Simulation of large scale pedestrian flow

Abstract

Pedestrian simulation is a challenging and fruitful application area for particle simulation, especially in places where many people are gathered (e.g. the Hajj, sports and concert events). Traffic and transportation domains take advantage of this simulation as well. Here the design and implementation involves interesting issues and particle-based modelling allows for the reproduction of pedestrian behaviour to a level of detail beyond pure collision-free locomotion. In this dissertation we will present a prototypical study: a simulation of pedestrian movement throughout the entire Haram area in the city of Mecca, Saudi Arabia, during the busiest Hajj hours. The objectives of this study are twofold: firstly to gather data for accurate predictions for designers and decision makers, and secondly to show, verify and validate that through the use of simulation tools it is possible to reproduce realistic scenarios.

Typical questions in pedestrian motion planning and design are: How many minutes would be needed to evacuate a football stadium or a pop concert arena? Where is the best place for pedestrian information or a poster wall to be placed? How many exit signs should be distributed over the area and where should they be placed? How many minutes does a pedestrian need to go from point A to point B in the overcrowded places? Are transfer times still realistic when the pedestrians are not familiar with the layout? For better planning in this area a better understanding of human behaviour is required and one way to achieve this is to improve the tools available for pedestrian planning (such as pedestrian micro simulation). In particular, particle-based simulation has become an attractive paradigm for modelling and simulating pedestrian decision-making and behaviour because it supports a one-to-one correspondence between the subject of observation and the simulated particle.

Since pedestrian movement is very complex, a computing method has to be developed to simulate the crowded movement of pedestrians on a virtual area. The method is based on the data and relations published by Predtechenski and Milinski [1], resulting from several thousand observations. In this investigation we have developed two-dimensional space crowd dynamic models to allow for a simulation of high density crowds. This was done by modifying and enhancing various features on existing microscopic models, respecting the properties of the individuals like social force and Cellular Automata models. We have also studied all existing models and their positive and negative properties to describe a real crowd behaviour. Our target was to describe a comprehensive approach to model a large scale of pedestrian scenarios (like pilgrim mobility in Hajj) through integrating a number of models from different research domains. In this dissertation a model based on discrete theory is developed and classical mechanics such as Newton’s laws of motion are used. The sum of all the forces exerted by the particle or acting on this particle is called f. This force requires intensive modelling efforts that will be considered and implemented as force-vectors. In this work we will discuss the main forces that can be identified as acting on a pedestrian.

This model was developed from image data (so called empirical data) taken from a video camera or data obtained using human observers. We consider the individuals as self-driven particles interacting through social and physical forces, which is one approach that has been used to describe crowd dynamics. The behaviour of the pedestrians can be observed from video tapes and from the given task cycle. Since not all behaviour of pedestrians has a major global effect on the overall capacity, the main affecting behaviour has to be extracted and used as input for the computer model.

Der Extremfall der Fußgängerforschung ist ein dichtes Gedränge zehntausender Menschen, das in Fußballstadien, aber auch bei Pilgern in Mekka auftreten kann. Wenn jeder zwischen anderen eingequetscht ist, kann das Phänomen der Crowd Turbulence auftreten, ein praktisch unkontrollierbares, erdbebenartiges Hin- und Hergeworfenwerden. Dabei kann es zu einer Tragödie mit vielen Toten kommen. Meine Dissertation befasst sich mit der Simulation und dem Management von höhereren Fußgängerdichten in Fußballstadien oder in Pilgerstätten. Diese Software hilft, die Anfänge gefährlicher Turbulenzen früher zu erkennen, sie schlägt Alarm und die Sicherheitskräfte können eingreifen.

Je genauer die Simulation ist, umso besser lassen sich Gebäude, Kreuzfahrtschiffe oder Bahnhöfe planen. Unnötiges Gedränge oder gar Panik werden so vermieden. Modellrechnungen haben beispielsweise gezeigt, dass einfache Mittel den „Durchfluss“ an Notausgängen verbessern können. Ein Pfeiler genügt, denn er spaltet die schiebende Menschenmasse. So sinkt der Druck auf die Tür, durch die sich alle so schnell wie möglich zwängen wollen.

Das Fußgängerverhalten wird durch ein mikroskopisches Modell beschrieben, welches die Motivation eines Fußgängers und die Beeinflussung durch seine wahrgenommene Umwelt anhand von sogenannten sozialen Kräften beschreibt. Beispielsweise wird die Orientierung in Richtung eines Ziels und der Wunsch, mit einer bestimmten Geschwindigkeit voranzukommen, durch eine Antriebskraft beschrieben. Die Validierung dieses Modells benötigt empirische Daten. Das in dieser Arbeit angewandte Auswertungsverfahren der Untersuchung bei hoher Dichte der Fußgängerströme basiert auf Beobachtungen, Photographien und Videoaufnahmen.

Da die Fußgängerbewegung ein sehr komplexer Vorgang ist, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Berechnungsverfahren entwickelt, um die Bewegung der Fußgänger auf überfüllten Flächen in einer virtuellen Umgebung zu simulieren. Die Methode basiert auf den Daten und Beziehungen von Predtechenski und Milinski [1], die aus mehreren tausend Beobachtungen resultieren. In dieser Untersuchung wurden zweidimensionale Modelle der Dynamik von Menschenmassen entwickelt, die eine Simulation bei hoher Dichte erlauben. Dies wurde durch die Modifizierung undWeiterentwicklung verschiedener Funktionen in bestehenden mikroskopischen Ansätzen erreicht, wobei die Eigenschaften der Individuen wie die soziale Kraft aber auch Zelluläre-Automaten-Modelle einbezogen wurden. Weiterhin wurden alle vorhandenen Modelle und deren positive und negative Eigenschaften untersucht, um das Verhalten von Menschenmassen realistisch zu beschrieben. Ziel war es, einen umfassenden Ansatz zu gewinnen, um eine große Bandbreite an Fußgänger-Szenarien (wie die Mobilität der Pilger im Hajj) durch die Integration einer Reihe von Verfahren aus verschiedenen Forschungsbereichen zu modellieren. In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, das auf diskreter Theorie basiert und auf die klassische Mechanik, wie Newtons Gesetze der Bewegung, zurückgreift. Die Summe der Kräfte, die durch die Partikel ausgeübt werden oder auf diese einwirken, wird mit f bezeichnet. Diese Kräfte erfordern eine intensive Studie, die in Kraft-Vektoren resultiert. In dieser Arbeit werden die wichtigsten Kräfte diskutiert, für die eine Auswirkung auf den Fußgänger identifiziert werden kann.