Agentenbasierte Simulation von Personenströmen mit unterschiedlichen Charakteristiken

Abstract

Die dynamische Nutzung von Gebäuden oder ganzer Stadtteile durch den Menschen wird immer wichtiger. Gebäude und Städte werden nicht mehr statisch, sondern als dynamisches System wahrgenommen und genutzt. Aus diesem Grund werden in gleichem Maße Simulationsmethoden immer wichtiger, die das Zusammenspiel einer großen Zahl an Individuen und den gebauten Strukturen zu simulieren hilft. Sowohl für die tägliche Nutzung wie auch in Evakuierungssimulationen von Gebäuden werden deshalb bessere Methoden zur Fußgängerflusssimulation und darauf basierende Personenstromanalysen benötigt. Tragische Ereignisse in der Vergangenheit zeigten auf, wie rasch sich große Menschenansammlungen zu tödlichen Fallen entwickeln können, die dutzende Menschenleben fordern, falls sie eine unkontrollierte Dynamik entwickeln. Um solche Ereignisse zu vermeiden, benötigen wir genauere Kenntnisse über die Gesetze von Personenströmen. Bereits einfachste und kostengünstige Mittel - wie das Errichten von "Einbahnen", die zu einer Homogenisierung des Flusses führen, oder "Wellenbrecher" zur Reduktion des Druckes - können zu einer erheblichen Verbesserung der Sicherheit beitragen. Ziel der vorliegenden Dissertation ist eine Erweiterung der bisherigen Modellierungsansätze von Personenströmen in Gebäuden, um deren Planer bei der Umsetzung solcher Lösungen zu unterstützen. Die entwickelten Methoden dienen dazu, Verkehrsflüsse zu simulieren und so etwaige Engpässe und Problemzonen in Gebäuden vorab zu lokalisieren und gegebenenfalls zu entschärfen. Es werden dabei spezielle Ansätze entwickelt, um unterschiedliche Personengruppen zu unterscheiden, etwa Menschen, die auf den Gebrauch von Gehhilfen angewiesen sind und geeignete Routing Algorithmen benötigen. In einer "state-of-the-art" Analyse wurden zu diesem Zweck etablierte Verfahren evaluiert, neue Ansätze entworfen sowie eine Kombination von beiden verwendet, um Schwachstellen der bestehenden Verfahren, wie hoher Speicherbedarf, zu kompensieren und die Möglichkeiten dieser Verfahren zu erweitern. Die vorgeschlagenen Konzepte, Modelle und Algorithmen wurden in JAVA implementiert und getestet. Zur Umsetzung wurde in der vorliegenden Arbeit ein agentenbasiertes, raum- und zeitdiskretes System entwickelt. Basierend auf den diskretisierten Gebäudeflächen werden Personen generiert (Agenten), die sich frei auf diesem Raster bewegen können und deren Verhalten dabei dynamisch von vorgegebenen individuellen Zielen, je nach Gruppenzugehörigkeit unterschiedlichen Eigenschaften der Agenten (z.B. führt Rollstuhlgebundenheit zu unterschiedlichen, räumlichen Randbedingungen) und von den umgebenden Agenten abhängt. Dabei wurde speziell auf die Implementierung mehrstöckiger Gebäude Wert gelegt und die entsprechenden Methoden, Algorithmen und Routinen implementiert, um es den Agenten zu ermöglichen, zwischen diesen einzelnen Gebäudeflächen zu wechseln. Dies stellte besondere Herausforderungen an das "Routing" dar, das vorab einen Weg durch die Gebäude sucht. Um dies umzusetzen, wurde auf die Graphentheorie zurückgegriffen, mit Hilfe derer die Topologie des Gebäudes auf Knoten und Kanten abgebildet wird. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass es möglich ist, mit der entwickelten Methode, die in ihren Grundzügen auf dem Suchalgorithmus von Dijkstra basiert, eine Liste zu erstellen, die Wegpunkte enthält, die der jeweilige Agent "abarbeiten" muss, um an sein Ziel zu gelangen und zwar abhängig von den jeweiligen Eigenschaften des Agenten und äußeren Einflussfaktoren. Zur Orientierung zwischen diesen Wegpunkten wurde auf eine Reihe von vordefinierten Wegen gesetzt, die bei Bedarf automatisch durch ein static floor field ergänzt werden. Durch die Kombination dieser beiden Algorithmen wurden die Vorteile beider Methoden weitgehend vereint. Die Simulation darf, nach dem aktuellen Forschungsstand, nicht als Evakuierungssimulation verstanden werden, da spezielle Verhaltensweisen, wie menschliches Verhalten in Stresssituationen, nicht berücksichtigt wurden. Sie ist jedoch eine Vorstufe dazu und kann gegebenenfalls durch Hinzufügen einiger Algorithmen dazu erweitert werden.

The dynamic use of buildings or entire neighborhoods by people is becoming increasingly important. Buildings and cities are no longer static, instead they are perceived and used as a dynamic system. For this reason, simulation methods that simulate the interaction of a large number of individuals and the built structures are becoming more and more important. Therefore, better methods of pedestrian flow simulations and pedestrian flow analysis are needed, both for daily usage as well as in evacuation simulations of buildings. Tragic events in the past have shown how quickly large crowds can become to deadly traps that take dozens of lives as toll, if they develop uncontrolled dynamics. To avoid such accidents in the future, it is necessary to gain a profound knowledge of the laws of pedestrian flows. Even simple and cost-effective resources inferred from such knowledge - such as the installation of "one way streets" that lead to a homogenization of the flow, or "breakwater" to reduce the pressure - can contribute to a significant improvement in security. The aim of this dissertation is to extend the previous modelling approaches of pedestrian flows in buildings to assist the planner in providing better solutions. The developed methods are used to simulate pedestrian flows and thus to locate possible bottlenecks and problematic areas in buildings in advance and to resolve them if necessary. Therefore special approaches were developed to distinguish different groups of people who, for instance, are dependent on the use of walking aids and require appropriate routing algorithms. For this purpose established "state-of-the-art" methods have been evaluated. A combination of these and new approaches has been used to overcome the weaknesses of existing methods, such as high memory requirements, and to expand their capabilities. The proposed concepts, models and algorithms have been implemented and tested in JAVA. The implementation presented in this work is an agent-based, space- and time- discrete system. Based on the discretized floor planes people are generated (agents), which can move freely on this grid. Their behavior is predetermined by individual destinations and different attributes (e.g. wheelchair user) which vary according to group membership and depend on the surrounding agents. Special emphasis was put on the implementation of multistorey buildings, and different methods, algorithms and routines were implemented to allow the agent to switch between these floors. Therefore special routing algorithms have been developed. The graph theory was used to map the topology onto the building on nodes and edges. This work shows that it is possible to create, with the developed method which is based mainly on the search algorithm of Dijkstra, a list of waypoints, which are used by the agents to reach their destinations. For orientation between waypoints predefined paths are used which are automatically supplemented by a static floor field when needed. The combination of these two algorithms joins the advantages of both methods. The simulation may, in its current state, not to be understood as an evacuation simulation, because specific patterns of behaviour, such as human behaviour in stressful situations, was not considered. However, it is a precursor and may potentially be extended to be so by adding necessary algorithms.