Spatial game approach to describe risky agents in evacuation situations

Abstract

Threat to survival launches a primitive fight-or-flight reaction both in animals and humans. Both individual actions and the actions of others affect an individual's survival when escaping as a part of a crowd. Human characteristics play a big role in decision making under evacuation circumstances. Attitudes towards risks make some people try their luck, and some others to act as carefully as possible.

An individual's view of the seriousness of a threat in the current situation can be modeled bu using a personal cost function. The shape of the cost function determines whether one is more risk-averse or risk-taking. This thesis seeks to find out how crowd egress flow is affected when evacuees' cost functions differ from each other. Previous studies have treated evacuees as homogenous individuals who all have the same cost function.

Evolutionary game theory serves as the decision making framework for this study. Classical Hawk-Dove game can be used to model human behavior alternatives, e.g., an individual to play Impatient or Patient under an evacuation situation. This individual's behavior can be observed by the other evacuees, who react to this behavior according to their own cost functions.

The study in this thesis is limited to two different types of evacuees: risk-averse and risk-taking. The model developed will reveal new kinds of phenomena that do not occur when all evacuees are considered homogenous. For example, mixing the two types of evacuees in the same crowd will cause a formation of a certain area in the middle of the crowd where all the risk-averse evacuees take the action Patient, and all the risk-taking evacuees take the action Impatient.

Uhka selviytymiselle laukaisee alkukantaisen taistele tai pakene -reaktion sekä eläimissä että ihmisissä. Sekä yksilölliset että muiden tekemät toimet vaikuttavat yksilön selviytymiseen paettaessa osana väkijoukkoa. Ihmisten luonteenpiirteillä on merkittävä osa päätöksenteossa evakuointitilanteissa. Asenteet riskejä kohtaan saavat toiset kokeilemaan onneaan ja toiset toimimaan niin varovaisesti kuin mahdollista.

Yksilön näkemystä uhan vakavuudesta nykyisessä tilanteessa voidaan mallintaa henkilökohtaisella kustannusfunktiolla. Kustannusfunktion muoto määrittää onko yksilö riskiä karttava vai riskihakuinen. Tämä diplomityö pyrkii selvittämään kuinka väkijoukon ulosvirtaukseen vaikuttaa evakuoitavien toisistaan poikkeavat kustannusfunktiot. Edelliset tutkimukset ovat ajatelleet evakuoitavia homogeenisina yksilöinä, joilla on kaikilla sama kustannusfunktio.

Tässä tutkimuksessa käytetään evoluutiopeliteoriaa pelaajien, tai agenttien, toiminnan ennustamiseen. Esimerkiksi klassisen Haukka-Kyyhky-pelin toimintavaihtoehdot ovat "Kärsimätön" ja "Kärsivällinen" evakuointitilanteissa. Muut havaitsevat yksilön käyttäytymisen ja reagoivat tähän oman kustannusfunktionsa mukaisesti.

Tässä diplomityössä tutkimus on rajoitettu kahdentyyppisiin evakuoitaviin: riskiä karttaviin ja riskihakuisiin. Kehitetyllä mallilla tehdyt simuloinnit tuottavat uudenlaisia ilmiöitä, joita ei tapahdu saman tyyppisten agenttien tapauksessa. Esimerkiksi kahta eri tyyppiä olevien agenttien sekoittaminen samaan agenttijoukkoon muodostaa joukon keskelle tietyn alueen, jossa kaikki riskiä karttavat evakuoitavat käyttäytyvät kärsivällisesti ja kaikki riskihakuiset evakuoitavat käyttäytyvät kärsimättömästi.