Acil durumlarda yaya tahliyesi için grup davranışı içeren sosyal kuvvet modeli önerisi

Abstract

Güvenlik insanların temel ihtiyaçlarından birisidir. Öte yandan yangın, terör saldırısı ve doğal felaket gibi durumlar insanların ve diğer canlıların can ve mal güvenliği için büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Bu tür felaketlerle yaşamımız boyunca çok sık karşılaşmamıza rağmen, karşılaşmamız durumunda hazırlıksız yakalanmamıza bağlı olarak çok dramatik sonuçlarla karşılaşabiliriz. Bu felaketlerden çoğu zaman kaçınmak mümkün olmadığından dolayı, karşılaşmamız anında olabileceklere karşı alınabilecek önlemler kayıpları en aza indirmek açısından faydalı olacaktır. Acil durumlardaki kayıpları en aza indirebilmek için etkili tahliye planlarına ihtiyaç vardır. Deneysel çalışmalar ve bilgisayar destekli analizler bu planların oluşturulmasında uygun yöntemler olarak görülmektedir. Matematiksel denklemler, bazı fizik teorileri ve simülasyon modelleri tahliye planlamasında bilgisayar destekli analizin temelini oluşturmaktadır. Acil durumdaki yaya davranışlarının modellenmesi yeni bina tasarımından robot planlama ve kontrolü gibi birçok farklı alanda önemli bir yere sahiptir. Trafik ve yapı mühendisleri, yaya trafiği planlamacıları ve tahliye planlamacıları en etkili tahliye ve yaya akışını sağlamak amacıyla bu modelleri yaptıkları yapıların tasarımı aşamasında bir girdi olarak kullanabilir. Yaya dinamiklerinin modellemesinde kullanılan modellere son yıllarda olan ilgi artmaktadır. Çünkü bu modeller yaya davranışlarının tahmin edilmesinde ve tahliye bölgelerinin tasarımında kritik bir role sahiptir. Bu modeller literatürde farklı şekillerde sınıflandırılmaktadır. En yaygın olarak kullanılan sınıflandırmalar Mikroskopik-Makroskopik, Sürekli-Kesikli, Deterministik-Stokastik şeklindedir. Bu çalışma içerisinde ise modeller Mikroskopik-Mezoskopik-Makroskopik şeklinde sınıflandırılmıştır. Çalışma içerisinde bu üç temel başlık altında toplanan modelleri incelediğimiz zaman, hesaplama zamanı ve sağlanan detay seviyesi noktalarında farklılıklar olduğu görülmektedir. Mikroskopik modeller daha fazla hesaplama zamanına ihtiyaç duyarken, daha detaylı ve daha gerçekçi yaya davranışları ortaya çıkardığı görülmektedir. Makroskopik modeller ise mikroskopik modellerin tam tersi daha az hesaplama zamanı ve daha az detaya sahip modeller ortaya koymaktadır. Mezoskopik modeller ise iki yaklaşımın hibrid hali olarak göze çarpmaktadır. Literatürde kullanılan modellere baktığımız zaman Mikroskopik modeller içerisinde yer alan Ajan Temelli modelleme yaklaşımının daha yaygın olarak kullanıldığı görülmektedir. Ajan temelli benzetim bireylerin otonom ve birbirleriyle etkileşim kurabilen ajanlar olarak tanımlandığı modellerdir. Ajanlar sahip oldukları kurallar doğrultusunda bilgi alma, alınan bilgiyi işleme, değişen ortama uyum sağlama ve karar verme yeteneğine sahip otonom bireylerdir Ajan temelli modelleme ve simülasyon kesikli olay simülasyonu ve nesneye yönelik programlama yönteminden faydalanarak kompleks uyarlanabilir sistemleri yönetir. Yaya davranışlarının modellenmesinde kullanılan mikroskopik modellerden biri Sosyal Kuvvet Modelidir. SKM yayaların hareketlerinin belirli kuvvetlerin etkisi altında ortaya çıktığını ileri süren, Newton'un ikinci hareket yasasına dayanan matematiksel bir modeldir. Modelin bu ismin almasının sebebi yayaların hareketlerinin ortaya çıkmasında etkili olan içsel motivasyonları birer kuvvet olarak düşünmesidir. Modelin bazı eksik yanları olmasına rağmen, yaya davranışlarının modellenmesinde literatürde çok önemli bir yere sahiptir. %Acil durumdaki yaya hareketlerinin yalnızca birer robot, ya da fiziksel paçacık şeklinde modellendiği modeller her zaman için eksik kalacaktır. Çünkü psikolojik, sosyolojik, eğitim vb., faktörler yayaların sergilediği davranışları etkilemektedir. Ayrıca yayalar çevresiyle etkileşim kuran sosyal varlıklardır. Bu tez çalışmasında acil durumda kaçan yaya gruplarını modellemek amacıyla matematiksel bir model oluşturulmuş ve AnyLogic yazılımı kullanılarak modelin implementasyonu sağlanmıştır. Önerilen model Helbing'in temel SKM dayanmakta olup, model üzerinde grup davranışı doğrultusunda bazı değişiklikler yapılmıştır. Temel modele, modelin eksikleri ve grup davranışı doğrultusunda bazı yeni kuvvetler eklenmiştir. Ajan temelli modelleme yaklaşımı kullanılmış ve yayalar belirli kuvvetlerin etkisi altında hareket eden ajanlar olarak modellenmiştir. Yayaların belirli bir t anındaki yeni konumlarının ve hızlarının elde edilmesinde Euler nümerik yönteminden faydalanılmıştır. Önerilen model iki boyutlu düzlemde sürekli iken, adi diferansiyel denklemin çözümünde kullanılan Eüler nümerik yaklaşımdan dolayı zaman kesiklidir. Yayalar gruplara bölünmüş ve gruplar halinde hareket etmeleri sağlanmıştır. Yaya grupları oluşturulurken Sosyal uzaklık teorisi ve K-Means kümeleme algoritmasından faydalanılmıştır. Yaya yoğunluğunun 0.125 den küçük olduğu durumlarda yayalar sosyal uzaklık teorisine göre gruplandırılırken yaya yoğunluğunun daha büyük olduğu durumlarda K-means kümeleme algoritmasından faydalanılmıştır. Yayaların birarada hareket etmelerini sağlamak amacıyla Boids algoritmasından esinlenilmiş ve grup içerisinde yer alan yayaların algılanan kütle merkezleri hesaplanarak ve bu kütle merkezinden grup üyelerine hayali bir grup kuvveti uygulanarak grup üyelerinin birbirlerine yakın hareket etmeleri sağlanmıştır. Ayrıca grup davranışının bir alt türü olan lideri takip etme davranışını da incelemek amacıyla her bir grup içerisinde bir lider olma durumunu incelenmiş, lider çekici kuvveti sosyal kuvvet modeline eklenmiştir. Ayrıca liderin hedefe doğru gidişinin engellenmemesi amacıyla lider itici kuvveti de eklenmiştir. Önerilen modelin etkinliğini ortaya koymak amacıyla simülasyon deneyleri yapılmıştır. Yaya sayısı, çıkış sayısı, çıkışın genişliği, engellerin varlığı, konumu, grup sayısı ve lider sayısı gibi farklı senaryolar test edilmiş ve tüm senaryolar için tahliye süreleri elde edilmiştir. Her bir deney için 100 koşum yapılmış ve yapılan koşumların ortalaması alınarak tahliye süreleri elde edilmiştir. Modelin doğrulanmasını sağlamak amacıyla önerilen model literatürde yer alan çalışmalar ile karşılaştırılmış ve çalışmalara benzer sonuçlar verdiği görülmüştür. Daha sonra ise modelin acil durumlarda meydana gelen yaya olgularını meydana getirme durumu incelenmiş ve bu durumların birçoğunu ortaya koyduğu gözlemlenmiştir.