров. Будут ли скопления и следует ли поэтапно выпускать зрителей. Следует ли использовать все возможные пути наружу или можно обойтись только частью. Какой в таком случае должная быть их пропускная способность. Как влияют люди с ограниченной мобильностью на время освобождения здания. Успеют ли люди покинуть здание в случае пожара, пока пути эвакуации безопасны.

– Что может влиять на время покидания здания?

– Если не говорим о чрезвычайной ситуации, то влияет планировка здания. Для крупных спортивных объектов это еще и организация прилегающей территории и внешнего периметра здания. С этим мы столкнулись, когда моделировали процесс освобождения стадионов, принимавших Кубок федерации в 2017 году, а потом Чемпионат мира по футболу в 2018 году. Есть определенные требования к организации пространства в связи с делением всех зрителей на клиентские группы. Например, имеются категории «vip» и «very vip», для которых выделяется отдельная часть помещений в подтрибунном пространстве и в чаше стадиона. Такие области отгорожены и не доступны основной массе зрителей. Если подобные особенности предусмотреть еще на этапе проектирования, то их наличие не сказывается на комфорте, а главное – безопасности основной массы зрителей. Но если уже существующий стадион приспосабливается под эти требования, то результат может быть очень спорным. Однажды мы выполнили моделирование освобождения стадиона с учетом таких особенностей, задуманных организаторами. Мы смогли показать, что создание приоритетных условий для одной категории зрителей создает сложности для основной массы обычных зрителей. Это удлиняет траекторию их пути, увеличивает время выхода, создает участки скоплений с высокой плотностью, которые опасны неконтролируемым переходом в давку.

– Приоритетнее проводить моделирование еще до строительства объекта?

– Желательно проверять задуманные планировочные и организационные решения именно на этапе проектирования. Но иногда приходится приспосабливать уже существующий стадион под новые требования. Так же приспособление может касаться не самого здания, а прилегающей территории и внешнего периметра. Например, для выхода за периметр прилегающей территории требуется обеспечить ворота определенной ширины. Но где они должны располагаться, и как должны быть согласованы с уже существующими выходами из здания, этого нигде не прописано в руководящих документах. И каждый организатор определяет решение этого вопроса сам для себя. Есть варианты реализации таких требований удачные, а есть категорически неудачные. Например, путь до ворот не спрямленный, а содержит повороты до 180 градусов. Это является причиной снижения скорости и образования заторов при перемещении плотных масс людей. Требования вроде бы выполнены, но гарантировать безопасность людей нельзя. В своей работе мы видели такие примеры на крупных стадионах. И видели проблемы, которые потенциально несут решения подобного рода. Разрабатывали рекомендации по управлению потоками людей по результатам моделирования, включая поэтапное освобождение трибун. Можно сказать так: моделирование – это лакмусовая бумажка, которая высвечивает проблемы зданий, невидимые невооруженным глазом.

– Скорость людей не одинакова, модель может это учитывать?

– При моделировании мы обязательно учитываем маломобильных граждан, которые перемещаются либо на колясках, либо с какими-то опорами. В расчетах допускается около 5 % людей с ограниченными возможностями от общей массы посетителей. Ситуации с плотным потоком для людей с ограниченной мобильностью представляют опасность. К тому же они сами замедляют поток людей. Применение моделирования пешеходного движения позволяет изучить разные варианты перемещения разнородной массы людей и, например, по результатам моделирования дать оценку времени эвакуации для рассмотренных вариантов и рекомендации персоналу объекта, как следует помогать маломобильным посетителям.

– Как моделирование помогает эвакуации при пожаре?

– Компьютерное моделирование, имитирующее пожар и эвакуацию, является быстрым и надежным способом оценить возможные сценарии развития событий. С помощью вычислительного эксперимента можно сымитировать опасные ситуации без риска нанести ущерб жизни и здоровью людей. При этом можно наглядно продемонстрировать влияние различных условий на ход и результаты эвакуации. Можно рассмотреть, представляют ли эти условия угрозу жизни и здоровью людей. Затем, по полученным результатам, можно формировать мероприятия по повышению уровня пожарной безопасности на объекте, схемы эвакуации и действия персонала по управлению эвакуацией в случае возникновения опасных ситуаций.

При помощи моделирования можно, например, определить безопасные участки в здании, где можно находиться продолжительное время, при этом в другой части здания будет пожар. Это очень актуально для территорий, где зимой низкие температуры. Представьте, в Норильске эвакуацию из детского сада или школы на улицу в «-40» без одежды (а экстренная эвакуация не предполагает время на одевание). Так же это актуально для больниц, где ведутся операции, которые не прервешь.

Моделированием можем показать, как важно, например, держать доводчики на дверях в исправном состоянии. Потому что при пожаре самая обычная закрытая дверь является очень хорошим препятствием для распространения дыма по путям эвакуации. Это дает возможность эвакуироваться в безопасных условиях.

– Вы провели много расчетов для различных зданий. Можете сказать, какие места в зданиях считаются самыми уязвимыми и опасными. Наверняка вы часто ведите это в своих расчетах.

– Там, где низко и узко. Здания, в которых низкие потолки и узкие коридоры – не безопасные здания. Но они могут проходить по нормативам. Высота и ширина в два метра считается достаточной. Наш опыт моделирования говорит, что из такого здания надо выбегать еще до начала пожара, иначе не успеешь. Это, конечно, шутка, но доля правды в ней есть. В таких зданиях на путях эвакуации дым быстро спускается на уровень органов дыхания. Очень опасно надышаться угарным газом, который мы не чувствуем. И момент, когда человек в сознании и без сознания, разделяют секунды. Поэтому реакция должна быть максимально быстрой. Высокие потолки, наоборот, способствуют тому, что дымовой слой будет дольше накапливаться наверху. Например, сейчас мы занимаемся совместной работой с Эрмитажем, и вот в Зимнем дворце, надо отметить, очень безопасное пространство по современным критериям: широкие и высокие помещения. Бартоломео Растрелли еще в 18 веке заложил такие объемно-планировочные решения, которые остаются безопасными и по сей день.

– Какие другие опасности могут подстерегать человека во время эвакуации?

– Когда человек слышит сигнал, что надо покинуть здание, он выбирает для этого ближайший путь. Или голосовая система оповещения сообщает, что нужно покинуть здание ближайшим путем. А кто сказал, что этот путь безопасный? Что он не находится рядом с очагом пожара, и не задымится в ходе эвакуации? Еще один момент, характерный для стадионов: если один из выходов становится недоступен ввиду какой-то опасности, то люди, которые должны были через него выйти, как правило, перенаправляются на ближайшие выходы. Моделированием можно показать, что это неверное решение. Надо направлять людей на более удаленные выходы, чтобы не образовывать скопление. За счет того, что люди будут какое-то время в дороге, проход освободится. В результате общее время эвакуации будет меньше. Так благодаря моделированию рождаются неочевидные, но более эффективные решения.

– Что входит в культуру безопасности? Может математическое моделирование помочь ее формировать?

– Когда люди примерно представляют, как они должны себя вести при чрезвычайной ситуации, например, при пожаре. Что нужно делать и как вести себя в театре, спортивном сооружении, где много людей. Одно дело, когда ты в собственной квартире. И другое – когда нужно покинуть здание, где много других людей. У человека должны быть ответы на эти вопросы. Чем больше людей в массе подготовлено, тем мы имеем более «здоровое» в этом плане общество. Представим ситуацию. Мама с ребенком пришли в магазин, оставила его в игровой комнате и пошла за покупками. И вот включилось оповещение, что надо покинуть здание. Что делает мама? Она бежит за ребенком. И, скорее всего, в противоположном направлении, чем другие люди. Создается противоток, мешающий движению, и паника. А как должно быть? На момент, когда ребенка оставляют в игровой комнате, мама должна быть проинструктирована о том, как вести в себя экстренной ситуации. Ее должны проинформировать, что детей выведут, рассказать про путь эвакуации и точку сбора.

Такая же ситуация, например, в гостинице. При заселении нам должны провести личный инструктаж и рассказать, как следует эвакуироваться и через какие выходы. Причем это только часть информации, а есть еще детали. Какие у нас временные рамки для эвакуации? А если я сплю в этот момент, у меня есть время одеться и что-то собрать? И это должно быть проговорено. Применение моделирования позволяет определить эти временные рамки, и понять, что есть гостиницы, в которых можно и одеться, и собраться, а где-то допустимо только в одеяло завернуться и выбегать.

– Вы проводили моделирование для разных зданий. Какая работа запомнилась больше всего?

– Наш последний проект связан с Зимним дворцом Государственного Эрмитажа – это самый интересный объект во всех отношениях. Для того, чтобы начать моделировать, мы сначала его обмерили. Прямо прошли с рулеткой по всем выставочным залам. Получили еще и эстетическое наслаждение.

Стадионы тоже сложные и интересные объекты. Во-первых, это вызов тебе как специалисту по моделированию, разработчику программного обеспечения. Именно сам по себе объект является вызовом: а сможешь ли ты выполнить расчет для семидесятитысячного стадиона? На это уходит много времени и сил, и это повод задумываться про оптимизацию работы и сокращения времени на рутинные действия, оптимизацию расчетных алгоритмов, над которой можно не задумываться, работая с небольшими зданиями. Еще одна интересная работа – у нас был опыт сравнения планировок Римского Колизея и стадиона «Зенит Арена» в Санкт-Петербурге. Модель Колизея восстанавливали по описаниям из книжек, «Зенит Арену» – по чертежам, но и пройтись ногами по всему объекту пришлось. Взяли наиболее сравнимые участки здания и проверили, как планировочное решение влияет на время эвакуации и образование скоплений. Выяснилось, что планировка Колизея очень удачная по современным критериям.

Самое приятное в работе – быть услышанным. Когда мы применили свои знания, умения и получили результат, который нашел отклик у лиц, принимающих решение. Когда наши предложения находят воплощение в конкретных зданиях, и здания становятся безопаснее для людей. Это является очень приятным результатом работы. Говорю «мы», «наши», потому что без моих коллег все рассказанное не смогло бы осуществиться – Малышев Андрей Валерьевич, Витова Татьяна Брониславовна, Попел Егор Викторович, большой коллектив дружественного Института теплофизики им. С. Кутателадзе СО РАН под руководством Дектерева Александра Анатольевича.

Источник: ФИЦ КНЦ СО РАН.