Warum ist die Simulation von Fussgängern wichtig?

Wie wichtig die Personenfluss-Simulation bzw. Fussgängersimulation ist, zeigt sich nicht nur in vielen Anwendungen, wenn Projekte damit erfolgreich umgesetzt werden und dadurch den Ansprüchen mobiler Menschen besser genügen. Leider gibt es Fälle bei denen sich erst im Nachhinein herausgestellt hat, dass die Simulation der Personenströme oder die Umsetzung von daraus abgeleiteten Konsequenzen vergessen wurde. Solche Fälle sind das Unglück bei der Loveparade 2010 in Duisburg oder auch die Massenpanik bei der Hadsch in Mekka in den Jahren 2006 und 2015.

Erste Ansätze der Personenfluss-Simulation mit speziellen Programmen

Zellularautomaten konnten komplexe Systeme und aufwendige Berechnungen vereinfachen, indem sie diese in einzelne, weniger komplexe Komponenten aufteilten.

Sie teilen das Untersuchungsgebiet in ein Zellengitter ein, in dessen einzelnen Elemente die Einflüsse und Kräfte konstant sind. Damit handelte es sich um eine endliche Zustandsmenge, deren Übergänge durch eine endliche Zahl einfach umzusetzender Regeln beschrieben wurden. Jede Zelle besass zu jedem Zeitpunkt genau einen Zustand, der in Abhängigkeit der Zustände der Nachbarzellen bestimmt und in einem konstanten Zeitschritt in den jeweils nächsten übergeführt wurde. Zur Modellierung unterschiedlicher Fussgängerparameter wie z.B. Geschwindigkeiten konnten Zwischenschritte und weitere Regeln eingeführt werden.

Zellularautomaten ermöglichten, wenn die Diskretisierung sinnvoll gewählt wurde, auf weit weniger rechenaufwendige und komplexe Weise die Betrachtung von mehr Eigenschaften als makroskopische Modelle und die schnelle Berechnung grosser Fussgängermengen im Vergleich zu kontinuierlichen mikroskopischen Modellen.

Sie konnten damit grundsätzliche Zusammenhänge wie die die Dichte-Stau- oder die Dichte-Geschwindigkeit-Beziehung aufzeigen.

Die in der Regel viereckigen Zellen haben jedoch methodische Fragen aufgeworfen, weil bei einer Nachbarschaftsrelation, die alle acht Nachbarzellen umfasste, Sonderregeln für diagonale Bewegungen implementiert werden mussten. Schliesslich erforderten die diagonalen Wege längere Schrittweiten als horizontale oder vertikale Bewegungen. Die Reduktion auf vier Nachbarzellen gemäss den horizontalen oder vertikalen Bewegungen steigerte die Nachvollziehbarkeit der Modelle nicht.

Damit standen den Vorteilen der Zellulären Automaten auch Nachteile gegenüber, die letztlich dazu führten, dass solche Modelle kaum mehr verwendet werden.

Agentenbasierte Simulation von Personenflüssen

Universität Würzburg / Lulea

SimWalk

Soziale Kräfte Modell und der Durchbruch der Fussgängersimulation

Die führende Software zur Fussgängersimulation basiert auf dem Social Force Modell nach Prof. Dr. Dirk Helbing. Dieses Modell bildet das menschliche Gehverhalten realistisch und zuverlässig ab. Die mit leistungsstarken Funktionen ausgestattete Softwarelösung kommt immer dann zum Einsatz, wenn es gilt, Fussgängerströme zu simulieren und zu analysieren, sei es im Aussenbereich oder innerhalb von Gebäuden.

Das Simulationsprogramm Viswalk der PTV Group ist dafür konzipiert, um die Bedürfnisse der Fussgänger in Projekten oder Untersuchungen zu berücksichtigen.

Für die multimodale Simulation von Fahrzeugen und Fussgängern wird Vissim mit dem Zusatzmodul Viswalk kombiniert. Damit kann ausgewählt werden, ob die Modellierung von Fussgängern nach dem Verkehrsflussmodell nach Helbing oder nach Wiedemann erfolgen soll.

Simulation von Fussgängern

Im Standard-Verkehrssimulationsprogramm ist neben der Simulation von Fahrzeugen auch standardmässig die Simulationen von Fussgängern auf Basis des Wiedemann- Modells möglich. Für Fragestellungen von mittlerer oder höherer Komplexität vermag diese Art der Fussgängersimulationen keine aussagekräftigen Antworten liefern.

Mit dem Erweiterungsmodul Viswalk werden Fussgänger nach Helbing simuliert.

Bewegung der Fussgänger im Social Force-Modell

Die Bewegung der Fussgänger wird durch das Social Force- Modell bestimmt. Das Grundprinzip des Social Force-Modells ist es, die Bewegungsursache der Fussgänger analog zu Newtons Mechanik mit Kräften zu modellieren. Aus den sozialen, psychologischen und physikalischen Kräften resultiert eine Gesamtkraft, die letztlich den Parameter Beschleunigung ergibt. Diese Kräfte ergeben sich anschaulich aus dem Wunsch des Fussgängers, ein Ziel zu erreichen, aus dem Einfluss von anderen Fussgängern und durch Hindernisse in seiner Umgebung.

Prof. Dr. Dirk Helbing ist wissenschaftlicher Berater der PTV GROUP, die Vissim und Viswalk entwickelt. Gemeinsam mit der PTV GROUP hat Prof. Dr. Dirk Helbing das Social Force- Modell für die Anwendung in Viswalk erweitert. Dieses Simulationsmodell wurde auf drei unterschiedliche Arten validiert:

Zuerst wurden makroskopische Parameter berechnet und mit empirischen Daten abgeglichen. Anschliessend wurde sichergestellt, dass mikroskopische Effekte wie Spurbildung (Gegenstrom) und Streifenbildung (Kreuzung) reproduziert werden. Die resultierende Animation soll möglichst realistisch dargestellt werden.

Das Verhalten von Fussgängern kann hierarchisch in drei Ebenen eingeteilt werden:

• Auf der strategischen Ebene für Minuten bis Stunden plant ein Fussgänger seine Route, indem er eine Liste von Zielen erstellt.
• Auf der taktischen Ebene für Sekunden bis Minuten wählt ein Fussgänger die Route zwischen den Zielen. Dabei berücksichtigt er das Netz.
• Auf der operationalen Ebene für Millisekunden bis Sekunden führt der Fussgänger die eigentliche Bewegung aus. Dabei weicht er entgegenkommenden Fussgängern aus, navigiert durch dichte Menschenmengen oder behält einfach die Richtung auf sein Ziel bei.

Das Social Force-Modell kontrolliert die operationale Ebene und Teile der taktischen Ebene.

In Projekten mit Simulation von Fussgängern werden die Einstellungen für die strategische Ebene gemäss den Angaben des Auftraggebers oder den Erfahrungen des Verkehrsplaners vorgenommen.

Modellierungsbeispiele: Schnellster oder kürzester Weg?

Die simulierten Fussgänger wollen ihren Weg unter dem Aspekt der minimalen geschätzten Restreisezeit und unter Berücksichtigung anderer Fussgänger und von Hindernissen zurücklegen.

Bei der alternativen Methode «Dynamisches Potenzial» werden Fussgänger, die den zeitkürzesten Weg wählen, mit Fussgängern, die den entfernungskürzesten Weg wählen verglichen.

Die Fussgänger versuchen wie die Fahrer von Fahrzeugen, ihre Reisezeit zur Erreichung des Ziels zu minimieren. Dieser Wunsch kann in einigen Situationen alle anderen Aspekte überlagern. Zudem kann die Laufrichtung für den jeweils zeitkürzesten Weg in Sonderfällen nur erschwert ermittelt werden.

Hauptunterschiede zwischen Wiedemann-Modell und Helbing-Fussgänger-Modell

Wenn nach dem Wiedemann- Modell Fussgänger als Fahrzeugtypen modelliert werden, bewegen sie sich nicht frei im Raum sondern entlang benutzerdefinierter Strecken im Netz. Die räumliche Ausprägung ihrer Trajektorien wird damit durch die Eingabedaten für das Modell gebildet und sie sind nicht das Ergebnis der Simulation. Nur der Zeitpunkt, an welchem ein Fussgänger welchen Punkt einer Strecke überquert, wird berechnet und bildet ein Ergebnis.

Nach Helbing können sich Fussgänger frei in zwei räumlichen Dimensionen bewegen. Damit sind ihre Trajektorien nicht vordefiniert, sondern werden vom Modell berechnet. Deshalb ist dieser Ansatz für die Simulation von Fussgängern flexibler, detaillierter und realistischer.

Es gibt jedoch Situationen, in denen das Wiedemann- Modell grundlegende Elemente der Dynamik produziert, beispielsweise Projekte, in denen Fussgänger keine andere Funktion haben als an signalisierten Kreuzungen Störungen des Fahrzeugverkehrs zu verursachen.

Evakuierung

Die Fussgängersimulationsprogramme bieten teilweise spezielle Funktionen für die Evakuierungsmodellierung und -simulation. Dynamische Gefahrenauslösung während der Simulationslaufzeit ermöglicht die realistische Auswertung von Notfallstrategien für die von einem Vorfall Betroffenen.

Die Evakuierungssimulation ist eine der frühesten Anwendungen der Fussgängersimulation mit einer eigenen Dynamik und eigenen Verhaltensweisen. Im Falle einer plötzlichen Explosion oder eines Brands können Evakuierungsfunktionen genutzt werden, mit denen Notfälle präzise simuliert werden können. Dazu gehören die zeitgestempelte Auslösung von Gefahren, die unmittelbare Reaktion der Insassen bei Ereignissen wie Explosionen oder Bränden, die Umstellung der Strassenwahl auf Notfalleingriffe wie Schliessen oder Öffnen von Türen. Für jeden Insassen können die Austrittszeit und andere wichtige Evakuierungsparameter (beispielsweise Dichte und Geschwindigkeiten) gemessen werden.

Bahnhöfe

Mit Simulationssoftware kann das effiziente und sichere Passieren der ÖV-Kunden durch Bahnhöfe und Umsteigebereiche gewährleistet werden, indem das Design und der Betrieb auf allen Ebenen analysiert und optimiert werden. Die Bewertung von Engpässen, das optimale Ein- und Aussteigen sowie Verweilzeiten und optimierte Fahrpläne sind Anforderungen an Simulationslösungen.
Bahn-, Metro- und Busbahnhöfe sind aufgrund der steigenden Passagiernachfrage zunehmend Kapazitätsproblemen ausgesetzt. Effiziente Verbindungen und realistische Umsteigezeiten, Verweilzeiten von Schienenfahrzeugen sowie optimierte Fahrpläne werden bei Kapazitätsbeschränkungen für betroffene Fahrgäste gefährdet.

Flughäfen

Eine ungenügende Passagieranalyse und -steuerung in Flughänfen kann Verspätungen und Staus an den Check-ins, an den Gates sowie bei Pass- und Sicherheitskontrollen verursachen. Mit einer integrierten Simulationslösung können alle passagierbezogenen Prozesse optimiert werden.

Wichtig ist die realistische Modellierung von Passagierbewegungen in existierenden oder geplanten Flughafenterminals. Simulationssoftware ermöglicht die Analyse von Passagierkapazitäten in allen Flughafenbereichen, von den Check-ins über Warte- und Transferräumen zur Gepäckausgabe und zu den Sicherheitskontrollen.

Die Verbindung der Kundenzufriedenheit mit Sicherheits-, Kosten- und Effizienzaspekten sowie einer stark variierenden Kapazitätsbelastung stellt die Verantwortlichen bei der Planung und dem Betrieb von Flughäfen zunehmend vor Probleme. Die Gewährleistung von effizienten Check-ins oder Boarding-Prozessen im Einklang mit optimierten Flugplänen wird immer schwieriger.

Eine Herausforderung für die Terminal- und Betriebsplaner liegt in der realistischen Modellierung und Analyse des Passagierbetriebs, der durch das Terminaldesign eingeschränkt ist.

Für eine realistische Simulation aller relevanten Passagierströme am Flughafen gilt es die folgenden Bereiche unter schwankenden Belastungen zu untersuchen: Abflug, Check-In, Boarding-Gate, Anflug, Passkontrolle, Gepäckausgabe, Zoll etc.

Flughäfen stellen in der Regel Umsteigepunkte zwischen unterschiedlichen Modi dar. Daher kann es sinnvoll sein, den Simulationsperimeter auszudehnen und z.B. die Anreise per Zug und Bus mit in die Simulation einzubeziehen. Insbesondere für die Abbildung von Lastspitzen im Abflug-Bereich kann die Integration von strassen- und schienengebundenem ÖV von Bedeutung sein, weil es ja nach ÖV-Fahrplan zu Lastspitzen bzw. Wellen mit hohen Fussgängerdichten kommen kann, die durch die Abflugprozesse am Flughafen gleitet werden müssen.

Eine umfassende Simulation beinhaltet daher auch die intermodale Dynamik von Bahn-, Metro- und Busstationen, über welche die Passagiere zum Flughafen kommen.

Als weiterer Anwendungsfall kann die Simulation helfen, Kommerzflächen, Verkaufsbereiche, Standorte von Plakaten und von Informationssystemen so anzuordnen, dass keine Stauungen der Passagierströme entstehen, die jeweilige Lage aber dennoch möglichst attraktiv für die Fussgänger und zugleich auch wirtschaftlich attraktiv sind.