Modeling egress congestion using a cellular automaton approach

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2014

Department

Major/Subject

Sovellettu matematiikka

Mcode

Mat-2

Degree programme

Language

en

Pages

[7] + 60 s.

Series

Abstract

There is great a need for safety design of buildings, to safely evacuate people in case of fire or other more or less catastrophic situations. There are legal quantitative regulations and safety requirements, when constructing a building, but often they are not sufficient especially in public places. For example, the egress flow and jamming effects of crowds are not taken realistically into account. There have been cases, where the lack of safety design has had disastrous effects in nightclubs, festivals, shopping centres etc. There are many different approaches to simulate egress flows. The most popular models are Helbing's social force model and cellular automaton models. Various continuous models, like FDS+Evac (developed mainly in the Technical Research Centre of Finland), are often computationally demanding, but give more realistic results. In this thesis, the focus is on a computationally more efficient cellular automaton model, which is discrete both in time and space. There, the crowd moves towards the exit in a cell grid, according to some transition probabilities. In this thesis the cellular automaton model developed by Schadschneider is used to model the movement of a crowd. However, Schadschneider's model is not a behavioral model. It describes how the crowd moves, but not why it moves like it does. A game theoretical model developed by Heliövaara et al. (2013), for the game people play in an evacuation situation, is applied to the cellular automaton model, to explain the behavior of people in an egress congestion. In our model, the evacuees choose their behavior by observing their surroundings. Furthermore, the choice of behavior changes the transition probabilities in the cellular automata. The model proves to give qualitatively similar results to the most recent version of FDS+Evac.

Rakennusturvallisuuden suunnittelu on tärkeää, mikäli halutaan varmistaa turvallinen poistuminen rakennuksesta tulipalo- tai muussa paniikkitilanteessa. Rakennusturvallisuudesta on määrällisiä säädöksiä, mutta ne eivät usein ole riittäviä julkisten rakennusten tapauksessa. Ne eivät usein ota huomioon ihmisvirtauksia ja ihmisruuhkia. On lukuisia tapauksia, missä esimerkiksi julkisilla paikoilla kuten yökerhoissa, festivaaleilla tai ostoskeskuksissa huolimattomalla turvallisuuden suunnittelulla on ollut kohtalokkaita seuraamuksia. Ihmisruuhkien mallintamisessa käytetyimpiä malleja ovat Helbingin sosiaalisen voiman malli sekä erinäiset soluautomaattimallit. Jatkuvilla malleilla, kuten FDS+Evac:lla (joka on kehitetty pääasiallisesti VTT:llä), on saatu hyvin todenmukaisia tuloksia, mutta mallit ovat laskennallisesti raskaita. Diplomityössä keskitytään laskennallisesti kevyempään soluautomaattimalliin. Soluautomaattimallissa rakennusta mallinnetaan solukolla, johon ihmiset on asetettu. Ihmiset liikkuvat solusta toiseen uloskäyntiä kohti tiettyjen liikkumistodennäköisyyksien mukaan. Diplomityössä käytetään Schadschneiderin soluautomaattimallia ihmisten liikkeen kuvaamiseen. Kuitenkaan Schadschneiderin malli ei selitä ihmisten päätöksentekoa, se kuvaa vain sitä miten ihmisjoukko liikkuu. Heliövaara ym. ovat kehittäneet peliteoreettisen mallin (2013), jonka avulla pyritään mallintamaan ihmisten päätöksentekoa evakuointitilanteessa. Tässä diplomityössä yhdistetään tämä peliteoriamalli Schadschneiderin soluautomaattimalliin. Mallissamme ihmiset valitsevat käytöksensä ympäristönsä perusteella. Tämä valinta taas vaikuttaa soluautomaattimallissa liikkumistodennäköisyyksiin. Näytämme, että meidän mallilla on mahdollista tuottaa kvalitatiivisesti samoja tuloksia kuin FDS+Evac:in uusimmalla versiolla.

Description

Supervisor

Ehtamo, Harri

Keywords

uloskäyntiruuhka, soluautomaatti, spatiaalinen peli, egress congestion, cellular automaton, spatial game

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201507013666

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI