Μοντελοποίηση συστημάτων-φαινομένων μεγάλης κλίμακας με τη χρήση κυψελιδωτών αυτομάτων και υλοποίησή τους σε υλικό

Abstract

A Large Scale System (LSS) is characterised by the large scale of one of its fundamental components, as for example the number of persons that participate in the system, the amount of data stored or processed, the number of related or interacted variables. Nevertheless, the intimate knowledge of a LSS is not confined by the scale factor itself. The impact of large scale in LSS behaviour and its effect to the broader environment where the system is developed is of high interest and should be explored in detail, especially in cases of emergency. Problems arisen seek for novel resolving methods and new approaches in regard to the structure, the development, the operation and the evolution of the system. In this PhD Thesis, two models of LSS were developed and implemented, with the use of Cellular Automata (CA). Particularly, the research focused on the earthquake process modeling as well as on the simulation of crowd movement while abandoning an area. The choice of the systems was based on the severity of their effects in the society. Searching for different study approaches took place with CA constituting the fundamental research tool. The fact that it is broadly utilised in complex problems reassured its effectiveness, however it is challenging as well, for another one successful attempt. The target of the research effort in LSS included two parts: on the one hand, the study of the systems using different methods than those reported in literature, in order the variety of the research approaches to be broadened and on the other hand, the development of applicable solutions that could optimise or alleviate situations that are related to those systems. Regarding the research effort related to the earthquake process, a new modeling approach was developed, which elaborates regional seismic characteristics. The generation mechanism stems from electric charges, whereas the dynamics of the system evolve on a CA-based platform. Simultaneously, the application of the model as a preliminary data-acquisition filter that accelerates the evaluation of recorded data was presented. As far as the study of the crowd movement study concerns, it was based on potential field techniques induced by electric charges, located at selected positions, which were applied on a CA model as well. Furthermore, a new application was developed aiming at the anticipative management of crowd movement near exits. The complete system of tracking, motion estimation and warning signals activation constitutes a novel proposal in a research field that has not been extensively approached. The common mode of research approaching, inspired by electric charges and supported by CA-generated dynamics along with the presentation of applicable solutions related to elaborations of the systems comprise significant contribution of this PhD Thesis.

Ένα Σύστημα Μεγάλης Κλίμακας (ΣΜΚ) χαρακτηρίζεται από το μεγάλο μέγεθος κάποιας θεμελιώδους συνιστώσας, που έχει να κάνει, για παράδειγμα, με τον αριθμό των ατόμων που συμμετέχουν σε αυτό, το μέγεθος των πληροφοριών που αποθηκεύονται ή υπόκεινται σε επεξεργασία, τον αριθμό μεταβλητών που σχετίζονται ή αλληλεπιδρούν. Η βαθύτερη κατανόηση, όμως, της φύσης ενός ΣΜΚ δεν περιορίζεται μόνο στην έννοια του μεγέθους. Είναι χρήσιμο να μελετηθούν και να κατανοηθούν οι επιπτώσεις της μεγάλης κλίμακας στη συμπεριφορά του και στο ευρύτερο περιβάλλον στο οποίο εξελίσσεται, πόσο μάλλον όταν ελλοχεύουν κίνδυνοι για την ανθρώπινη ζωή. Τα προβλήματα που ανακύπτουν απαιτούν καινούριες τεχνικές επίλυσης και νέες προσεγγίσεις που αφορούν τη δομή, την ανάπτυξη, τη λειτουργία και την εξέλιξη του συστήματος. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν και υλοποιήθηκαν δύο μοντέλα ΣΜΚ με τη χρήση Κυψελιδωτών Αυτομάτων (ΚΑ). Συγκεκριμένα, η ερευνητική προσπάθεια εστιάστηκε στη μοντελοποίηση της σεισμικής διεργασίας καθώς και της μαζικής κίνησης ατόμων κατά την εκκένωση κλειστών χώρων. Κριτήριο επιλογής των συστημάτων αποτέλεσε η σημαντικότητα των επιδράσεων και των επιπτώσεών τους στο κοινωνικό σύνολο. Αναζητήθηκαν εναλλακτικοί τρόποι μελέτης των συστημάτων αυτών με βασικό εργαλείο έρευνας τα ΚΑ. Η ευρύτατη χρήση του συγκεκριμένου εργαλείου στην επιστημονική έρευνα αποτέλεσε εχέγγυο της αποτελεσματικότητάς του αλλά και πρόκληση για την αναζήτηση νέων επιτυχών τρόπων εφαρμογής του. Ο στόχος της έρευνας των ΣΜΚ ήταν διττός: αφενός, η μελέτη της δυναμικής των συστημάτων με τρόπους διαφορετικούς από τους ήδη υπάρχοντες στη βιβλιογραφία, ώστε να διευρυνθεί η ποικιλομορφία των ερευνητικών προσεγγίσεων, και αφετέρου η ανάπτυξη εφαρμόσιμων λύσεων που θα βελτιστοποιούν διαδικασίες που σχετίζονται με τα αντίστοιχα συστήματα/φαινόμενα. Στο πεδίο έρευνας που σχετίζεται με το φαινόμενο των σεισμών, δημιουργήθηκε μοντέλο μελέτης των σεισμικών χαρακτηριστικών μιας περιοχής με βάση ηλεκτρικά φορτία και πλατφόρμα ανάπτυξης της δυναμικής του φαινομένου τα ΚΑ και παράλληλα παρουσιάστηκε ο τρόπος εφαρμογής του ως ένα προκαταρκτικό φίλτρο δεδομένων, το οποίο επιταχύνει την αξιολόγηση σεισμολογικών δεδομένων. Η μελέτη της κίνησης του πλήθους βασίστηκε σε τεχνικές πεδίου δυναμικού που δημιουργείται από ηλεκτρικά φορτία σε επιλεγμένες θέσεις και οι οποίες εφαρμόστηκαν σε μοντέλο ΚΑ. Παράλληλα, στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια εφαρμογή στον τομέα της προληπτικής διαχείρισης της κίνησης πλήθους κοντά στις εξόδους, με ένα ολοκληρωμένο σύστημα παρακολούθησης, εκτίμησης της κίνησης και ενεργοποίησης προειδοποιητικών σημάτων. Τέτοιες προσεγγίσεις δεν έχουν εφαρμοστεί εκτενώς μέχρι τώρα. Ο ενιαίος τρόπος προσέγγισης της μελέτης δύο χαρακτηριστικών φαινομένων μεγάλης κλίμακας, με βάση τα ηλεκτρικά φορτία και με υπόβαθρο ανάδειξης της δυναμικής τους τα ΚΑ, καθώς και η ταυτόχρονη παρουσίαση εφαρμογών σχετικών με τη διαχείρισή τους αποτελούν σημαντική συμβολή της παρούσας έρευνας.