ПОДХОД К РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛИ ЭВАКУАЦИИ В СИСТЕМЕ АГЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

APPROACH TO THE IMPLEMENTATION OF EVACUATION MODEL IN THE AGENT-BASED MODELING SYSTEM

Anastasia Petyaksheva

3rd year student of the specialty “Computers” Sarov Engineering-Physics Institute, Russia, Nizhny Novgorod region, Sarov

Anastasia Frolkina

09.06.01 graduate student, Sarov Engineering-Physics Institute,

Russia, Nizhny Novgorod region, Sarov

Vladimir Dupin

09.06.01 graduate student, Sarov Engineering-Physics Institute,

Russia, Nizhny Novgorod region, Sarov

АННОТАЦИЯ

В статье приведены общие принципы работы систем агентного моделирования и средств отображения моделируемых данных, описана структура системы, представлена модель эвакуации.

ABSTRACT

The article presents the general principles of agent-based modeling systems and the display of the simulated data, the system described structure, a model of the evacuation.

Ключевые слова: имитационное моделирование; агентное моделирование; модель; модель эвакуации; агент; визуализатор.

Keywords: simulation; agent-based simulation model; the evacuation; the agent; the visualizer.

Имитационное моделирование (ИМ) можно рассматривать как один из способов описания поведения сложных систем реального мира (техники, производства, обслуживания, маркетинга, финансов, здравоохранения, транспорта и т. д.), элементы которых заменяются моделями. Имитационная модель – логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

Процесс моделирования состоит из этапов:

•  абстракция – отображение реального мира (аналитической модели) на мир абстрактных моделей (виртуальная реальность);

•  анализ имитационной модели;

•  оптимизация имитационной модели;

•  обратное отображение мира моделей в реальный мир.

Аналитическая модель допускает аналитическое решение. Зависимость выхода от входа можно реализовать, например, линейной зависимостью. Однако, к сожалению, аналитические решения не всегда возможны, а существующие не всегда просто найти. В этом случае аналитики применяют имитационное моделирование. Оно заключается в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами или, другими словами, разработке симулятора исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.

Основные подходы в имитационном моделировании – это системная динамика (СД), дискретно-событийное моделирование (ДС), агентное моделирование (АМ) [2].

СД — парадигма моделирования, в которой для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. По сути, такой вид моделирования более всех других парадигм помогает понять суть происходящего выявления причинно-следственных связей между объектами и явлениями.

ДС моделирование – подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы в механике, электронике, энергетике, химии как часть стандартного процесса разработки. Этот вид моделирования наиболее подходит для моделирования производственных процессов.

АМ – относительно новое направление в имитационном моделировании. Оно используется для исследования децентрализованных систем, динамика функционирования которых определяется не глобальными правилами (нисходящий принцип моделирования) и законами (как в других парадигмах моделирования), а наоборот, когда эти глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы (восходящий принцип моделирования). Цель агентных моделей – получить представление об этих глобальных правилах, общем поведении системы, исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении её отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе. Агент – некая сущность, обладающая активностью, автономным поведением, может принимать решения в соответствии с некоторым набором правил, взаимодействовать с окружением, а также самостоятельно изменяться [1].

Структура системы

Программный комплекс АМ состоит из ядра системы моделирования и ряда динамических модулей, реализующих логику агентов (Рисунок 1).

Рисунок 1. Структура системы моделирования

Рассмотрим более подробно каждый из модулей.

• хранилище данных – модуль, предназначенный для хранения контекста агентов. Контекст агента – набор параметров, характеризующий поведение агента;
• контроллер данных – модуль, предоставляющий единый интерфейс обмена данных между хранилищем данных и компонентами ядра;
• коммутатор – модуль, обеспечивающий коммуникацию между агентами;
• драйвер виртуальной реальности – модуль среды моделирования, выполняющий поэтапное воспроизведение модельного эксперимента;
• визуализатор – внешнее приложение, предоставляющее средства для наглядного отображения агентов среды моделирования;
• библиотека плагинов – набор динамических библиотек, каждая из которых реализует поведение отдельного агента;
• сценарий – файл, описывающий первоначальное состояние моделируемой системы.

Драйвер виртуальной реальности предоставляет интерфейс доступа к компонентам ядра системы, позволяя им обмениваться данными между собой и компонентами, не входящими в состав ядра системы моделирования.

Контекст агента

Ключевую роль в АМ играет агент. Поведение моделируемой системы целиком определяется поведением агентов, а поведение отдельного агента определяется его контекстом.

Контекст агентов состоит из:

• ключевых параметров – набора параметров, позволяющих однозначно определить модель агента;
• сообщений – перечня воздействий на агенты системы. Каждое сообщение может содержать набор параметров (контекст сообщения).

Реализация математической модели

Выбор математической модели эвакуации производится с учетом специфических особенностей объемно-планировочных решений здания, однородности людей, площади горизонтальных проекций людей, находящихся в здании, а также параметров движения людей различных групп мобильности [3].

Для программной реализации системы АМ авторами статьи была выбрана модель эвакуации из здания института. Компьютерная модель включает 3 класса агентов:

• отдельные люди (студенты, лекторы);
• электрооборудование (компьютеры, сетевые фильтры и т. д.);
• средства пожаротушения (огнетушители);
• интерьер (шторы, обои, экраны и т. д.);
• участки эвакуации.

Информационный обмен между агентами осуществляется путем обмена сообщений на каждом шаге модельного времени. На начальном этапе моделирования лекторы передают лекционный материал студентам. Передача информационного материала осуществляется поэтапно: лектор отправляют сообщение студентам «Лекция» на каждом шаге модельного времени t. Студенты выполняют конспектирование лекционного материала, отправляя себе сообщение «Конспект» после получения сообщения «Лекция» от лектора на момент времени t+1.

В процессе моделирования каждый агент класса электрооборудование отправляет себе сообщение «Потребление электропитания». При поступлении сообщения электрооборудование проверяет собственный контекст на проверку степени изношенности прибора. Прибор отправляет широковещательное сообщение «Пожар» агентам в радиусе возгорания прибора при условии, что степень изношенности прибора достигла критического порога. Агенты электрооборудования и интерьер, принимая сообщения «Пожар» от источника пожара повышают степень своего повреждения и при достижении критического порога превращаются во вторичные очаги пожара.

При поступлении сообщения «Пожар» от очага пожара лектор организует процесс эвакуации студентов, отправляя сообщение «Эвакуация» студентам. Принимая сообщение «Эвакуация» студенты покидают свои места и направляются в сторону участков эвакуации. Принимая сообщение «Пожар» от очага пожара участки эвакуации снижают свою пропускную способность. Участок эвакуации считается заблокированным при достижении параметров контекста участков пороговых значений:

1. Температура (более 70°С);
2. Тепловой поток (более 1400 Вт/м2);
3. Радиус видимости (менее 20 м);
4. Содержание кислорода (менее 0,226 кг⋅м–3).

Студенты могут разблокировать участки эвакуации, используя средства пожаротушения. Процесс моделирования завершается после эвакуации всех агентов класса «люди» из здания института.

Процесс моделирования

АМ оперирует в основном процессами, дискретными во времени. Это значит, что системы АМ синхронизируют контексты агентов с постоянным тактом модельного времени.

На этапе инициализации драйвер виртуальной реальности, входящий в состав ядра системы моделирования, подключает внешние модули агентов моделирования. Каждый внешний модуль является динамической библиотекой, написанной на языке C++, которая содержит правила изменения контекста отдельного агента среды моделирования.

На первом расчетном шаге драйвер виртуальной реальности зачитывает файл сценария моделирования. Файл сценария моделирования содержит контексты агентов моделирования на начальный этап модельного времени. В качестве формата сценария удобно использовать формат XML – языка с простым формальным синтаксисом. Он подходит для создания и обработки документов программам и одновременно удобен для чтения и создания документов, нацеленных на использование в Интернете.

Каждый модельный шаг драйвер виртуальной реальности протоколирует контекст агентов в хранилище данных и осуществляет обмен сообщениями между агентами. Ядро системы моделирования разграничивает права доступа на чтение и запись контекста агентов. Каждый агент может читать и изменять собственный контекст. Следует учесть, что ядро системы моделирования блокирует возможность записи контекста агента другим агентом, поскольку ни один агент не знает логики другого агента. Это ограничение снимается с помощью механизма коммуникации между объектами. Коммуникация между агентами обеспечивается обменом сообщениями и контролируется коммутатором ядра системы.

Визуализатор

Особое место в системах АМ занимает задача организации эргономичного пользовательского интерфейса. Визуализатор предоставляет возможность пользователю наблюдать за наиболее существенными аспектами моделируемого процесса, скрывая менее существенные процессы.

Главная задача визуализатора состоит в поэтапном воспроизведении модельного эксперимента. В этом смысле модельный эксперимент можно рассматривать как «фильм», состоящий из набора «кадров», привязанных к модельному времени. Ниже представлены экранные формы результатов моделирования на начальном этапе (Рисунок 2а) и на этапе активной эвакуации (Рисунок 2б).

Рисунок 2. Экранные формы процесса моделирования

Список литературы:

1. Акопов А.С. Имитационное моделирование: учебник и практикум для академического бакалавриата – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://simulation.su/uploads/files/default/2014-uch-prakt-akopov.pdf (Дата обращения: 20.10.16).
2. Борщёв А.В. Практическое агентное моделирование и его место в арсенале аналитика – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://simulation.su/uploads/files/default/immod-2005-1-11-24.pdf (Дата обращения: 01.10.16).
3. Холщевников В.В. Эвакуация и поведение людей при пожарах: учеб. пособие / В.В. Холлщевников, Д.А. Самошин. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. – 212 с.