Pedestrian Behavior in Evacuations – Simulation Models and Experiments

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Ehtamo, Harri, Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, Finland
dc.contributor.advisor Korhonen, Timo, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland
dc.contributor.author Heliövaara, Simo
dc.date.accessioned 2014-06-04T09:00:10Z
dc.date.available 2014-06-04T09:00:10Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5684-5 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5683-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13297
dc.description.abstract In Today's built environment, it is common that large numbers of people gather in buildings. Also evacuations of such large crowds take place frequently all over the world. Standard safety requirements for buildings cannot always ensure safe evacuation of people in such situations, and thus, computational evacuation simulations have become a common practice in building design. The currently available simulation models are able to produce quite realistic movement and egress flows. However, there has not been much focus on modeling evacuees' behavior and decision making, which may significantly affect the outcome of evacuations.  This thesis develops new modeling methods to describe the behavior of pedestrians in evacuation situations. The developed models are implemented in a state-of-the-art simulation software that combines evacuation simulation with fire simulation. The models apply game theory, which is the mathematical framework for describing strategic interaction between individuals.  A novel game theoretic model for occupants' exit route selection is proposed. It describes how evacuees react to the surroundings and other evacuees' actions when deciding which exit to use. Another presented model uses spatial game theory to describe pedestrian behavior and interaction in threatening and congested situations at egress route bottlenecks. The model shows that reasonable behavior by pedestrians may lead to pushing and slow down the egress flow. In addition, a new physical approach for modeling pedestrian counterflow is given.  The thesis also gives the results of an experimental study on pedestrian behavior and decision making in evacuations. It is observed that, even in simple experimental settings, people are often unable to select the fastest egress route. Another interesting finding is that the participants' attempts to cooperate may lead to slower evacuation.  The developed models enable building more realistic tools for evacuation simulation, which help to better assess the safety of different venues. Also, the game theoretic models improve the understanding of how crowd-level movement and phenomena emerge from the behavior and decisions of individual crowd members. The experimental results presented in the thesis provide new insights into human behavior in evacuation situations. The results of the experiments can also be used to validate computational simulation models. en
dc.description.abstract Nykyään on yleistä, että suuria ihmismääriä joudutaan evakuoimaan rakennuksista. Pelkkä rakennusmääräysten noudattaminen ei aina takaa evakuoinnin turvallisuutta, joten evakuoinnin tietokonesimulaatiot ovat yleistyneet rakennusten suunnittelussa. Olemassa olevat simulaatiomallit kuvaavat ihmisjoukkojen liikkumista varsin realistisesti. Sen sijaan ihmisten käyttäytymisen ja päätöksenteon mallinnus ei ole yhtä kehittynyttä, huolimatta näiden tekijöiden merkittävästä vaikutuksesta evakuointien lopputuloksiin.  Väitöskirjassa kehitetään menetelmiä evakuoitavien ihmisten käyttäytymisen ja päätöksenteon laskennalliseen mallintamiseen. Kehitetyt mallit on toteutettu simulointiohjelmistossa, joka yhdistää evakuoinnin ja tulipalon simuloinnin. Mallit perustuvat peliteoriaan, joka on matemaattinen kehikko yksilöiden välisen strategisen vuorovaikutuksen mallintamiseen.  Väitöskirja esittelee uuden menetelmän evakuoitavien poistumisreitin valinnan kuvaamiseksi. Peliteoreettinen malli kuvaa, kuinka ihmiset reagoivat ympäristöön ja muiden ihmisten toimintaan valitessaan poistumisreittiä. Toinen esitelty malli kuvaa evakuoitavien vuorovaikutusta tiiviissä väkijoukoissa ja uhkaavissa tilanteissa soveltaen spatiaalista peliteoriaa. Malli osoittaa, että uhkaavissa olosuhteissa järkeenkäypä toiminta voi johtaa työntämiseen, mikä aiheuttaa tukoksia ja hidastaa poistumista. Työssä kehitetään myös malli vastakkaissuuntaisten ihmisvirtojen liikkeen kuvaamiseksi. Väitöskirjassa esitetään tuloksia myös kokeellisesta tutkimuksesta, jossa tutkittiin ihmisten käyttäytymistä evakuointitilanteissa. Tuloksista havaitaan, että ihmiset eivät usein pysty valitsemaan nopeinta poistumisreittiä yksinkertaisissakaan valintatilanteissa. Toinen kiinnostava havainto on, että evakuoitavien pyrkimys yhteistyöhön voi hidastaa poistumista.  Kehitetyt mallit mahdollistavat realistisempien simulaatiomallien rakentamisen ja näin auttavat turvallisempien rakennusten suunnittelussa. Peliteoreettiset mallit auttavat myös ymmärtämään yhteyttä yksittäisten ihmisten käyttäytymisen ja koko väkijoukon tasolla havaittujen ilmiöiden välillä. Esitetyt kokeelliset tulokset lisäävät ymmärrystä ihmisten käyttäytymisestä evakuointitilanteissa. Kokeiden tuloksia voidaan myös käyttää laskennallisten simulointimallien validointiin. fi
dc.format.extent 38 + app. 76
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 67/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: Ehtamo H., Heliövaara S., Korhonen T., Hostikka S. (2010) Game Theoretic Best-Response Dynamics for Evacuees’ Exit Selection. Advances in Complex Systems, Vol. 13, No. 1, pp. 113-134. DOI: 10.1142/S021952591000244X
dc.relation.haspart [Publication 2]: Korhonen T., Heliövaara S. (2011) FDS+Evac: Herding Behavior and Exit Selection. Fire Safety Science – Proceedings of the tenth International Symposium, pp. 723-734. DOI: 10.3801/IAFSS.FSS.10-723
dc.relation.haspart [Publication 3]: Heliövaara S., Korhonen T., Hostikka S., Ehtamo H. (2012) Counterflow model for agent-based simulation of crowd dynamics. Building and Environment, Vol. 48, pp. 89-100. DOI: 10.1016/j.buildenv.2011.08.020
dc.relation.haspart [Publication 4]: Heliövaara S., Ehtamo H., Helbing D., Korhonen T. (2013) Patient and impatient pedestrians in a spatial game for egress congestion. Physical Review E, Vol. 87, 012802. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.87.012802
dc.relation.haspart [Publication 5]: Heliövaara S., Kuusinen J-M., Rinne T., Korhonen T., Ehtamo H. (2012) Pedestrian behavior and exit selection in evacuation of a corridor – An experimental study. Safety Science, Vol. 50, pp. 221-227. DOI: 10.1016/j.ssci.2011.08.020
dc.subject.other Mathematics en
dc.subject.other Computer science en
dc.title Pedestrian Behavior in Evacuations – Simulation Models and Experiments en
dc.title Käyttäytyminen evakuointitilanteissa – simulointimallit ja kokeelliset tulokset fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Matematiikan ja systeemianalyysin laitos fi
dc.contributor.department Department of Mathematics and Systems Analysis en
dc.subject.keyword evacuation en
dc.subject.keyword simulation en
dc.subject.keyword game theory en
dc.subject.keyword experiment en
dc.subject.keyword crowd en
dc.subject.keyword behavior en
dc.subject.keyword evakuointi fi
dc.subject.keyword simulaatio fi
dc.subject.keyword peliteoria fi
dc.subject.keyword kokeellinen tutkimus fi
dc.subject.keyword väkijoukko fi
dc.subject.keyword käyttäytyminen fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5684-5
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ehtamo, Harri, Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, Finland
dc.opn Schadschneider, Andreas, Prof., University of Cologne, Germany
dc.contributor.lab Systems Analysis Laboratory en
dc.rev Nilsson, Daniel, Associate Prof., Lund University, Sweden
dc.rev Lämmel, Gregor, Dr., Jülich Research Centre, Germany
dc.date.defence 2014-06-13


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account