Simulace tornáda ve venkovské oblasti

Název simulace: Simulace tornáda ve venkovské oblasti

Autor: Filip Javor, javf00

Modelovací nástroj: NetLogo

Definice problému

Simulace se zaměřuje na zkoumání vlivu času od vydání výstrahy tornáda na počet přeživších a evakuovaných obyvatel ve venkovské oblasti. V modelu se uvažuje pouze s lidmi, kteří se v momentě vzniku tornáda nacházejí venku. U ostatních obyvatel oblasti se počítá s tím, že se ukryjí doma ve sklepě. Dále se také zkoumá, jak velikost a rychlost tornáda ovlivňují počet přeživších. V modelu se tornádo pohybuje krajinou, zatímco lidé se snaží evakuovat do 2 bunkrů, které se nacházejí na okrajích obydlené oblasti.

Metoda

Pro simulaci byl použitý agentní model implementovaný v prostředí NetLogo. Provádění simulací bylo zautomatizováno pomocí skriptu, který zahrnuje předem definované kombinace parametrů. Pro každou kombinaci byla simulace provedena pětkrát a výsledky byly zprůměrovány, aby byly více směrodatné. Celkem bylo provedeno 1280 simulací. Následná analýza dat probíhala v Excelu, kde byla provedena korelační analýza ukazující vliv jednotlivých parametrů.

Skript byl nastaven s následujícími parametry:

• hustota zalidnění: [50, 100, 150, 200]
• rychlost tornáda: [0.2, 0.3, 0.4, 0.5]
• velikost tornáda: [2, 4, 6, 8]
• odezva výstrahy: [10, 20, 40, 100]

Model

Tornádo

Dynamika tornáda zahrnuje několik fází: formování, zrání a rozptýlení. Formování tornáda je pozvolné a zpočátku je jeho rychlost vždy nejnižší. Jak postupně nabývá na síle, dostává se do své nejzralejší fáze, kdy je jeho rychlost a ničivé účinky nejvyšší. Pro zjednodušení modelu jsem s ničivou sílou nepočítal, protože i slabší tornádo, které přijde do kontaktu s člověkem, může mít smrtící účinky a v modelu jsem nepočítal se slabými tornády, které ničivou sílu nemají. V poslední fázi dochází k oslabování tornáda, až zaniká úplně. Tornádo se v drtivé většině případů pohybuje jedním směrem s drobnými odchylkami, které jsou do modelu zaneseny. Přesné místo vzniku tornáda není možné predikovat, proto je tato složka náhodná. Tornádo se také může někdy vytvořit extrémně slabé nebo s velmi malou dobou trvání. Aby také nedocházelo k nesmyslným simulacím, kdy tornádo vznikne a hned zanikne, nastavil jsem model, aby náhodně vybral místo vzniku tornáda na okraji mapy a pohyb směrem od okrajů mapy. Co se týče škod na budovách, s těmi model také nepočítá, protože nemají relevanci pro počet obětí (počítá se s tím, že každý dům má sklep nebo úkryt, kde se lidé schovají. Většina tornád (zejména v USA) se pohybuje směrem od jihozápadu k severovýchodu. V jiných oblastech však mohou být směry úplně jiné v závislosti na podmínkách a počasí, proto jsem směr tornáda označil za náhodnou veličinu.

Obyvatelé

Modelování chování obyvatelstva vychází z několika reálných jevů. Nejprve rychlost obyvatel - obyvatelé se pohybují různou rychlostí, tato veličina je čistě náhodná v předem daném rozmezí. Obyvatelé se také vždy pohybují k nejbližšímu bunkru a do bunkru nevstupují všichni najednou, ale postupně. Obyvatelé by také neměly překrývat budovy a měly by se generovat v jejich blízkosti.

Prostředí

Simulace probíhá ve virtuálním prostředí s rozložením různých objektů (domy, farmy, školy, stromy, bunkry). Simulace je prováděna na stále stejné venkovské oblasti, takže nedochází k náhodnému generování pozice budov. Prostředí má také definované hranice, ve kterých se agenti pohybují. Budovy a stromy zde slouží pouze jako kulisy a nemají pro výsledky modelu žádnou relevanci, protože tornádo je velmi nevyzpytatelným jevem a informace o zničených budovách nijak nepřispívají k bezpečnosti obyvatelstva. Je možné se bavit o robustnosti budov, aby škody způsobené tornádem byly co nejnižší, ale platí, že směr tornáda nedokážeme nikdy přesně predikovat, tudíž jsou pravděpodobnosti zásahu budov tornádem čistě náhodné a závislé pouze na hustotě budov v oblasti.

Na následujícím obrázku můžeme vidět, jak venkovská oblast vypadá. Můžeme si všimnou 2 šedých budov (bunkrů) a také rozmístění obyvatel v blízkosti budov.

Agenti

• Lidé (people): Pohybují se směrem k nejbližšímu bunkru při vydání výstrahy. Mají různé rychlosti pohybu.
• Tornádo (tornadoes): Pohybuje se náhodným směrem a rychlostí, ničí vše, co se nachází v jeho dosahu.
• Domy, farmy, školy (houses, farms, schools): Slouží pouze jako kulisy, mohou být zničeny tornádem.
• Stromy (trees): Slouží pouze jako kulisy, mohou být zničeny tornádem.
• Bunkry (bunkers): Bezpečné útočiště pro lidi.

Průběh simulace

Simulace začíná vznikem tornáda. Následně se tornádo začne pohybovat a nabírat na síle. Lidé začnou běžet k bunkrům v okamžiku, kdy se spustí výstraha. Tu nastavujeme ještě před začátkem simulace. Simulace končí v okamžiku, kdy jsou všichni přeživší evakuováni.

Data

Data (File:Simulation-results.zip) zahrnují výsledky 1280 simulací s parametry, které byly popsány výše.

Výstupy modelu jsou následující:

• evacuated-count: Počet evakuovaných lidí.
• killed-count: Počet zabitých lidí.

Na následujícím obrázku můžeme vidět vývoj počtu mrtvých a evakuovaných v rámci jedné simulace. Můžeme si všimnout, že po určité době je počet zabitých konstatní. To je způsobeno zánikem tornáda.

Heatmapa korelační matice nabízí přehlednější pohled na vztahy mezi jednotlivými proměnnými.

Můžeme si všimnout několika zajímavých vztahů:

• Density a Killed Count: Středně silná pozitivní korelace (0.48).
• Tornado Size a Killed Count: Střední pozitivní korelace (0.35).
• Tornado Speed a Killed Count: Nízká pozitivní korelace (0.096)
• Tornado Response a Killed Count: Slabá pozitivní korelace (0.126).

Výsledky

• Je patrné, že rychlost tornáda nemá významný vliv na počet zabitých osob. Korelace je velmi slabá, což potvrzuje nízkou korelační hodnotu (0.096).
• Rychlost reakce má pozitivní vliv na počet zabitých osob, což naznačuje, že pomalejší reakce může zvýšit počet obětí, avšak tento vliv není příliš velký (0.126)
• Ukázala se střední pozitivní korelace mezi velikostí tornáda a počtem zabitých. Větší tornádo může vést k vyššímu počtu obětí, ale tento vliv je relativně malý (0.35).

Závěr

Simulace ukazuje, jak důležitý je časový interval mezi vydáním výstrahy a příchodem tornáda pro úspěšnou evakuaci obyvatel. Včasné varování může mírně zvýšit počet přeživších a evakuovaných, avšak tento vliv není tak velký, jak jsem očekával. Klíčovými faktory ovlivňujícími počet obětí jsou stále hustota obyvatelstva a počet evakuovaných. Další faktory, jako je rychlost a velikost tornáda, mají menší vliv na počet obětí. Přestože vliv času a vydání výstrahy je slabý, vylepšení těchto systémů může zachránit mnoho lidských životů. Pro další výzkum doporučuji pracovat také s umístěním a počtem bunkrů, které mohou mít výraznější vliv na počet přeživších.

Kód

File:Simulace-tornada.nlogo