Simulace evakuace pri zemetreseni

Název simulace: Simulace evakuace při zemětřesení v Japonsku

Autor: M. Hellmichová, helm07

Modelovací nástroj: Netlogo

Definice problému

Město Nagoya a okolní oblasti jsou zranitelné vůči rizikům přírodních katastrof, zejména silným zemětřesením podél hranice desek Nankai. Japonská vláda odhaduje, že v příštích 30 letech existuje 70-80% pravděpodobnost, že dojde k silnému zemětřesení. V této práci ovšem nedojde k znázornění jedné z největších pohrom, ke které může následkem zemětřesení dojít – tsunami. Modelováno bude jen osamocené zemětřesení, kde hlavní hrozbu představuje případné zřícení budov a sesun půdy.

Metoda

Pro řešení tohoto problému byla zvolena agent-based simulace, která umožňuje modelovat chování jednotlivců v interakci se svým okolím. Tato metoda je vhodná pro zkoumání vývoje evakuace v reálném čase. Model obsahuje dva hlavní typy agentů – obyvatele a dvě evakuační místa (park Tsuruma a park Haba). Do nástroje netlogo bude importována reálná mapa centra města, tak aby simulace co nejblíže odpovídala infrastruktuře a možným využitým evakuačním cestám.

Model

Mapa

Na začátku je importována mapa části města Nagoya, ve které jsou barevně odlišené jednotlivé oblasti dle rizika sesuvu půdy a dále jsou tam znázorněny evakuační místa. Mapa byla převzata z oficiální mapy využívané při ohrožení zemětřesením, Bylo ale třeba provést úpravy, aby ji bylo možné efektivněji použít – nejprve došlo k důraznějšímu vyznačení cest a silnic černou barvou, aby bylo zřetelné, kudy mohou agenti v simulaci navigovat. V samotném kódu poté dochází k nahrazení některých odstínů barev, aby se na ně dalo odkazovat pouze názvem dané barvy namísto kódem (pro přehlednost). Mapa byla nastavena jako mřížka 598 x 542 patchů. V realitě tato část mapy odpovídá zhruba 2 km x 1.8 km. Ve zbytku práce budeme tedy uvažovat, že na 1 kilometr připadá 300 patchů.

Zemětřesení

Ačkoliv je v Japonsku funkční systém hlášeného předběžného varování před zemětřesením, varování je v předstihu pouze v řádu desítek sekund a v této době se tedy agenti neevakuují. Předběžné varování slouží především k rychlým reakcím jako je schování se pod stůl nebo podobným úkonům, které v případě této simulace nejsou sledovány. V simulaci zemětřesení udeří náhodně mezi 10–60 tickem po spouštění. Konkrétní intenzita zemětřesení lze nastavit před zahájením simulace v interface, namísto toho, aby byla spuštěna náhodně. Vybrat lze z hodnot 1 až 10, kdy 10 je nejsilnější zemětřesení. V realitě je stupnice v Japonsku rozdělena trošku jinak, kdy se měří od 0 do 7. Ovšem 5 a 6 jsou rozděleny ještě na „horní“ a dolní“ úroveň, takže 10 různých kategorií odpovídá [1].

Evakuační místa

V dolní části Naka-ku, kterou modeluji, se nachází dvě vyhrazená místa pro evakuaci. Větším z nich je park Tsuruma. Druhý, znatelně menší, je pak park Haba [2]. Co se kapacit týče, tak park Tsuruma má rozlohu zhruba 24 ha a teoreticky by se tam mohlo vměstnat až 10 tisíc lidí. Park Haba je zhruba 1/5 velikosti parku Tsuruma, tak můžeme jeho kapacitu aproximovat na 2 tisíce.

Osoby

Reálně by tak měl být počet obyvatel v simulované oblasti býti kolem 30 tisíc, ovšem při vytvoření tolika agentů simulace a celý program společně s ní spadne. S tím se bohužel nese mnoho dalších problémů, jako nezaplnění kapacit evakuačních plac a případné bottlenecky. Simulace tedy byla spouštěna většinou s 1/10 této hodnoty – 3 000 obyvateli.

Rozdělení obyvatel dle věku by mělo být zhruba [3]:

- 9 % dětí

- 69 % dospělých

- 22 % postarších

Dále odvodíme rychlosti pohybu jednotlivých věkových kategorií. Řekněme, že v průměru je rychlost dospělého člověka 1.25 m/s, zatímco rychlost starších obyvatel je 1 m/s [4].

Pokud tedy jeden tick představuje jednu sekundu tak Dospělý: 1.25×0.00334448×150 ≈ 0.501 patches/tick Senioři: 1×0.00334448×150 ≈ 0.402 patches/tick

U dětí budeme uvažovat rychlost něco mezi, tedy 0.45. Ideální by ale bylo nasimulovat pohyb dětí tak, aby se nepohybovaly samy, ale že nejdříve musí najít dospělou osobu, se kterou se pak bude společně evakuovat. Takové chování ale implementováno není, zůstává to tedy pouze jako návrh na zlepšení.

Sesuv půdy a poškození budov

Mapa je barevně kódována dle toho, do jaké třídy se řadí dle rizika v dané oblasti [2]

- High (červené)

- Medium (žluté)

- Low (zelené)

- None (světle šedé)

Pravděpodobnosti, že k danému jevu dojde jsou nastaveny následovně [5]:

High – základní nastavení pravděpodobnosti rizika na 40 %, budovy v této oblasti mají postupně větší šanci na zřícení se od intenzity 4.

Medium – základní nastavení pravděpodobnosti rizika na 30 %, budovy v této oblasti mají postupně větší šanci na zřícení se od intenzity 5.

Low – základní nastavení pravděpodobnosti rizika na 10 %, budovy v této oblasti mají postupně větší šanci na zřícení se od intenzity 6.

Do pravděpodobnosti sesuvu půdy je poté zahrnuta také síla zemětřesení. Při nejvyšší intenzitě (10) je multiplikátor nastaven na 1x, v případě slabších zemětřesení se pravděpodobnost nebezpečí snižuje.

Následky při zřícení budovy

Osoba, která se během zřícení budovy nachází na daném místě, může skončit v jednom ze třech následujících scénářů [6]:

- 20% pravděpodobnost, že zahyne

- 60% pravděpodobnost, že bude zraněná

- 20% pravděpodobnost, že bude v pořádku (lehká zranění)

Osoby, které na místě umřou, nezmizí z mapy, ale místo toho se zabarví na magentu. Pokud se osoba pouze zraní, uvažuje se zranění, při kterém se nemůže sama pohybovat, a proto také zůstává na své pozici, na mapě budou takové případy znázorněny fialově. Pokud osoba pád budovy přežije (případně vyvázne s lehkými zraněními), tak bude pokračovat v evakuaci.

Pohyb obyvatel

Docílit realistického pohybu agentů byl bezpochyby největší kámen úrazu. Finální kód obsahuje velmi jednoduchý algoritmus pro pohyb. Došlo k pokusům naimplementovat A* algoritmus či Dijkstra, ale v případě znázornění cest pomocí nodů docházelo k tomu, že celý program crashnul. Hlavním problémem je asi množství patches/rozlišení mapy, na které simulace probíhá, jelikož jsem chtěla mapu znázornit v co největším detailu. Dalším problémem může být celková (ne)optimalizace kódu. Tyto faktory zapříčinily to, že pohyb obyvatel je velmi zjednodušen a agenti zůstávají často zaklíněni v neblahých pozicích, ze kterých se neumí dostat ven. Někdy jsou sice zaklíněni i z opodstatněného důvodu (všechny cesty kolem nich jsou zasypány), ale ne vždy je tomu tak. Předtím než nastane zemětřesení, tak se obyvatelé pohybují náhodně, bezúčelně. Po tom, co nastane zemětřesení, tak vyhodnotí na základě pocítěné síly zemětřesení a nebezpečí v okolí, zda se rozhodnou evakuovat či nikoliv.

Area modifier poté odpovídá riziku nebezpečí, jaké je zaneseno na mapě, ale kromě červené/žluté/zelené přibývá ještě tmavě šedá oblast, která znázorňuje zřícené budovy – v tomto případě se osoba zajisté pokusí evakuovat.

Jakmile dojde k rozhodnutí, zda se osoba hodlá evakuovat či ne, tak nejdříve najde nejbližší možnou cestu, po které může jít (černý patch). Poté se snaží výhradně po cestě dostat do úkrytu, který má nejblíž.

Když dorazí k evakuačnímu místu, tak nejprve musí vyhodnotit, zda není naplněná kapacita. Jelikož ale v simulaci nelze nastavit realistické množství obyvatel (30 tisíc), tak k naplnění kapacit v podstatě nemůže dojít.

Výsledky

Porovnávat budu výsledky simulace při 3 různých nastaveních intenzity zemětřesení, a to konkrétně při zemětřesení o síle 3, 6 a 9. Aby se simulace vůbec spustila, tak byl nastaven počet obyvatel na 3000, ale i tak někdy docházelo k lehkým zadrhnutím.

Intenzita stupně 3 ještě převážně nemá žádné ničivé následky na infrastrukturu, ale lze již pocítit všemi osobami v budovách. Proto je možné, že některé z nich se v závislosti na stability budovy, ve které se nachází, raději evakuují. V simulaci se jich pro evakuaci rozhodlo 651, z toho 8 z nich do cíle nedorazilo. Poškozené budovy nebyly žádné, a proto tak nedošlo ani k žádným úmrtím nebo zraněním.

Při intenzitě stupně 6 už může dojít k poškození budov, které jsou buďto starší, nebo vybudované na nestabilním povrchu. Škody se tedy podepisují na některých budovách umístěných především v červeně vyznačených rizikových oblastech. Poničených budov je 2.6 % vůči celku. Následkem toho během simulace zahynulo 99 osob a 258 bylo zraněno. K evakuaci se z přeživších rozhodlo 1226 osob, ale 31 z nich se během simulace zaseklo, takže úspěšně evakuovaných bylo celkově 1195.

Během zemětřesení o síle 9 už jde o život každého. Náhlé sesuvy půdy a poničení budov se mohou stát nehledě na evaluaci, zda je oblast riziková či ne, ovšem s odpovídající pravděpodobností. V simulaci následkem zemětřesení zemřelo 260 osob, z toho 483 se zranilo tak, že nebyli dále schopni evakuace. Ze zbylých 2257 osob se rozhodlo k evakuaci 1679, zatímco 578 zůstalo na svých pozicích (v low risk nebo no risk oblastech). 1616 osob se zvládlo úspěšně evakuovat, zatímco zbylým 63 byla odříznuta cesta a nebyli schopni se do cíle dopravit. Škody na infrastruktuře jsou výrazně vyšší než během v ostatních iteracích. Při síle 9 se zřídilo z celkového množství přes 6 % budov.

Celkově se o realističnosti výsledků dá pouze polemizovat, vzhledem k tomu, že počet obyvatel v první řadě není nastaven na reálnou hodnotu. Simulace ale alespoň respektuje intenzitu zemětřesení a umístění osoby v závislosti na rizikové oblasti, počet evakuovaných se v závislostech na těchto faktorech skokově zvyšuje. Přesto je ale číslo evakuovaných při intenzitě 3 o dost vyšší, než by člověk očekával v Japonsku – možná kdybychom uvažovali velké množství nic netušících turistů, tak by to dávalo smysl.

Závěr

Původním cílem simulace bylo zachytit scénář, který bude dále možné využít k analýze dopadů na infrastrukturu a obyvatelstvo po zemětřesení. V simulaci k zachycení zasažené infrastruktury a počtu úmrtí/zranění obyvatel došlo a dané hodnoty se víceméně dají považovat za realistické vzhledem k předpokládaným následkům, které s sebou konkrétní síly zemětřesení nesou. Je ale nutno říci, že cíl to byl přinejmenším velmi ambiciózní vzhledem ke komplexitě daného jevu. V této simulaci jsou zahrnuty pouze ty nejzákladnější faktory, zatímco v realitě rozhodnutí k evakuaci ovlivňuje spousta dalších faktorů (hlavně ty lidské – jako třeba informovanost dané osoby, nebo vliv kolektivního chování). A pokud nehrozí tsunami, tak je někdy naopak lepší vůbec nevycházet z domu. Dalším problémem, který brzdil realističnost simulace, byl algoritmus pro nalezení nejlepší cesty do úkrytu – pokud by mělo dojít k budoucímu vylepšení modelu, tak by bylo určitě vhodné začít upravovat zde.

Reference

[1] https://tokyo-resilience.metro.tokyo.lg.jp/assets/pdf/DisasterPreparednessTokyo.pdf

[2] https://www.city.nagoya.jp/bosaikikikanri/cmsfiles/contents/0000154/154013/06_english_jishin_naka.pdf

[3] https://www.citypopulation.de/en/japan/nagoya/23106__naka_ku/

[4] https://www.researchgate.net/figure/Walking-average-speed-by-age-group-adapted-from-23-25-52_tbl2_344166318

[5] https://www.researchgate.net/publication/248508675_Assessing_probability_of_surface_manifestation_of_liquefaction_at_a_given_site_in_a_given_exposure_time_using_CPTU

[6] https://www.iitk.ac.in/nicee/wcee/article/10_vol10_5989.pdf

Kód

File:Evakuace zemetreseni.zip