Dopravná infraštruktúra v mestách 8. medzinárodná konferencia Žilina, 3. 4. október 2012 SIMULACE EVAKUAČNÍCH A TRANSPORTNÍCH PROCESŮ CHODCŮ V SOFTWARU VISSIM Peter Súkenník 1 Petr Hofhansl 2 Martin Varhulík 3 1 Úvod Simulace pěších je specifickou oblastí simulací transportních procesů. Simulace vozových dopravních proudů a také jednoduché interakce vozidel a pěších je využívána v dopravně-inženýrské praxi již řadu let, vzájemná interakce chodců ve známých a rozšířených simulačních softwarech je relativně nová. Nový přístup vyžaduje vždy ověření a stanovení základních obecných pravidel pro tvorbu mikroskopických modelů a jejich vyhodnocování. Této problematice se věnuje také grantový úkol TA02030441 (Virtuální simulace evakuačních a transportních procesů chodců) ve spolupráci společnosti CityPlan, Vysokého učení technického v Brně a Vysoké škole báňské technické univerzity v Ostravě, v rámci něhož byl připraven i tento příspěvek. 2 Obecné cíle simulačních studií pěších Smysl užití mikroskopické simulace při posuzování automobilových dopravních proudů je již známý. K čemu však slouží simulace chodců? Podle [1] základními cíly mikroskopických simulačních analýz jsou: Stanovení celkového evakuačního času nebo evakuačního času částí různých staveb a statistické zhodnocení se zohledněním bezpečnostně-technických aspektů; Ověření kapacity evakuačních cest v jednotlivých případech pro specifický objem pěších, kdy se plánované či existující únikové cesty nějakým způsobem odlišují od dimenzačních předpisů; Prověření flexibility únikových cest v případě dočasných změn, kdy určité únikové cesty nebo zabezpečené oblasti nejsou dostupné; Identifikace signifikantních kongescí v průběhu evakuace (nebo běžného pohybu, např. v dopravních terminálech, na stadionech apod. Mezi další užitečné aplikace neevakuačního charakteru (běžný pohyb chodců) můžeme zařadit kapacitní posuzování dopravních konstrukcí (např. kapacita křižovatky se zohledněním všech účastníků dopravního provozu) a optimalizaci provozu, tj. zlepšení úrovně kvality dopravy, odstranění kongescí či minimalizace časových ztrát. Další možné komerční aplikace softwaru jsou např.: Identifikace komerčně zajímavých míst s nejvyššími intenzitami chodců (pohled obchodníka nájemce prostoru); Identifikace míst, které nejsou využity k pěšímu pohybu a můžou být využity pro jiný účel (pohled vlastníka/provozovatele či pronajímatele prostoru). 1 Ing. Peter Súkenník; AF-CityPlan s.r.o., Jindřišská 889/17, 277 005 502, peter.sukennik@afconsult.com 2 Ing. Petr Hofhansl, Ph.D.; AF-CityPlan s.r.o., Jindřišská 889/17, 277 005 505, petr.hofhansl@afconsult.com 3 Ing. Martin Varhulík; AF-CityPlan s.r.o., Jindřišská 889/17, 277 005 502, martin.varhulik@afconsult.com
3 Simulace pěších v minulosti a dnešní možnosti Donedávna software VISSIM umožňoval pouze liniové vedení chodců (definici trajektorií), mezi kterými nedocházelo ke vzájemné interakci. V místech zastavení (např. u světelné signalizace) tak chodci běžně stáli ve shluku nerespektujícím fyzické rozměry ani rozestupy mezi nimi. Obdobně rychlejší chodci přecházeli přes ty pomalejší. Nicméně tento způsob byl dostačující pro případy křižování komunikace v místech konfliktních ploch vozidel a chodců, jelikož interakce mezi vozidly a chodci byly funkční. V současnosti jsou možnosti předmětného softwaru výrazně širší díky implementaci Helbingova modelu sociálních sil. Funkcionalita softwaru se tak rázem dostala do zcela jiných rozměrů a umožňuje řešit problémy evakuace (ve stavu bez paniky) nebo vzájemné křižování pěších dopravních proudů. Principiálně máme tedy na výběr dva přístupy: Liniové vedení chodců bez vzájemné interakce s funkční interakcí vozidlo chodec; Definice ploch pro pohyb (interakční prostor) se vzájemnou interakcí chodců (Helbingův model sociálních sil). Interakční prostor Obr. 1 Interakce chodců v softwaru VISSIM (Helbingův model sociálních sil) 4 Základní simulační testy podle RIMEA Základní simulační testy pro simulační softwary jsou definovány v německé směrnici pro mikroskopické analýzy (RIMEA). V rámci již zmíněného projektu TA02030441 jsou prováděny všechny tyto testy v softwaru VISSIM a vybrané testy také v komparativních softwarech Exodus a PathFinder. Níže uvádíme stručný popis těchto testů: Test 1 Má prokázat, že simulovaná osoba projde 2 metry širokou a 40 metrů dlouhou chodbou při definované rychlosti v odpovídajícím čase. Z nastavení nepřesností na 40 cm (rozměry těla), 1 s (pro reakční dobu) a 5 % pro rychlost, při typické rychlosti chodce 1,33 m/s vyplývá následující požadavek: rychlost by měla být nastavena mezi 4,5 a 5,1 km/h. Cestovní čas by měl při nastavených 1,33 m/s ležet v rozmezí 26 až 34 sekund. Test 2 schodiště nahoru Má prokázat, že simulovaná osoba projde schodištěm o šířce 2 metry a délce 10 metrů (měřeno podél sklonu) při definované rychlosti v odpovídajícím čase. Předpoklady testu č. 1 platí v odpovídajících hodnotách. Test 3 schodiště dolů Má prokázat, že simulovaná osoba projde schodištěm o šířce 2 metry a délce 10 metrů (měřeno podél sklonu) při definované rychlosti v odpovídajícím čase. Předpoklady testu č. 1 platí v odpovídajících hodnotách.
Test 4 Pro 4 metry širokou chodbu s periodickými okrajovými podmínkami a minimální délkou 30 m má být zobrazen vztah proud-hustota v závislosti na parametrech. Proud a hustota mají být přitom stanoveny pro celou chodbu. Periodické okrajové podmínky znamenají, že osoby, které chodbu na jejím konci opustí, do ní na opačném konci bez časové prodlevy vstoupí. Tento teoretický předpoklad je nutný k odvození fundamentálního diagramu. Fundamentální diagram by měl být vypočten pro okruh s vnitřním průměrem od 20 do 200 m. Pak by mělo být pro hustotu 4 osoby/m2 zdokumentováno, jako se mění hodnota proudu v tomto rozsahu poloměru. Přitom musí být provedeno pro alespoň 5 různých výpočtů s poloměry rovnoměrně rozdělenými v tomto rozsahu. Specifický proud je počet osob, které projdou určitým profilem světlou šířkou 1 metr za 1 sekundu. Jednotkou je osob/m.s. Specifický proud je závislý především na hustotě osob (jednotka: osob/m2) a dá se vypočítat následující rovnicí [2]: Výše uvedené rovnici odpovídá fundamentální diagram na obrázku níže. Obr. 2 Fundamentální diagram pro chodce podle [2] Test 5 10 osob v místnosti o velikosti 8 x 5 m s východem o šířce 1 m, který se nachází uprostřed 5 m dlouhé stěny. Nastavení reakční doby rovnoměrné rozdělení mezi 10 a 100 s. Ověření, že každá simulovaná osoba vystartuje ve správný okamžik. Test 6 20 osob, které se pohybují na trase s levým rohovým odbočením, úspěšně překonají roh chodby bez křižování stěn. Obr. 3 Test č.6 a jeho vizualizace
Test 7 Výběr jedné ze skupin sestávajících se z dospělých osob (dle tabulky RIMEA č. 1) a přidělení rychlosti v populaci 50 osob. Pak následuje prokázání, že rozdělení rychlostí v simulaci je srovnatelné s rozdělením v tabulce. Test 8 Parametrová analýza slouží k zobrazení důsledků/působení parametrů použitých v simulaci. Pro testovací třípodlažní půdorys zobrazený na obrázku níže má být zobrazeno, jak se mění celkový evakuační čas, když jednotlivé parametry osob variují. Toto má být opakováno pro každý jednotlivý parametr, přičemž ostatní parametry budou konstantní. Zkoumaný parametr má být nastaven v jednom případě pro všechny osoby stejný (např. rychlost všech osob 1 m/s) a v druhém statisticky rovnoměrně rozdělený kolem střední hodnoty. Výsledky mají být znázorněny v grafech (tyto je možné pak odeslat na stránky projektu RIMEA, kde budou volně k dispozici). Druhé patro se liší od prvního tím, že tam nejsou schody směrem nahoru. Obr. 4 Test č.8 a jeho vizualizace Test 9 Veřejný prostor se čtyřmi východy a 1 000 rovnoměrně rozmístněnými osobami v prostoru (viz obrázek níže). Výběr populace dospělých osob (z tabulky RIMEA č. 1) s okamžitou reakcí a rozdělení rychlosti 1 000 osobám. Krok č. 1: Zaznamenání času, ve kterém opustí místnost poslední osoba. Krok č. 2: Dveře č. 1 a 2 se uzavřou a opakuje se krok č. 1. Očekávaným výsledkem je přibližně zdvojnásobení času potřebného k opuštění prostoru.
Obr. 5 Test č.9 a jeho vizualizace Test 10 Sestavení sekce chodby dle obrázku níže s populací dospělých osob (z tabulky RIMEA č. 1) s okamžitou reakcí a rozdělení rychlosti v populaci 23 osob. Osoby v místnostech 1, 2,3,4, 7, 8, 9 a 10 jsou přiřazeny hlavnímu (primárnímu) východu, všechny ostatní osoby sekundárnímu východu. Očekávaným výsledkem je, že všechny přiřazené osoby jdou k odpovídajícímu východu. Obr. 6 Test č.10 Test 11 Veřejný prostor disponuje dvěma východy (viz obrázek níže). Následuje volba populace dospělých osob (z tabulky RIMEA č. 1) s okamžitou reakcí a rozdělení rychlosti v populaci 1000 osob. Místnost má být zleva obsazena maximální možnou hustotou. Očekávaným výsledkem je, že osoby sice upřednostňují bližší východ č. 1 a v této oblasti vznikají kongesce, ale jednotlivé osoby použijí i alternativní východ č. 2.
Obr. 7 Test č.11 a jeho vizualizace Test 12 Sestavení místnosti, která je prostřednictvím chodby spojená s jinou místností (viz obrázek níže) a její vyplnění dle předlohy populací 150 dospělých osob (rychlost dle tabulky RIMEA č. 1). Reakční čas je 0 s. Jelikož proud osob je omezen chodbou, může ke kongesci docházet pouze v místnosti č. 1 a v místnosti č. 2 nikoliv. Obr. 8 Testu č.12 a jeho vizualizace Test 13 Sestavení místnosti, která je chodbou spojena se schodištěm (viz obrázek níže), obsazena populací dospělých osob (dle předlohy z tabulky RIMEA č. 1), s okamžitou reakcí a rozdělení rychlosti v populaci 150 osob. Očekávaným výsledkem je, že u východu z místnosti vznikne kongesce, která vytvoří plynulý proud osob v chodbě. Navíc se očekává kongesce na počátku schodiště, která by s časem měla růst, jelikož proud osob na schodišti je slabší než v chodbě.
Obr. 9 Test č.13 a jeho vizualizace Test 14 Zdrojová (v obrázku znázorněna červeně) a cílová (v obrázku znázorněna zeleně) plocha jsou navzájem propojeny dvěma schodišti a chodbou v přízemí (tj. o podlaží níže) a také chodbou (delší) ve stejném podlaží. Vyberou si chodci kratší trasu přes jiné podlaží nebo delší trasu ve stejném podlaží? Zdokumentování krátké, dlouhé, smíšené, nebo konfigurovatelné volby. 5 Závěr Obr. 10 Test č.14 Předběžné závěry základních simulačních testů v softwaru VISSIM (s modulem VisWalk) poukazují na plnění požadavků stanovených ve směrnici RIMEA a tedy schopnost nasazení pro mikroskopické evakuační analýzy (bez vlivu zakouření a panického chování). Zároveň ale platí, že použití softwaru nenahrazuje požadavky kladené na zajištění únikových cest platnou legislativou či technickými normami. Další testy budou prováděné v rámci
grantového projektu TA02030441 a jeho finální výstupy se předpokládají do konce roku 2014. Literatura [1] RIMEA PROJECT: Richtlinie für Mikroskopische Entfluchtungsanalysen, Německo, 2009; [2] Weidmann U., Transporttechnik der Fußgänger, Schriftenreihe des Institut für Verkehrsplanung, Transporttechnik, Strassen- und Eisenbahnbau Nr. 90, S.35-46, Zürich, 1/1992.