Simulation von Fußgängern

Fußgänger im Modell

Gregor Lämmel vom Fachbereich Verkehrssystemplanung und Verkehrstelematik der TU Berlin will wissen, wie Menschen sich fortbewegen: Er arbeitet an Computermodellen, die das Verhalten von Fußgängern simulieren. Philipp Hummel sprach für unseren Podcast mit dem Informatiker. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Audiobeitrag
Gregor Lämmel von der TU Berlin über die Simulation von Fußgängern und anderen Verkehrsteilnehmern.

Ein einfaches Beispiel für eine Simulation von Fußgängern besteht aus zwei Gruppen von Menschen, die in einem schmalen Gang aufeinander zugehen und sich aneinander vorbeidrängen. 

Gregor Lämmel: „Wenn man sich das einfachste Modell vorstellt, dann sieht das Ganze ein bisschen chaotisch aus: Beide Gruppen kommen nicht so richtig gut durcheinander durch. Denn im einfachen Social-Force-Modell versuchen die Agenten nicht sich explizit auszuweichen. Stattdessen laufen sie stur aufeinander zu – bis es nicht mehr weiter geht – und dann passiert es irgendwann mal, dass sie sich sozusagen aneinander vorbeischieben“ 

Diese „Social Force“, also eine Art soziale Wechselwirkung zwischen den Fußgängern, basiert auf einfachen Gleichungen, die sich die Verkehrsplaner aus der Physik geborgt haben. Kommt ein Fußgänger einem Hindernis, zum Beispiel einem anderen Fußgänger zu nah, wirken in dem Modell abstoßende Kräfte zwischen den beiden. 

„Wir haben eine Kraft, die mich vorwärts schiebt. Kommt mir nun jemand entgegen und schiebt mich etwas zu Seite, dann ist auch das eine Kraft. Im Modell wird diese auf meine Vorwärtskraft addiert – also einfache Vektoraddition – und daraus ergibt sich dann eine resultierende Kraft. Schlussendlich wird aus der resultierenden Kraft eine Beschleunigung berechnet – Kraft ist Masse mal Beschleunigung – und dann können wir aus der Beschleunigung wieder eine neue Geschwindigkeit des Agenten berechnen.“

Diese Herleitung aus der Physik, das sogenannte Social-Force-Modell, ist gut verstanden. Die Ergebnisse der Simulationen vergleichen die Forscher mit realen Daten – auf diese Weise können sie das Modell kalibrieren. Zudem bedarf das Social-Force-Modell keiner großen Rechenleistung: Gregor Lämmel kann damit problemlos mehrere hundert Fußgänger gleichzeitig simulieren. 

TU BerlinComputersimulation
Um das Verhalten von Fußgängern zu simulieren, lassen die Forscher in ihren Rechnern zwei Gruppen von virtuellen Menschen aufeinandertreffen.

„Zumindest im reinen Social-Force-Modell könnte man den Menschen als ein soziales Atom betrachten. Im zweiten Modell, in dem die Agenten explizit versuchen Kollisionen auszuweichen, steckt allerdings schon ein bisschen mehr Intelligenz in den Agenten drin.“

In diesem erweiterten Modell berechnen die einzelnen Agenten, so nennen Verkehrsplaner ihre simulierten Fußgänger oder Fahrzeuge, im Voraus wann und wo eine Kollision mit einem anderen Agenten droht. Diesem Punkt im Raum versucht der Agent dann auszuweichen. 

„In diesem Modell ergibt sich ein komplett anderes Muster: Man sieht, dass es zu einer sogenannten Spurbildung kommt. Die beiden Gruppen gehen aufeinander zu und dann bilden sich Spuren, die aneinander vorbeilaufen. Dadurch sieht das Ergebnis deutlich realistischer aus.“ 

Die Simulationen lassen sich aber nicht nur auf Gruppen von Fußgängern anwenden. Gregor Lämmel und seine Kollegen arbeiten im Moment an einem Modell zur Evakuierung des Hamburger Stadtteils Wilhelmsburg. Bei einer Sturmflut am 16. Februar 1962 kamen auf der Insel in der Elbe 172 Menschen ums Leben. Die Verkehrsplaner wollen den Einsatzleitern vor Ort ein Softwarepaket anbieten, mit dem sich im Vorfeld Evakuierungsszenarien entwickeln lassen. Im Ernstfall ließen sich mithilfe der Software auch die vermutlich besten Fluchtrouten aus aktuellen Daten ermitteln. 

„Dann kann man zum Beispiel schauen, was passiert, wenn man eine Straße sperrt. Füttert man das Modell mit aktuellen Bevölkerungsdaten lässt sich auch berechnen, wie lange eine Evakuierung in konkreten Situationen dauern würde. Allerdings wird es nicht so sein, dass das Modell entscheidet, wann und wohin evakuiert wird. Es wird immer nur ein entscheidungsunterstützendes System sein.“ 

Eine besondere Herausforderung stellt die Simulation der verschiedenen Verkehrsinfrastrukturen dar. Fußgänger, Autos, Busse und Bahnen müssen in das Modell integriert werden. 

„Hamburg-Wilhelmsburg hat um die 30.000 Einwohner, wobei man im Fall von Familien mit Autos nicht die einzelnen Personen, sondern die Autos rausbringen muss. In dem Stadtteil gibt es zwei S-Bahn-Stationen, von dort würden Sonderzüge fahren, zudem würden Evakuierungsbushaltestellen eingerichtet. Das Busfahrunternehmen in Hamburg ist auch integriert in die Planung – das heißt, im Fall einer Sturmflut kommt ein Anruf in die Zentrale des Busunternehmens und man stellt dann die Busse bereit und fährt die Leute raus.“

Fußgänger im ModellComputersimulation
In einem erweiterten Modell berechnen die virtuellen Fußgänger im Voraus, wann eine Kollision mit einem anderen Agenten droht.

Zwar wäre es theoretisch möglich, alle Verkehrsteilnehmer mit einem Social-Force-Modell zu berechnen. Dadurch würde der Rechenaufwand aber enorm steigen. 

„Das Social-Force-Modell funktioniert vielleicht ganz gut für 2000 Agenten, aber garantiert nicht für 30.000. Ein Simulationsmodell, das für Straßen und Autos gut geeignet ist, ist das sogenannte Warteschlangenmodell. In diesem Modell wird nur sehr grobskalig simuliert. Der zentrale Parameter: Wie viele Autos können pro Zeit auf einer Straße entlangfahren? Zum Beispiel weiß man von einer bestimmten Straße, dass aufgrund der Breite und der Anzahl der Spuren nicht mehr als 1200 Autos pro Stunde auf ihr fahren können.“

Um die Rechenzeit möglichst kurz zu halten, wenden die Wissenschaftler eine Kombination aus mehreren Modellen an: Verschiedene Teile im Stadtgebiet werden – je nach Bedarf – unterschiedlich genau simuliert.

„Während man Autos mit dem Warteschlangenmodell simuliert, will man Fußgänger, die zu einer S-Bahn-Station gehen, vielleicht mikroskopisch genau simulieren, weil in diesem Fall entscheidend ist, wie breit die Treppen sind und wie lange die Evakuierung dann dauert.“ 

Das Fernziel der Verkehrsplaner sind Simulationen in Echtzeit. So könnte aus aktuellen Daten ein Verkehrsleitsystem entstehen, das mitdenkt. 

„Es gibt durchaus die Möglichkeit, Verkehrsschilder oder Fahrbahnrichtungen dynamisch zu steuern. Das funktioniert natürlich nur, wenn man einen Feedbackkanal hat – man muss also die konkrete Situation vor Ort kennen. Das ist schon eine sehr große Herausforderung und liegt noch in sehr weiter Zukunft.“