Simulações computacionais aplicadas ao processo de evacuação de ambientes : uma análise comparativa de variantes geométricas via autômatos celulares bidimensionais

Abstract

Resumo: A modelagem do fluxo de pedestres por meio de simulações computacionais tem sido amplamente aplicada a problemas que envolvem multidão devido à capacidade de predição. O aumento do fluxo populacional nos grandes centros urbanos tem gerado preocupação quanto à necessidade de segurança e infraestrutura adequadas, imprescindíveis na minimização de transtornos decorrentes da inadequação ou violação dos recursos. Essas são características que conduzem a um estudo ainda maior sobre os fatos que podem afetar o comportamento de uma multidão numa situação de emergência. Modelos de simulação de dinâmica de pedestres são aplicados em fenômenos coletivos, destacando peculiaridades observadas em situações de evacuação, tais como otimização do espaço e minimização do tempo de evacuação de ambientes. Associado ao aprimoramento de projetos de construção, ao planejamento urbano e ao fortalecimento da dinâmica social as simulações de evacuação de ambientes em condições de emergência encontram-se diretamente relacionadas às evoluções temporais que, por sua vez, determinam um processo estocástico. Nesse sentido, a presente pesquisa apresenta resultados de simulações computacionais aplicadas ao processo de evacuação de uma sala de cinema, numa situação sem pânico, por meio da análise do tempo de evacuação total. O ambiente de simulação foi modelado a partir da análise de algumas normas e regras de arquitetura e segurança, tendo uma capacidade máxima de 130 pedestres. A fim de descrever as interações entre os campos de força dinâmica e estática, e a aleatoriedade do comportamento humano, as regras de interação decorrentes da delimitação do espaço e da movimentação são estabelecidas com o auxílio da teoria dos autômatos celulares bidimensionais, com vizinhança de Moore, e do Método de Simulação de Monte Carlo, desenvolvidos em linguagem Pascal. Para descrever o comportamento do fluxo de pedestres foram definidos alguns parâmetros, tais como tempo de reação, velocidade constante e minimização dos trajetos de saída. Por meio de variações no modelo foi possível adaptá-lo às restrições para cadeirantes, que alteram significativamente sua estrutura, já que se trabalha com elementos de áreas espaciais diferentes. Aplicando as simulações a diferentes lotações do espaço, considerando geometrias diferentes, destaca-se um modelo espacial de sala de cinema, dentre 5 casos analisados, que minimiza o tempo total de evacuação em função do número de pedestres, sob as hipóteses fixadas. Os resultados apontaram uma diferença significativa quanto à influência das limitações geométricas no sucesso da evacuação, chegando a aproximadamente 45% a diferença nos tempos finais obtidos. Destacando a relação entre o tempo total de evacuação e o número de pedestres de uma sala de cinema, verificou-se que existe uma dependência não linear entre tais parâmetros, validada estatisticamente, que descreve o comportamento do fluxo de pedestres e especificam características quando se trata da análise de evacuação de um ambiente.

Abstract: The pedestrians modeling flow by computational simulations has been widely applied to problems that involve crowd due to the prediction capacity. The increase in population flow in big urban centers has created concern about the security and infrastructure appropriated, essential at the derangement minimization resulting from the inadequacy or resources violation. These are the characteristics that lead to a study even bigger about the facts that can affect the behavior from a crowd in an emergency situation. Pedestrians dynamic simulation models are applied to collective phenomenon, emphasizing peculiarities observed in evacuation situations, as space optimization and time minimization from environment evacuation. Associated to construction projects the improvement, to the urban planning and to the social dynamic strengthening the environment evacuation simulations in emergency conditions are directly related to the temporary evolutions that, in turn, determine a stochastic process. Accordingly, this research presents computational simulations results applied to an evacuation process from a movie theater room, in a no panic situation, by time analysis of total evacuation. The simulation environment was modeled by some norms and architecture and security rules analyses, having a maxim capacity of 130 pedestrians. In order to describe the interactions between the dynamic and static strength, and the human behavior randomness, the interaction rules resulting from the space delimitation and from the movement are established with the assistance of the two-dimensional cellular automata theory, annealing with Moore, and with the Monte Carlo Simulation Method, developed in Pascal language. To describe the pedestrian flow behavior were defined some guidelines, as reaction time, constant speed and the exit path minimization. By variations at the model it was possible to adapt it for the restrictions to wheelchair, which changes meaningfully its structure, since it is worked with elements from different geographic areas. Applying the simulations to different space capacity, considering different geometries, highlight a spatial movie theater room model, among 5 cases analyzed, that minimize the evacuation total time based on pedestrian number, under the hypotheses fixed. The results point to a meaningful difference about the geometrics limitations influence at the evacuation success, going the difference at the final time so far to approximately 45%. Highlighting the relation between the evacuation total time and the pedestrian number from a movie theater room, it was checked that it exists a non linear dependency between these parameters, statistically validated, that describes the pedestrian flow behavior and specify characteristics when it is about the environment evacuation analysis.