Numerical simulation and optimization models for socio-dynamical features of crowd evacuation

Julkaisun otsikon käännös: Väkijoukon evakuoinnin sosiodynaamisten ilmiöiden numeeriset simulointi- ja optimointimallit

Anton von Schantz

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Suurten joukkotapahtumien sekä julkisen liikenteen kasvu aiheuttaa turvallisuushaasteita erityisesti hätätilanteissa. Väkijoukon evakuoinnin ongelmien ratkaisemiseen on kehitetty laskennallisia malleja. Nykyään kyetäänkin numeerisesti simuloimaan erilaisia näihin tilanteisiin liittyviä fysikaalisia ilmiöitä realistisesti, mutta malleja, jotka kuvaavat yksilöiden käyttäytymisestä johtuvia ilmiöitä on vähemmän. Näiden lisäksi tarvitaan myös malleja, jotka johtavat käytännön ratkaisuihin katastrofaalisten tapahtumien ennaltaehkäisemiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan väkijoukon liikkeen matemaattista sekä laskennallista mallintamista ja yksilöiden käyttäytymisen vaikutusta haitallisten ilmiöiden syntymisessä. Tutkimme myös nopeimman opastetun poistumisen tehtävää. Eli kuinka keltaliivisten oppaiden tulisi ohjata väkijoukko rakennuksesta ulos minimiajassa? Nopeimman opastetun poistumisen tehtävää tutkitaan myös kun väkijoukon liikehdinnässä on epävarmuutta.Väitöskirjassa väkijoukko mallinnetaan monen agentin järjestelmänä. Sen dynamiikkaa kuvataan Newtonin dynamiikkaan perustuvalla sosiaalisen voiman mallilla ja agenttien käyttäytymistä evoluutiopeliteorialla. Mallia simuloidaan rakentamalla simulaatioympäristö, joka implementoidaan supertietokoneelle. Numeeriset simuloinnit osoittavat, että agenttien lokaalin käyttäytymisen seurauksena syntyy ei-monotoninen dynamiikka. Pullonkaulan läpi poistuessa väkijoukon takaosa käyttäytyy kärsimättömästi. Se työntää edessä olevia agentteja, mikä kasvattaa painetta etuosassa. Tämän seurauksena väkijoukkoon muodostuu agenteista koostuvia holvirakenteita, jotka tukkivat pullonkaulan sekä hidastavat evakuointia. Holvirakenteet murtuvat niihin kohdistuvien epävakaiden kuormien takia. Simulointitulokset yhtyvät kokeellisten evakuointitutkimusten kanssa. Nopeimman opastetun evakuoinnin tehtävään kehitetään uusia matemaattisia malleja sekä algoritmeja. Uudet menetelmät perustuvat matemaattiseen optimointiin, kuten skenaario-optimointiin, geneettisiin algoritmeihin, numeeriseen simulointiin pohjautuvaan optimointiin sekä monitavoiteoptimointiin. Lisäksi pahimmat mahdolliset skenaariot huomioidaan riskimitalla. Nopeimman opastetun evakuoinnin tehtävän ratkaisu antaa oppaiden lukumäärän, niiden lähtöpaikat sekä niille määrätyt uloskäynnit. Näytetään, että jos oppaiden määrä on rajoitettu, joudutaan tekemään kompromissi pahimman mahdollisen skenaarion optimoivan sekä keskimääräisesti optimaalisen evakuointisuunnitelman välillä. Kuitenkin jos on riittävästi oppaita, yksilöiden sekä väkijoukon liikkeen epävarmuuden vaikutus häviää. Väitöskirja tarjoaa useita uusia käytännön työkaluja väkijoukon evakuoinnin dynaamisten ominaisuuksien numeeriseen simulointiin ja optimointiin.
Julkaisun otsikon käännösVäkijoukon evakuoinnin sosiodynaamisten ilmiöiden numeeriset simulointi- ja optimointimallit
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Ehtamo, Harri, Vastuuprofessori
  • Ehtamo, Harri, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0368-7
Sähköinen ISBN978-952-64-0369-4
TilaJulkaistu - 2021
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • väkijoukon evakuointi
  • monen agentin järjestelmä
  • evoluutiopeliteoria
  • numeerinen simulointi
  • matemaattinen optimointi
  • ei-monotoninen dynamiikka

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Väkijoukon evakuoinnin sosiodynaamisten ilmiöiden numeeriset simulointi- ja optimointimallit'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä