В статье авторы рассматривают решение задачи размещения элементов интерьера генетическим алгоритмом.

Ключевые слова: генетический алгоритм, интерьер, эргономика.

Для человека правильное расположение предметов интерьера является важным, определяет качество жизни, эффективность труда и отдыха, комфорт и уют в доме, что соответствует требованиям эргономики.

Эргономика — (от греч. ergon — работа и nomos — закон), область научно-прикладных исследований, находящихся на стыке технических наук, психологии и физиологии труда, в которой разрабатываются проблемы проектирования, оценки и модернизации систем «человек — техника — среда».

В отличие от инженерной психологии и психологии труда эргономика изучает взаимодействие человека и техники не только в сфере производства, но и в сферах досуга и быта [3].

Наша задача описать те правила, которые соответствуют требованиям эргономики и могут быть учтены в расчетах проектирования генетическим алгоритмом.

Генетический алгоритм в задаче расстановки мебели был выбран из-за высоких показателей поиска свободного пространства, учёта возможных конфигураций мебели с точки зрения пересечений, эргономики, эстетики и функциональности.

Данные результаты отражены в исследованиях Венского технологического университета (Institute of Software Technology and Interactive Systems, Vienna University of Technology) [4].

В ходе анализа литературных источников [1, 2] посвященных дизайну интерьера, были собраны правила расстановки, которые имеют математические величины. Такие как длина, ширина, расстояние между объектами, а также некоторые рекомендации определяющие зависимости между объектами, например, стол — стул, кровать — тумбочка, диван — телевизор.

Правила расстановки мебели в комнате:

1. Ширина проходов комнаты должна составлять не менее 70 сантиметров (для лиц пожилого возраста этот показатель увеличивают до 1 метра);
2. Перед шкафами и комодами расстояние составляет от 80 см (дверцы и ящики должны полностью открываться);
3. Для зоны отдыха обычно ставятся угловые диваны;
4. Телевизор устанавливается так чтобы на него можно было смотреть сбоку под углом не превышающем 30 градусов, центр изображения должен находиться так, чтобы взгляд, направленный на него, не отклонялся к низу более, чем на 7 градусов
5. Между телевизором и местами для зрителей необходимо расстояние, равное 3–5 диагоналям экрана;
6. В маленьких помещениях ставят минимальное количество мебели, размещая большую её часть вдоль стен.

Правила расстановки мебели в спальне:

1. Ширина проходов в спальне такая же, как и в комнате (70–80 сантиметров, а в спальне пожилых людей — не менее 100 см.);
2. Изголовье кровати должно упирается в стену;
3. Не рекомендуется придвигать кровать одной из сторон к стене особенно если кровать двуспальная. Это можно сделать только в том случае если комната слишком мала;
4. Проход от двери к кровати или к окну должен быть максимально прямым;
5. Кровать лучше ставить возле окна.
6. Если кровать стоит параллельно окну, расстояние от окна должно составлять 80 сантиметров;
7. Кровать должна быть свободна от других предметов интерьера, а также располагаться подальше от батареи;
8. Кровать должна находиться не менее чем в полуметре от наружной стены;
9. Расстояние между кроватью и шкафом должно быть 70–75 см, чтобы обеспечить удобный подход к кроватям.
10. Шкаф следует располагать в дальнем углу;
11. Основное оборудование спальни — кровати, прикроватные тумбы, платяные шкафы, туалетные столики и рабочие столы не должны занимать более 45 % площади спальни.

Правила расстановки мебели на кухне:

1. Для приема пищи одним человеком необходима длина стола из расчёта 60 см при радиусе в 30 см;
2. Три главных кухонных элемента — плита, мойка и холодильник должны располагаться так, чтобы расстояние между ними не превышало 2,7 метра и не было меньше 1,2 метра;
3. Расстояние между плитой и мойкой составляет 40 см, между плитой и окном 45 см;
4. Чтобы удобнее разместить стулья вокруг стола, необходимо учитывать, что расстояние от обеденного стола до стены должно быть не менее 75 см, до предметов низкой мебели — 50 см.

Правила расстановки мебели в прихожей:

1. Рассчитать ширину прохода в прихожей необходимо таким образом, чтобы в ней свободно могли развернуться два человека. Если дверь распахивается в комнату или попросту отсутствует — достаточно метра или 90 сантиметров, но если дверь открывается в сторону коридора, потребуется около 1,5 метра;
2. Проход в прихожей должен быть не менее 60–80 см;
3. Важно обеспечить достаточную площадь перед распашными дверцами шкафов. Распашные дверцы в шкафах можно заменить раздвижными;
4. Даже в узком коридоре есть зазоры в 30-см. Этого места достаточно, чтобы установить компактную продолговатую обувницу.

Правила расстановки мебели в гостиной

1. Объекты: диван, кресла, кофейный столик и аксессуары не должны загораживать путь, проходы в гостиной должны быть от 90 см;
2. Для комфортного общения между сидячими местами расстояние должно быть 2 метра;
3. Угловую и П-образную мебель следует размещать вокруг журнального стола, проход между сиденьем и столиком должен быть не менее 30 см;
4. Для определения границ будущих функциональных зон прочерчивают коммуникационные зоны шириной не менее 70 см. Для проходных комнат ширина этих зон может быть увеличена до 80–90 см. Чтобы не мешать движению, в коммуникационных зонах нельзя размещать мебель и оборудование.

Параметры эргономики, предъявляемые к ванной:

1. Сантехника в ванной устанавливается в 75 см от стен;
2. Расстояние между ванной/раковиной/унитазом — 30–55см;
3. Расстояние от душевой или ванной до полочек — 70–90 см;
4. Расстояние от пола до раковины — 80–100 см;
5. Свободное пространство в ванной должно составлять 170 см2.

Как работает генетический алгоритм в задаче расстановки объектов интерьера?

Особенностью генетических алгоритмов является имитация механизма естественного отбора, которую можно применить для решения задачи расстановки мебели за счет поиска удачной комбинации.

При использовании метода наблюдается:

1. Высокая степень решения задачи;
2. Преодоление условий, препятствующих решению задачи.

Данные особенности генетического алгоритма являются наиболее ценными.

Используя те знания, которые получили в результате анализа литературных источников мы способны заложить фундамент математического обоснования работы генетического алгоритма, подобрать необходимый формат данных в хромосоме.

Каждый объект, предполагаемый для расстановки в помещении, будет закодирован тремя параметрами х, у координаты, а также ориентация объекта по горизонтали, вертикали рис. 1.

Рис. 1. Формат данных в хромосоме для одного объекта интерьера

Одна хромосома состоит из перечня объектов, которые нужно будет расставить на заданной площади.

Следующим условием постановки задачи будет вычисление значения функции приспособленности каждой хромосомы.

Для этого мы строим матрицу Рис. 2, в которой числом 0 описываем площадь комнаты. Границы комнаты задаём 1000 — это величина штрафа за расположение объекта вне зоны помещения.

Рис. 2. Матрица помещения

Для каждого объекта, будь то стол, стул, шкаф и т. п. мы создаем маску определяющую допустимое расстояние этого предмета интерьера относительно других предметов Рис. 3.

Число 1 — это занимаемая площадь объекта, 0.2 — величина штрафа за пересечение допустимой области объекта, представленная в виде заданной маски.

Рис. 3. Представление объекта относительно занимаемой им площади

На рис. 4 продемонстрировано условие, при котором объекты пересекаются, при этом все показатели суммируются. Данные значения показывают степень приспособленности хромосомы.

Рис. 4. Изменение числовых значений в случае неправильной компоновки

Таким образом, если объекты расположены правильно, то их значения остаются прежними и не суммируются, в противном случае значения будут возрастать.

В качестве вывода можно отметить, что собранные нами сведения в ходе анализа литературных источников могут быть использованы для решения задачи размещения элементов интерьера генетическим алгоритмом.

При помощи масок можно задать расстояние между элементами интерьера, определить функциональные зоны с минимальным и максимальным размером штрафа за неправильное расположение объекта, а также определять ориентацию объекта в пространстве.

Литература:

1. Шкиль О. С. Основы эргономики в дизайне среды. Часть I. Учебное пособие. Изд-во АмГУ, 2010.
2. Базилевич М. Е. Основы проектирования жилого интерьера. — Хабаровск.: Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2019
3. Карпенко Л. А., Петровский А. В., М. Г. Ярошевский. Краткий психологический словарь. — Ростов-на-Дону: «ФЕНИКС», 1998.
4. Kan P., Kaufmann H., Automated Interior Design Using a Genetic Algorithm. Institute of Software Technology and Interactive Systems, Vienna University of Technology. URL: https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_262718.pdf (дата обращения: 15.11.2020).