Pedestrian Behavior in Evacuations – Simulation Models and Experiments

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.

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.