Quantitative description of jam formation in pedestrian streams

• Applicants: Professor Dr. Andreas Schadschneider; Professor Dr. Armin Seyfried
• Subject Area: Traffic and Transport Systems, Intelligent and Automated Traffic ; City Planning, Spatial Planning, Transportation and Infrastructure Planning, Landscape Planning ; Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2013 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 237590515

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Staubildung in Fußgängerströmen beeinträchtigen nicht nur den Komfort der Fortbewegung, sondern stellen auch – auf Grund der damit verbundenen hohen Dichten und der Gefahr der Entstehung von Gedränge – ein potentielles Sicherheitsrisiko dar. Daher ist ein detailliertes Verständnis der Entstehung und Dynamik von solchen Staus erforderlich, z.B. um durch geeignete Maßnahmen die Entstehung von kritischen Zuständen zu vermeiden. Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluss verschiedener Faktoren auf (quasi-)eindimensionalen Bewegungen (entlang eines Korridors) und an Engstellen (“bottlenecks”) quantitativ untersucht. Ein wesentlicher Einflussfaktor, der bisher aus Gründen der Vereinfachung meist ignoriert wurde, sind Inhomogenitäten. Um deren Bedeutung genauer zu verstehen, wurden mehrere Experimenten mit Schüler*innen unterschiedlichen Alters - und damit unterschiedlicher Eigenschaften (Körpergröße etc.) durchgeführt und quantitativ analysiert. Dabei haben wir uns auf zwei wesentliche Szenarien konzentriert: 1) Die Bewegung entlang eines (schmalen) Korridors und 2) Evakuierung aus einem Raum mit einer einzelnen Tür. Diese empirischen Untersuchungen wurden ergänzt durch theoretische Studien auf der Basis von existierenden und neu entwickelten Modellen. Die empirischen Untersuchungen haben einige überraschende Ergebnisse hervorgebracht. Fur die (quasi-)eindimensionale Bewegung hätte man auf Grund der Vorhersagen einfacher Modelle erwartet, dass das Verhalten durch die langsamsten Personen bestimmt wird. Tatsächlich beobachtet man eine Angleichung z.B. der Gehgeschwindigkeiten für niedrige und hohe Dichtebereiche. Lediglich für den Dichtebereich zwischen Freifluss und maximaler Kapazität zeigt sich eine geringe Abweichung bei heterogenen Gruppen. Analoge Aussagen gelten fur die Fluss-Dichte-Beziehung (Fundamentaldiagramm). Auf der theoretischen Seite wurden neue Mechanismen der Entstehung von Stop-and-Go-Wellen gefunden. Hierbei entstehen die Wellen nicht durch einen Phasenübergang, bei dem der homogene Zustand instabil wird, sondern durch ein korreliertes Rauschen in der Geschwindigkeit oder durch eine Vergrößerung der Reichweite der Wechselwirkung. Dieses konnte in den empirischen Ergebnissen explizit nachgewiesen werden. Bei den Evakuierungsexperimenten hat sich der Einfluss von sozialen Gruppen (Familien, Freunde) als besonders interessant herausgestellt. Hier wurden verschiedene Stärken des Zusammenhalts experimentell und theoretisch untersucht. Ein überraschendes Ergebnis ist dabei, dass die Evakuierungszeiten für größere Gruppen kleiner werden. Dies könnte damit zusammenhängen, dass es am Ausgang weniger Konflikte gibt. Zur Vorbereitung der Experimente mit den Schüer*innen wurden spezielle Unterrichtseinheiten entwickelt, die zur Einführung in die Thematik dienten.

Publications

• Jamming transitions in force-based models for pedestrian dynamics, Phys. Rev. E 92, 042809 (2015)
  M. Chraibi, T. Ezaki, A. Tordeux, K. Nishinari, A. Schadschneider, A. Seyfried
  
• Quantitative comparison of estimations for the density within pedestrian streams, J. Stat. Mech. (2015) P06030
  A. Tordeux, J. Zhang, B. Steffen, A. Seyfried
  
• White and relaxed noises in optimal velocity models for pedestrian flow with stop-and-go waves, J. Phys. A 49, 185101 (2016)
  A. Tordeux, A. Schadschneider
  
• Empirical study on social groups in pedestrian evacuation dynamics, Physica A 475, 129 (2017)
  C. von Krüchten, A. Schadschneider
  
• Influence of the number of predecessors in interaction within acceleration-based flow models, J. Phys. A 50, 345102 (2017)
  A. Tordeux, M. Chraibi, A. Schadschneider, A. Seyfried
  
• A representation of partial spatial knowledge: a cognitive map approach for evacuation simulations, Transportmetrica A 14, 433 (2018)
  E. Andresen, M. Chraibi, A. Seyfried
  
• Linking pedestrian flow characteristics with stepping locomotion, Physica A 500, 106 (2018)
  J. Wang, M. Boltes, A. Seyfried, J. Zhang, V. Ziemer, W. Weng
  
• Prediction of pedestrian dynamics in complex architectures with artificial neural networks, J. Intell. Transp. Sys. 1-13 (2019)
  A. Tordeux, M. Chraibi, A. Seyfried, A. Schadschneider
  
• Stop-and-go waves induced by correlated noise in pedestrian models without inertia, J. Traff. Transp. Engin. 7, 52 (2020)
  A. Tordeux, A. Schadschneider, S. Lassarre: