Crowd-Simulation von INCONTROL: Pedestrian Dynamics® unterstützt die Erhöhung der Kapazität jeder Infrastruktur, um den Vorschriften für physische Entfernungen zu entsprechen und die öffentliche Gesundheit zu gewährleisten.
Derzeit müssen sich Regierungen weltweit mit Covid-19 auseinandersetzen und Sperrrichtlinien zum Schutz der öffentlichen Gesundheit entwickeln und umsetzen. Dies waren erfolgreiche Maßnahmen, um die Ausbreitung des Virus zu begrenzen. Die Anzahl der mit dem Coronavirus infizierten Personen und die Anzahl der Corona-Patienten in Krankenhäusern sind gesunken, aber die Sperrungen hatten erhebliche Auswirkungen auf die Wirtschaft.
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Regierungen und konsultierte Virologen haben Richtlinien und Einschränkungen für die Wiedereröffnung des öffentlichen Lebens entworfen, um die Wirtschaft anzukurbeln. Bis ein Impfstoff gefunden wurde oder keine Personen mehr mit dem Coronavirus infiziert sind, besteht das Risiko einer zweiten Welle. Die politischen Entscheidungsträger haben daher Maßnahmen zur Wiedereröffnung des öffentlichen Lebens und zur Ankurbelung der Wirtschaft festgelegt. Eine sehr wichtige Maßnahme, die dazu beigetragen hat, die Ausbreitung des Virus einzudämmen und zu begrenzen, besteht darin, dass Personen aus unterschiedlichen, privaten Haushalten Abstand zueinander halten. Diese Entfernung wird oft als physische Distanz zwischen Individuen bezeichnet.
Mit der Wiedereröffnung des öffentlichen Lebens wird der Einzelne aufgefordert, physische Distanz zu halten. Abhängig von den örtlichen Vorschriften kann diese Distanz in Dänemark 1 Meter, in Deutschland und den Niederlanden 1,5 Meter, in Großbritannien und Kanada 2 Meter und in den USA 6 Fuß betragen. Restaurants, Theater, Stadien und Arenen sowie andere Infrastrukturen werden mit begrenzten Kapazitäten wiedereröffnet, um die erforderliche physische Distanz sicherzustellen.
Dies wirft viele Fragen und Herausforderungen für alle auf, unabhängig davon, ob Sie die lokale Regierung, einen Betriebsmanager, einen einzelnen Ladenbesitzer, einen Restaurantbesitzer, einen Sicherheitsmanager einer Sportanlage oder eines Veranstaltungsortes vertreten. Wie können wir es schaffen, dass Menschen diesen physischen Abstand voneinander halten können? Welche Kapazität hat ein Restaurant, ein Einkaufsviertel, ein Verkehrsknotenpunkt, ein öffentlicher Park oder ein Stadtplatz, wenn wir die Regeln für die physische Distanz einhalten müssen? Wie können wir diese Kapazitäten aus Sicht der Auslastung maximieren? Welche Auswirkungen haben diese Regeln auf die Benutzererfahrung und den erforderlichen Personalbestand? Ist eine Wiedereröffnung unter diesen Bedingungen wirtschaftlich sinnvoll?
Pedestrian Dynamics® ist eine Crowd-Simulationssoftware, die diese Fragen beantworten kann. Es kann verwendet werden, um verschiedene physische Distanzmanagementszenarien zu analysieren, optimale Sicherheit zu finden, die Kapazität und das Benutzererlebnis so weit wie möglich zu erhöhen. Die Simulation kann auch verwendet werden, um Mitarbeiter zu schulen und Besucher bei der Einhaltung der Regeln für die physische Distanzierung zu führen.
Pedestrian Dynamics® ist ein erstklassiges Tool zur Simulation von Menschenmengen, das seit mehr als einem Jahrzehnt verwendet wird, um große Menschenmengen in allen Arten von Infrastrukturen zu modellieren, von Einkaufszentren bis hin zu Flughäfen, Festivals und Stadtgebieten. Pedestrian Dynamics® hat dazu beigetragen, Fragen zur Kapazität zu beantworten, unter Berücksichtigung der Sicherheit und des Komforts, die an überfüllten Orten auftreten.
In Pedestrian Dynamics® wird jeder Einzelne als Agent mit seinen eigenen Merkmalen wie Radius, bevorzugter Gehgeschwindigkeit und Zielen innerhalb der Infrastruktur modelliert. Es verwendet einen visuellen Algorithmus mit zwei einfachen Heuristiken, um die Laufrichtung und -geschwindigkeit zu bestimmen. Dabei wird sichergestellt, dass der Agent den direktesten Weg zum Ziel nimmt und Kollisionen mit anderen Agenten und Hindernissen vermieden werden. Im Falle einer Überfüllung können Agenten unbeabsichtigten Kontakt mit anderen Agenten und Hindernissen haben. In diesen Fällen wird eine Kollisionskraft berücksichtigt. Diese Art von Simulationsmodell ist gut bei der Modellierung der Kollisionsvermeidung und hat dadurch gute Voraussetzungen die physikalische Distanzierung zu modellieren, bei der Agenten noch mehr Abstand voneinander halten müssen.
Vorhersage des Verhaltens von Menschenmengen.
Eine Kollisionskraft wird verwendet, um sicherzustellen, dass Agenten nicht kollidieren und versuchen, den physischen Abstand zu halten. Agenten versuchen, andere Agenten in ihrem Sichtbereich zu meiden, während sie sich ihrem Ziel nähern.
Die sechs „nächstgelegenen“ Agenten im Sichtbereich des Agenten werden im Vermeidungsverhalten berücksichtigt. Ein Gewichtungsfaktor stellt sicher, dass Agenten, die auf einen Agenten zugehen, näher erscheinen als Agenten, die sich in derselben Entfernung befinden und sich von dem Agenten entfernen.
Die Implementierung physischer Distanzierung in der Gesellschaft erfordert Crowd-Management-Pläne anhand eines gut konstruierten oder vorbereiteten Layouts und Designs, verlangt aber auch, dass die Menschen die Regeln befolgen. Um die physische Distanzierung in einem vorhandenen Crowd-Simulationswerkzeug modellieren und relevante Einblicke in die Kapazität, Sicherheit und Benutzererfahrung geben zu können, sind Änderungen an den Laufalgorithmen erforderlich, außerdem müssen neue Arten von Simulationsergebnissen hinzugefügt werden. Eine weitere Anforderung ist die Fähigkeit, verschiedene Arten von Crowd-Management-Maßnahmen zu modellieren.
Um die physische Distanzierung zu modellieren, müssen Einzelpersonen in der Lage sein, eine lokal anwendbare physische Distanz zueinander einzuhalten. Um diese Distanz zwischen Menschen zu respektieren, bedeutet das, dass jeder Einzelne von einem privaten Kreis umgeben ist. In diesem privaten Kreis sind lediglich Mitglieder aus dem eigenen Haushalt erlaubt. In Pedestrian Dynamics® haben wir eine neue Eigenschaft eines Agenten eingeführt, die „physische Distanz“. Ein Agent wird als Kreis modelliert. Der Radius dieses Kreises wird als Körperradius bezeichnet. Der private Bereich ist auch ein Kreis. Sein Radius entspricht dem Körperradius plus der halben physischen Distanz.
Unter der Annahme einer physischen Entfernung von 1,50 Metern und eines Körperradius von 0,239 Metern hat der private Kreis einer Person, um eine physische Entfernung einzuhalten, einen Radius von 0,989 Metern, was dem Körperradius + der halben physischen Distanz entspricht.
Der private Kreis wird im visuell basierten Modell verwendet, um sicherzustellen, dass einzelne Agenten einen Abstand einhalten, der durch die Eigenschaft der physischen Distanz voneinander vorgegeben wird, und diesen Bereich meiden. Der Körperkreis wird für alle Agenten verwendet, um Abstand zu Wänden und anderen Hindernissen zu halten. Dies bedeutet, dass Agenten in der Nähe einer Wand gehen können, aber den erforderlichen Abstand zu anderen Agenten beachten müssen, um die Regeln für die physische Distanz einzuhalten. Für Personen aus demselben Haushalt wird der Körperkreis anstelle des privaten Kreises verwendet, um Abstand zu halten. Dies ermöglicht es Familien, eng zusammen zu gehen.
Die aktuelle Pedestrian Dynamics® Version 3.3 bietet bereits eine große Anzahl spezifischer Objekte, mit denen alle Arten von Crowd-Management-Techniken wie Zeitfenster, Einweg-Routing und das Befolgen einer obligatorischen Route modelliert werden können. Weitere Beispiele sind ein passageway Objekt, mit dem die Gehrichtung wie anhand einer Einbahnstraße festgelegt werden kann, eine selbst angelegte Aktivitätsroute kann hinterlegt oder obligatorische Routings verwendet werden.
Agenten können sich für einen Umweg entscheiden, wenn sich mehr als ein paar Personen in einem bestimmten Gebiet befinden. Dafür wurde eine neue Routing-Methode eingeführt, die durch Festlegen einer Eigenschaft und eines Gewichtungsfaktors für jeden Agenten aktiviert werden kann. Diese Festlegungen bestimmen, wann ein Agent einen Umweg macht. Es gab bereits eine Routing-Methode mit einer Dichteverzögerungsgewichtung (density delay weight), um zu beeinflussen, wann ein Agent einen Umweg macht. Bei der Routing-Methode auf Basis der physischen Distanzierung basiert jeder Beitrag eines Agenten zur Dichtemessung nun auf der Fläche seines privaten Kreises – anstatt auf der Fläche eines Kreises mit dem Körperradius.
Beim globalen Routing nimmt ein Agent normalerweise den kürzesten globalen Weg zum Ziel.
Mit physischem Distanzierungsrouting verhalten sich sogar einige Agenten in einem Korridor anders. Wo ein Agent unter normalem Routing einen Weg durch den Korridor finden würde, macht der Agent jetzt einen Umweg. Ein Dichtegewichtungsfaktor (density weight factor), der vom privaten Kreis eines Agenten bestimmt wird, legt fest, ob sich ein Agent für diesen Umweg entscheidet oder nicht.
Die obige Formel wird für das globale Routing verwendet. Beim physischen Distanzierungsrouting basiert der Beitrag des einzelnen Agenten zur Dichte auf seinem privaten Kreis anstelle des Körperradius.
Um die Sicherheit der Personen in verschiedenen Szenarien abschätzen zu können, sind neue Arten von Simulationsergebnissen erforderlich, mit denen leicht analysiert werden kann, wie gut die Regeln für die physische Distanzierung eingehalten werden. Beispiele sind proximity maps des simulierten Gebiets, die Orte angeben, an denen die physische Distanz nicht eingehalten wurde, und ein Histogramm, das angibt, wie oft Personen die physische Distanzierungsregel überschreiten.
Eine Grafik, die zeigt, ob die physische Distanz ständig eingehalten wird oder nicht.
Vergleich verschiedener physikalischer Distanzszenarien.
Was können wir allgemein über die Kapazität und den möglichen Personenstrom sagen?
In vielen Fällen ist die Hauptfrage, welche Auswirkungen physische Distanzierung auf die Kapazität und die Personenströme einer Infrastruktur hat. Bei einer statischen Infrastruktur und unter mehreren, vereinfachenden Annahmen können Schätzungen relativ einfach vorgenommen werden. In der Praxis müssen wir uns jedoch mit komplexeren und dynamischeren Situationen auseinandersetzen. Jeder Einzelne sollte genügend Platz haben herumzulaufen, ohne unmittelbar die Regeln für die physische Distanz zu verletzen. Individuelle Merkmale der Menge und der Infrastruktur sollten ebenfalls berücksichtigt werden.
In einer statischen Situation nimmt jeder Agent unter Berücksichtigung der physischen Distanzierung 3,38 m² ein, verglichen mit 0,198 m² in einer normalen Situation. Wir gehen von einer physischen Entfernung von 1,5 Metern, einem durchschnittlichen Agentenradius von 0,239 Metern und einer optimalen Raumfüllung aus, wobei alle aus unterschiedlichen Haushalten stammen.
Erklärung statische Berechnungen
Um einen physischen Abstand von 1,5 Metern einhalten zu können und einen durchschnittlichen Agentenradius von 0,239 Metern anzunehmen, nimmt jeder Agent eine Fläche von A = πr² = 3,073 m² ein, wobei r = 0,989 = 0,239 + 1,5 / 2 der private Radius ist. Denken Sie daran, dass der private Radius gleich dem Körperradius plus der halben physischen Entfernung ist. Sie können jedoch nicht den gesamten Bereich verwenden, wenn Sie ihn mit Kreisen füllen, ohne eine Überlappung zu erzeugen. Der Anteil der von den Kreisen bedeckten Oberfläche ist die Packungsdichte. Die maximale Packungsdichte von Kreisen in der Ebene beträgt bekanntermaßen 0,9069. Dies bedeutet, dass eine Gruppe von Agenten 3,073 / 0,9069 = 3,38 m² benötigt.
Die optimale Raumnutzung für eine stehende Personengruppe bei einer physischen Distanz von 1,5 Metern. Jeder Agent verwendet 3,38 m².
Der Platzbedarf, der für die Einhaltung der Regeln für die physische Distanz in dynamischen Situationen erforderlich ist, in denen Personen herumlaufen, ist viel schwieriger zu bestimmen. Faktoren wie die Gehgeschwindigkeit und die spezifische Geometrie der Infrastruktur wirken sich ebenfalls aus. Dies macht es komplizierter zu schätzen, wie viel Platz jeder Einzelne zu einem bestimmten Zeitpunkt einnehmen wird und welche Personenströme und Geschwindigkeiten erzielt werden können. In diesen Fällen ist eine Crowd-Simulation mit Fußgängern erforderlich, die versuchen, diesen physischen Abstand einzuhalten.
Mit Pedestrian Dynamics® haben wir den maximalen Personenstrom durch Korridore mit unterschiedlichen Breiten untersucht, wobei eine durchschnittliche bevorzugte Gehgeschwindigkeit von 1,35 m/s angenommen wurde. Ohne physische Distanzierung beträgt der Personenstrom durch den Korridor ungefähr 80 Agenten pro m/min. Bei einer physischen Distanz von 1,5 m sind dies etwa 12,5 Agenten pro m/min. Das sind ungefähr 16 % des „normalen“ maximalen Personenstroms in einer unidirektionalen Situation! Bei bidirektionalen Personenströmen fällt sie sogar auf 8 Agenten pro m/min ab. Dies zeigt, dass in praktischen Situationen sowohl die Infrastruktur als auch das Profil der Öffentlichkeit, Schilder und Anweisungen der örtlichen Regierung zur physischen Distanz berücksichtigt werden müssen, um auf eine optimale Lösung hinzuarbeiten.
INCONTROL wird seine Forschungen zur Modellierung der physischen Distanzierung und zur Kalibrierung von Modellen für die physikalische Distanzierung fortsetzen. INCONTROL unterstützt auch Forschungsprojekte, die die Verbreitung des Coronavirus in bestimmten Arten von Infrastrukturen, z. B. Stadtgebiete, Einkaufszentren, (Sport-) Veranstaltungsorte, Krankenhäuser, Bars und Restaurants untersuchen.
Wenn Sie Unterstützung bei der Implementierung der physischen Distanzierung benötigen, Interesse an Forschung in diesem Bereich haben oder mit der Pedestrian Dynamics®-Software einschließlich der physischen Distanzierung arbeiten möchten, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren.