Modelling and Simulation of Building Evacuation in Emergency Conditions -- An Agent Based Approach

Jürgens-Ortega, Alicia Guadalupe

Evakuierung (vom lateinischen Wort ``evacuare") beschreibt die Bewegung von Menschen weg von einer Gefährdung. Generell sind Evakuierungen komplex in ihrer Dynamik. Dies liegt begründet in der Individualität von menschlichen Reaktionen innerhalb von Menschenmengen. Für die Gewährleistung der Sicherheit von Personen innerhalb von Gebäuden ist die Evakuierungszeit, unabhängig von der Art einer Notsituation, von entscheidender Bedeutung. Die Umsetzung baulicher Standards mit Bezug auf Evakuierungszeiten führt in der Praxis zu Modifikationen an Architektur und Material neuer Gebäude. Modifikationen an historischen Gebäuden können hingegen aufgrund von Denkmalschutzbestimmungen modernen Sicherheitsstandards nicht genüge tragen. Zusätzlich dazu decken allgemeine Sicherheitsregulierungen nicht alle Aspekte ab, die erforderlich sind, um fatale Vorfälle auf Grund von Evakuierungen zu vermeiden. In diesem Sinne ist die Untersuchung der Dynamik von Evakuierungen für die Reduktion solcher fatalen Ereignisse von großer Bedeutung. Die vorliegende Arbeit präsentiert ein mathematisches Modell für die Beschreibung des dynamischen Verlaufs von kontrollierten Evakuierungen, welches auf visueller Wahrnehmung basiert. Das Modell des für diese Arbeit entwickelten Objekt-orientierten Simulators PerPedES (Perceiving Pedestrian Evacuation Simulator) beschreibt die globale Dynamik einer Evakuierung auf Basis von individuellen Zuständen einzelner Modellfußfänger. Die Laufrichtung und Geschwindigkeit dieser Modellfußfänger wird auf Basis eines Modells für visuelle Wahrnehmung ermittelt, welches ein modifiziertes ray-tracing verwendet. Innerhalb von PerPedES wird ein individuelles Kriterium für Bewegungsentscheidungen eingesetzt, welches von psychologischen Betrachtungen motiviert ist. Die aus Simulationen resultierenden Laufwege weisen ähnliche Charakteristika auf, wie in der Literatur dokumentiert. Nachvollzogen werden konnten insbesondere Bogen- und Schlangenformierungen, Verstopfungseffekte und Überholmanöver sowie Kollisionsvermeidung. Im Kontext der Risikoreduktion in Gebäudeumgebungen wurde eine Fallstudie durchgeführt, welche die Vulnerabilität von Besuchern der Uffizi Gallery in Florenz untersucht. Dabei wurden sowohl mittlere Evakuierungszeiten, als auch statistische Verteilung der Laufgeschwindigkeiten während einer Evakuierung und Wegspuren berechnet.

Evacuation (from Latin ``evacuare'') is the expression which refers to the movement of people getting away from the source of hazard. In general, evacuations are complex in their dynamics due to the variation of the behavioural responses of individuals as part of evacuating crowds. Independent of the type of emergency, evacuation times are a common design measure for guaranteeing personal integrity for people inside of buildings. The accomplishment of design standards regarding evacuation times leads in practise to modifications of architectural design and construction materials of new buildings. Modifications in historic buildings are in contrary limited due to their cultural significance and difficulty of adaptation to modern safety standards. In addition to this, general safety regulations do not cover all aspects required for preventing fatal incidents due to evacuations. In this sense, the study of evacuation dynamics is relevant to the reduction of risk of fatal events. The present thesis proposes a mathematical model for the description of the behavioural dynamics of controlled evacuations based on visual perception. The object-oriented model of PerPedES (Perceiving Pedestrian Evacuation Simulator), which was developed for this thesis, describes the global dynamics of an evacuation by means of individual rules. Walking direction and speed of the modelled pedestrians are obtained based on information derived from a model for visual perception utilising a modified ray-tracing. Within PerPedES, an individual criterion for moving decision motivated by psychological considerations is introduced. The resulting traces of simulated evacuations present similar characteristics to motion patterns described in literature. In particular, arch- and lane-formations, clogging-effect, overtaking- and collision-avoidance manoeuvres. Within the context of risk reduction in the built environment, the presented behavioural model is applied in a case-study. In particular, for the analysis of the vulnerability of the occupants of the Uffizi Gallery in Florence, when pursuing an evacuation. In this thesis, mean evacuation times and individual walking speeds were computed together with the evacuation traces left by the occupant.

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Jürgens-Ortega, Alicia Guadalupe: Modelling and Simulation of Building Evacuation in Emergency Conditions -- An Agent Based Approach. 2010.

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