Для цитирования:
Силинская А. А., Богомолов А. С., Кушников В. А. Математическая модель процесса эвакуации социальных групп из помещений с несколькими выходами // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2026. Т. 26, вып. 2. С. 302-311. DOI: 10.18500/1816-9791-2026-26-2-302-311, EDN: UEEHGG
Математическая модель процесса эвакуации социальных групп из помещений с несколькими выходами
В работе предложена модель для симуляции многоагентной эвакуации с использованием алгоритма Multi-Agent Proximal Policy Optimization (MAPPO). Модель учитывает наличие нескольких эвакуационных выходов с разным временем открытия, нескольких типов агентов, влияние паники на движение и социальные взаимодействия типа «лидер – последователь». Уделено внимание использованию гибридного пространства действий (дискретный выбор выхода, непрерывное движение). Обучение проводилось по принципу «curriculum learning» с постепенным повышением числа агентов для улучшения обобщающей способности модели и адаптации к разному числу агентов. Модель дополнена рядом усовершенствований: использованием dropout-слоев для предотвращения переобучения, экспоненциальным затуханием исследования для плавного перехода к точным действиям, нормализацией наград для стабилизации обучения. Обучение модели проводилось в среде $15\times20$ м с заданным количеством выходов определенной ширины (три выхода шириной 1.5 м, интервал открытия 6 с). Предусмотрена логика распространения информации о выходах. Лидеры знают обо всех выходах с самого начала симуляции. Индивидуальные агенты узнают о выходах в радиусе 5 м и передают информацию соседям в радиусе 2 м. Социальные группы имеют правила поведения: пожилые агенты получают бонус к скорости, а лидеры принимают стратегические решения. Результаты вычислительных экспериментов для сценариев с 50 агентами показали, что наличие социальных групп и лидеров ускоряет процесс эвакуации, особенно для пожилых агентов. Наибольшая эффективность достигалась при наличии двух лидеров, тогда как сценарий с одним лидером приводил к заторам, увеличению времени эвакуации и уровню паники. Таким образом, предложенная модель демонстрирует перспективность применения методов обучения с подкреплением для анализа и оптимизации эвакуации в помещениях сложной конфигурации. Разработанная математическая модель предназначена для использования при создании цифровых двойников процессов имитации и оптимизации потоков людей, а также вычислительных экспериментов по расчету эффективного времени и путей выхода.
- Коткова Е. А., Матвеев А. В., Нефедьев С. А., Таранцев А. А. Агентное моделирование процесса эвакуации людей при пожарах в зданиях: обзор подходов и исследований // Современные наукоемкие технологии. 2023. № 10. С. 55–62. DOI: https://doi.org/10.17513/snt.39791, EDN: CZHEJY
- Zia K., Ferscha A. An agent-based model of crowd evacuation: combining individual, social and technological aspects // Proceedings of the 2020 ACM SIGSIM Conference on Principles of Advanced Discrete Simulation. New York : Association for Computing Machinery, 2020. P. 129–140. DOI: https://doi.org/10.1145/3384441.3395973
- Суханов В. О., Кузьмин А. И., Скороходов Д. В. Геоинформационная система поддержки принятия решений на эвакуацию населения // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2019. № 1 (10). С. 411–413. EDN: WNCRRV
- Цвиркун А. Д., Резчиков А. Ф., Самарцев А. А., Богомолов А. С., Иващенко В. А., Кушников В. А., Филимонюк Л. Ю. Интегрированная модель динамики распространения опасных факторов пожара в помещениях и эвакуации из них // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2019. № 2 (176). С. 47–54. DOI: https://doi.org/10.14489/vkit.2019.02.pp.047-054, EDN: ZACMDZ
- Цвиркун А. Д., Резчиков А. Ф., Самарцев А. А., Иващенко В. А., Богомолов А. С., Кушников В. А., Филимонюк Л. Ю. Система интегрированного моделирования распространения опасных факторов пожара и эвакуации людей из помещений // Автоматика и телемеханика. 2022. № 5. С. 26–42. DOI: https://doi.org/10.31857/S0005231022050038, EDN: ABHDTO
- Samartsev A., Ivaschenko V., Rezchikov A., Kushnikov V., Filimonyuk L., Bogomolov A. Multiagent model of people evacuation from premises while emergency // Advances in Systems Science and Applications. 2019. Vol. 19, iss. 1. P. 98–115. DOI: https://doi.org/10.25728/assa.2019.19.1.558, EDN: JJSDFW
- Гамаюнова В. О., Богомолов А. С., Кушников В. А., Иващенко В. А. Мультиагентное моделирование эвакуации из помещений с учетом столкновений агентов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2025. Т. 25, вып. 1. С. 106–115. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2025-25-1-106-115, EDN: TLQGGD
- Rosa A. C., Falqueiro M. C., Bonacin R., De Mendonça F. L. L., Filho G. P. R., Gonçalves V. P. EvacuAI: An analysis of escape routes in indoor environments with the aid of reinforcement learning // Sensors. 2023. Vol. 23, iss. 21. Art. 8892. DOI: https://doi.org/10.3390/s23218892
- Ünal A. E., Gezer C., Pak B. K., Güngör V. Ç. Generating emergency evacuation route directions based on crowd simulations with reinforcement learning // 2022 Innovations in Intelligent Systems and Applications Conference (ASYU). Antalya : IEEE, 2022. P. 1–6. DOI: https://doi.org/10.1109/ASYU56188.2022.9925560
- Xu D., Huang X., Mango J., Li X., Li Z. Simulating multi-exit evacuation using deep reinforcement learning // Transactions in GIS. 2021. Vol. 25, iss. 3. P. 1542–1564. DOI: https://doi.org/10.1111/tgis.12738
- Sinpan N., Sasithong P., Chaudhary S., Poomrittigul S., Leelawat N., Wuttisittikulkij L. Simulative investigations of crowd evacuation by incorporating reinforcement learning scheme // ICACS ’22: Proceedings of the 6th International Conference on Algorithms, Computing and Systems. New York : Association for Computing Machinery, 2022. P. 1–5. DOI: https://doi.org/10.1145/3564982.3564983
- Yu C., Velu A., Vinitsky E., Gao J., Wang Y., Bayen A., Wu Y. The surprising effectiveness of PPO in cooperative multi-agent games // Advances in Neural Information Processing Systems. 2022. Vol. 35. P. 24611–24624.
- Xiong J., Wang Q., Yang Z., Sun P., Han L., Zheng Y., Fu H., Zhang T., Liu J., Liu H. Parametrized deep Q-networks learning: Reinforcement learning with discrete-continuous hybrid action space // arXiv preprint arXiv:1810.06394. 2018. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.1810.06394
- Srivastava N., Hinton G., Krizhevsky A., Sutskever I., Salakhutdinov R. Dropout: A simple way to prevent neural networks from overfitting // Journal of Machine Learning Research. 2014. Vol. 15. P. 1929–1958.
- Gal Y., Ghahramani Z. Dropout as a Bayesian approximation: Representing model uncertainty in deep learning // Proceedings of the 33rd International Conference on Machine Learning. New York, USA : PMLR, 2016. P. 1050–1059.
- Sutton R. S., Barto A. Reinforcement learning: An introduction. Cambridge : The MIT Press, 2020. 552 p.
- Lillicrap T. P., Hunt J. J., Pritzel A., Heess N., Erez T., Tassa Y., Silver D., Wierstra D. Continuous control with deep reinforcement learning // arXiv preprint arXiv:1509.02971. 2015. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.1509.02971
- Schulman J., Wolski F., Dhariwal P., Radford A., Klimov O. Proximal policy optimization algorithms // arXiv preprint arXiv:1707.06347. 2017. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.1707.06347
- Narvekar S., Peng B., Leonetti M., Sinapov J., Taylor M. E., Stone P. Curriculum learning for reinforcement learning domains: A framework and survey // Journal of Machine Learning Research. 2020. Vol. 21, iss. 1. P. 181:1–181:50.
- Wang L., Zheng J.-H., Zhang X.-S., Zhang J.-L., Wang Q.-Z., Zhang Q.-Zh. Pedestrians’ behavior in emergency evacuation: Modeling and simulation // Chinese Physics B. 2016. Vol. 25, iss. 11. Art. 118901. DOI: https://doi.org/10.1088/1674-1056/25/11/118901
- Trivedi A., Rao S. Agent-based modeling of emergency evacuations considering human panic behavior // IEEE Transactions on Computational Social Systems. 2018. Vol. 5, iss. 1. P. 277– 288. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSS.2017.2783332
- Ding N., Sun C. Experimental study of leader-and-follower behaviours during emergency evacuation // Fire Safety Journal. 2020. Vol. 117. Art. 103189. DOI: https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2020.103189
- 34 просмотра