Unser Simulationsmodell:
Was steckt dahinter?

Die verschiedenen auf dem Markt erhältlichen Modelle haben unterschiedliche Ursprünge. Der Zellularautomat hat sich aus der Verkehrstechnik heraus entwickelt und zeichnet sich insbesondere durch seine diskrete Geometrieauflösung aus (oftmals quadratische Zellen, ähnlich einem Schachbrett), welche kurze Rechenzeiten zur Folge hat. Das Social Force Model hat sich aus der physikalischen Strömungslehre abgeleitet und kann gut hohe Dichten abbilden.

Das Optimal Steps Model (OSM) beschreitet neue Wege: statt auf vorhandene Modelle aus anderen Disziplinen aufzusetzen, fokussiert es sich auf den Grundgedanken jedes Personenstromsimulators: das menschliche Bewegungsverhalten. Ausgangspunkt ist der Schritt, den ein Mensch aufgrund seiner Schrittlänge in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit und der Laufrichtung machen kann, ohne mit Hindernissen oder anderen Personen zu kollidieren. Es wird jeder Schritt neu errechnet und die Gehgeschwindigkeit jeweils den Gegebenheiten der Umwelt angepasst.

Die Fortbewegung allein ist jedoch nicht ausreichend, um Bewegungsverhalten realistisch abzubilden. Ebenso in die Analyse einfließen muss die Umwelt. Hierfür müssen Erkenntnisse aus der Sozialpsychologie und die Techniken zur Modellierung von Verhalten aufeinander abgestimmt werden. Um menschliches Bewegungsverhalten zu verstehen, müssen die folgenden Fragen beantwortet werden: Wie bewegt sich eine Person fort? Welche persönlichen Eigenschaften besitzt sie? Und wie interagiert die Person mit der Umwelt?

Um diese drei Aspekte in einer Simulationssoftware abbildbar zu machen, haben wir sie in drei Modellierungsebenen übersetzt:

• Lokomotionsebene: Abbildung von Raum und Bewegung
• Individualebene: Abbildung von kognitiven und motorischen Eigenschaften
• Interaktionsebene: Abbildung von Verhalten im Zusammenwirken mit der Umgebung

Lokomotionsebene

Die Lokomotionsebene modelliert die Art der Fortbewegung von Personen (Gehen, Treppen steigen, Rennen, auf Rampen laufen, auf Fahrtreppen etc.). Hierfür muss zunächst auf die Abbildung der Geometrie geachtet werden: im Gegensatz zu anderen Modellen hat das OSM eine kontinuierliche Geometrie, d.h. jeder Punkt der Fläche ist zu jedem Zeitpunkt betretbar.

Diskrete Geometrie: nur vorgegebene Bereiche sind betretbar / OSM: Kontinuierliche Geometrie: jeder Punkt ist betretbar

Auf der Lokomotionsebene wird auch die Kollisions­vermeidung abgebildet: In der Realität vermeiden Menschen implizit Kollisionen. Durch sog. Navigationsfelder können Kollisionen nicht nur mit Hindernissen, sondern auch gegenüber anderer Personen vermieden werden.

In crowd:it ist die Lokomotionsebene wie folgt angelegt:

Kontinuierliche Geometrie

• Die Agenten sind frei in der Bewegungsrichtung.
• Alle Details des Plans bleiben erhalten, runde Objekte können abgebildet werden. Dadurch werden gefährliche Artefakte vermieden.

Dynamisches Navigationsfeld

• In jedem Zeitschritt überlegen die Agenten, welche Route unter den gegebenen Umständen die beste ist.
• Sie betrachten andere Akteure als Hindernisse und können je nach Situation über den längeren, aber letztlich schnelleren Weg entscheiden.

Optimal Steps Model

• Das Modell imitiert den echten Schritt von Fußgängern.
• Das zugrundeliegende Optimal Steps Model ermöglicht ein reales Fußgängerschrittverhalten. Agenten verlangsamen sich auf natürliche Weise, wenn sie sich innerhalb dichter Menschenengen befinden, indem sie kleinere Schritte unternehmen. (Daher ist keine Dichte-Geschwindigkeitsbeziehung als Eingabe erforderlich. Siehe auch hier)

Vertikale Verbindungselemente

Im Gegensatz  zu anderen Modellen, werden in crowd:it Treppen mit ihren individuellen Eigenschaften wie Anzahl Stufen oder Stufentiefe explizit modelliert. In anderen Programmen werden Treppen als Bereiche modelliert, bei denen sich die Gehgeschwindigkeit für alle Agenten um einen bestimmten Faktor verlangsamt. Aufgrund der verringerten Schrittweite auf Treppen werden aber schnellere Personen im Verhältnis eher stärker abgebremst als langsamere Personen. Eine lineare Skalierung ist also nicht exakt (vgl. (10)). Im Treppenmodell von crowd:it, dem Optimal Stair Model, wird dieser Erkenntnis Rechnung getragen. So werden Personen auch anhand der Treppenstufentiefe abgebremst und nicht ausschließlich in Abhängigkeit ihrer Geschwindigkeit in der Ebene.

Auch bildet das crowd:it Optimal Stair Model die Erkenntnis ab, dass Personen Treppen eher gerade heruntergehen und schräge Wege auf Treppen vermeiden. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass beim Schräggehen von Treppen das Risiko erhöht wird, die Treppenstufe nicht exakt zu treffen und so im schlimmsten Fall einen Sturz verursacht wird. In herkömmlichen Modellen kommt es oftmals zu einen Zickzack-Lauf von Agenten. Dies hat Auswirkungen auf die Raumeinnahme einer einzelnen Person und bildet somit den Durchfluss auf Treppen nicht exakt ab.

In crowd:it können Festtreppen, Fahrtreppen und Aufzüge direkt modelliert werden geben damit realistischere Ergebnisse aus.

Individualebene

Interaktionsebene

Literatur