DE102009059892A1 - Device and method for the dynamic adaptation of simulators of person and object streams as a basis for a forecasting tool with human-machine interaction - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung beruht auf einen Simulator mit zellulären Zustandsautomaten. Es soll eine Simulation von Objektströmen insbesondere Personenströmen möglichst realistisch geschaffen werden. Insbesondere soll dynamisch auf Situationsveränderungen reagiert werden können. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, das eine Wegewahl, eine Zielwahl und/oder Teilcheneigenschaften abhängig von einem Ereignis, zeitlich oder räumlich festgelegt oder zufallsgesteuert einerseits mittels der Ansteuereinrichtung (7) und der Rechnereinrichtung (9) oder andererseits mittels der Ansteuereinrichtung (7) und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (8) dynamisch angepasst werden.The present invention is based on a simulator with cellular state machines. A simulation of object flows, in particular flows of people, should be created as realistically as possible. In particular, it should be possible to react dynamically to changes in the situation. The invention is characterized in that a route selection, a destination selection and / or particle properties depending on an event, fixed in time or space or randomly controlled on the one hand by means of the control device (7) and the computer device (9) or on the other hand by means of the control device (7) and a man-machine interface (8) can be dynamically adapted.
Description
Die Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs und Verwendungen gemäß den weiteren Nebenansprüchen.The present invention relates to a device according to the preamble of the main claim, and a method according to the preamble of the independent claim and uses according to the additional claims.
Überall wo Personen oder Objekte geballt auftreten, entstehen massentypische Phänomene. Einige dieser Phänomene gefährden die Sicherheit für Leib und Leben, etwa wenn bei einem Rock-Konzert Menschen zu Tode getrampelt werden. Andere Phänomene bedürfen geeigneter Lenkungsmaßnahmen, um Abläufe in technischer und ökonomischer Sicht effizient zu gestalten. Hierzu zählen etwa Evakuierungen eines Geländes nach einer Massenveranstaltung, beispielsweise in einem Fußballstadion und in dessen Umfeld, oder die Lenkung des Straßenverkehrs zu Hauptverkehrszeiten.Wherever people or objects appear concentrated, mass-typical phenomena arise. Some of these phenomena endanger the safety of life and limb, such as when people are trampled to death at a rock concert. Other phenomena require appropriate steering measures to make processes efficient from a technical and economic point of view. These include evacuations of a site after a mass event, such as in a football stadium and its surroundings, or the steering of the road at peak hours.
Herkömmlicher Weise existieren einige Ansätze, insbesondere Personen- und Autoströme zu simulieren. Die bekannten Ansätze beinhalten jedoch keine überzeugenden Methoden, um dynamisch auf Situationsveränderungen zu reagieren.Conventionally, there are some approaches, in particular to simulate passenger and car flows. The known approaches, however, do not include convincing methods to respond dynamically to changes in the situation.
Beispielsweise für Personenströme, wenn ein Feuer ausbricht oder Fluchtwege geöffnet werden. Bisherige Objekt- und Personenstromsimulatoren basieren auf einer Initialen Situations-, Topologie- und Parametervorgabe, die während der Simulation nicht mehr variiert werden kann. Selbst das Verhalten von anderen Personen wird lediglich lokal betrachtet, im allgemeinem am Umkreis kleiner 10 Meter. Eine dynamische Adaption des Personenverhaltens und der Simulation auf interessante Längenskalen größer 10 Meter findet praktisch nicht statt, beispielsweise werden Staus nicht erkannt und können somit auch nicht umgangen werden.For example, for streams of people when a fire breaks out or escape routes are opened. Previous object and personal current simulators are based on an initial situation, topology and parameter specification, which can not be varied during the simulation. Even the behavior of other people is considered only locally, generally at the perimeter of less than 10 meters. A dynamic adaptation of the person behavior and the simulation to interesting length scales larger than 10 meters practically does not take place, for example, jams are not recognized and thus can not be bypassed.
Es sind diesseits keine herkömmlichen Lösungen des Problems bekannt.There are no known conventional solutions to the problem on this side.
Ein Personenstromsimulator berechnet die zeitlich und räumlich gesehen nächste Position einer Person anhand von mathematischen Verfahren und damit anhand von festen Vorschriften, die menschliche Verhaltensmuster nachahmen sollen. Hier sind verschiedene Modelle aus dem Bereich der Mikro- bzw. Makromodellierung im Einsatz, und zwar von Verfahren basierend auf partiellen Differenzialgleichungen bis hin zu Verfahren basierend auf zellulären Automaten.A pedestrian simulator calculates the next position of a person in terms of time and space using mathematical methods and thus using fixed rules that are intended to mimic human behavioral patterns. Here, various models from the field of micro- or macro-modeling are used, ranging from methods based on partial differential equations to methods based on cellular automata.
In allen diesseits bekannten Realisierungen sind diese Verfahren statisch. Methoden bezüglich einer dynamischen Adaption durch interaktiven Eingriff von außen in die Simulation, beispielsweise die Möglichkeit zu einem gewissem Zeitpunkt Türen zu öffnen, oder ein adaptives Verhalten der Personen auf intrinsische Signale, das heißt künstliche Intelligenz, beispielsweise eine Modifikation der Wegewahl aufgrund von entstehenden Staus, sind in herkömmlichen Objekt- und Personenstromsimulationen nicht realisiert oder vorgesehen. Der Stand der Technik sieht keine dynamische Anpassung in Objekt- und Personenstromsimulatoren auf Eingriffe von außen vor.In all known realizations, these methods are static. Methods relating to dynamic adaptation by interactive external intervention in the simulation, for example the possibility of opening doors at a certain time, or an adaptive behavior of the persons to intrinsic signals, that is to say artificial intelligence, for example a modification of the routing due to arising congestion, are not realized or provided in conventional object and pedestrian simulations. The prior art does not provide for dynamic adaptation in object and pedestrian simulators to outside intervention.
Ein häufig gewählter Ansatz von Personenstromsimulationen sind Vorrichtungen und Verfahren basierend auf zellulären Zustandsautomaten. Hierbei wird ein Gebiet, beispielsweise ein Straßenzug, mit einem Zellgitter überzogen. Es sind beispielsweise hexagonale Gitter oder quadratische Zellen gebräuchlich. Jede Zelle kann verschiedene Belegungszustände einnehmen, etwa gefüllt und zwar mit einem Hindernis, oder besetzt durch eine Person, oder leer. Derartige Zustände werden über Regelsätze oder Automaten im Zeitverlauf aktualisiert. Folgende Untermodelle und ihre Interaktion beinhalten die Kernideen dieses Automaten:
- – ein Zielmodell legt fest, wie sich Teilchen/Personen auf ein Ziel zu bewegen;
- – ein Modell zu Teilchen- oder Personenbewegungen legt fest, wie sich Teilchen/Personen untereinander verhalten;
- – ein Hindernismodell definiert, wie sich Teilchen/Personen um Hindernisse bewegen.
- A target model determines how particles / people move towards a target;
- - a model of particle or person movements determines how particles / persons behave with each other;
- - An obstacle model defines how particles / people move around obstacles.
Bewährt ist hierbei nun ein Ansatz, der bekannte Mechanismen aus der Physik der Elektronik nachahmt. In der Formulierung wird dies über Potenzialfelder realisiert.Proven here is an approach that mimics well-known mechanisms from the physics of electronics. In the formulation this is realized via potential fields.
Ziele ziehen Teilchen/Personen an, wie eine positive Ladung Elektronen anzieht. Die Stärke des Potenzialfeldes wird am Stand der Technik bestimmt als Funktion des euklidischen Abstands der Personen/des Teilchens zum Ziel.Targets attract particles / persons as a positive charge attracts electrons. The strength of the potential field is determined in the prior art as a function of the Euclidean distance of the person / particle to the target.
Teilchen/Personen stoßen sich gegenseitig ab, wie Elektronen sich untereinander abstoßen. Die Stärke des Potenzialfeldes wird herkömmlicher Weise bestimmt als Funktion des euklidischen Abstands der Personen/der Teilchen untereinander.Particles / people repel each other as electrons repel each other. The strength of the potential field is conventionally determined as a function of the Euclidean distance of the persons / particles from each other.
Hindernisse stoßen Teilchen/Personen ab, wie eine negative Ladung Elektronen abstößt. Die Stärke des Potenzialfeldes wird herkömmlicher Weise bestimmt als Funktion des euklidischen Abstandes der Person/des Teilchen zum Hindernis.Obstacles repel particles / persons as a negative charge repels electrons. The strength of the potential field is conventionally determined as a function of the Euclidean distance of the person / particle to the obstacle.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von sich in einem räumlichen Gebiet der Vorrichtung bewegenden Teilchen insbesondere beruhend auf zellulären Zustandsautomaten bereitzustellen. Es soll eine Simulation von Objektströmen insbesondere Personenströmen möglichst realistisch geschaffen werden. Es soll insbesondere dynamisch auf Situationsveränderungen reagiert werden können. Es soll aufbauend auf dem Stand der Technik eine Vorrichtung und ein Zusatzverfahren bereit gestellt werden, das den vorstehend genannten herkömmlichen Mangel behebt. Es soll sich ein deutlich verbessertes Gesamtverhalten von Teilchenströmen ergeben, also ein korrektes Abbild tatsächlichen Verhaltens. Mittels erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren sollen Steuerimpulse zu einer Leitzentrale zur Steuerung von Gebäudeelementen erzeugt werden.It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for generating particles moving in a spatial area of the apparatus, in particular based on cellular state machines. It is supposed to be a simulation of object streams In particular, flows of people are created as realistically as possible. In particular, it should be able to react dynamically to changes in the situation. Based on the state of the art, an apparatus and an additional method are to be provided which overcomes the aforementioned conventional deficiency. It should result in a significantly improved overall behavior of particle flows, so a correct image of actual behavior. By means of devices and methods according to the invention, control pulses are to be generated to a control center for controlling building elements.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.The object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.
Die Erfindung fokussiert auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Generierung von Strömen von Teilchen. Die Erfindung betrifft Teilchenströme von beliebigen beweglichen Teilchen. Derartige Teilchen können beispielsweise Metallkugeln sein. Diese Teilchen können beispielsweise Personen, Personen auf Fortbewegungsmitteln, wie Fahrrädern oder Kraftfahrzeugen, oder ebenso können diese Teilchen Tiere darstellen.The invention focuses on an apparatus and method for generating streams of particles. The invention relates to particle flows of any mobile particles. Such particles may be, for example, metal spheres. These particles may be, for example, persons, persons on means of transportation, such as bicycles or motor vehicles, or likewise, these particles may represent animals.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von mittels einer ersten Erfassungseinrichtung erfassten Bewegungen von Teilchen auf einem räumlichen Gebiet der Vorrichtung bereitgestellt, wobei das Gebiet mit einem Zellgitter überzogen ist und jede Zelle verschiedene Belegungs- und Gesamtpotenzialzustände einnehmen kann, die mittels einer Rechnereinrichtung und einer Ansteuereinrichtung eingestellt und Zeitverlauf aktualisiert werden, wobei jeder Zelle ein Zielpotenzial zugeordnet ist, das festlegt, wie Teilchen von einem Ziel angezogen werden, und ein Hindernispotenzial zugeordnet ist, das festlegt wie Teilchen von einem Hindernis abgestoßen werden, und wobei jeden Teilchen ein Teilchenpotenzial zugeordnet ist, wobei ein Gesamtpotenzial in einer Zelle sich aus den Werten des Zielpotenzials und des Hindernispotenzials in der Zelle und den Teilchenpotenzialen von mittels der ersten Erfassungseinrichtung erfassten Teilchen in Nachbarzellen der Zelle zusammensetzt, und Teilchen ausgehen von einer jeweiligen Startzelle jeweils von einer Zelle in eine Nachbarzelle mit einem geringsten Gesamtpotenzial wechseln. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Wegewahl, eine Zielwahl und/oder Teilcheneigenschaften abhängig von einem Ereignis, zeitlich oder räumlich festgelegt oder zufallsgesteuert einerseits mittels der Ansteuereinrichtung und der Rechnereinrichtung oder andererseits mittels der Ansteuereinrichtung und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle dynamisch angepasst werden.According to a first aspect, there is provided a device for generating motions of particles detected in a spatial area of the device by means of a first detection device, the area being covered by a cell grid and each cell being able to occupy different occupancy and total potential states by means of a computer and to update timing, wherein each cell is assigned a target potential, which determines how particles are attracted by a target, and an obstacle potential that determines how particles are repelled by an obstacle, and wherein each particle has a particle potential associated with it in which a total potential in a cell is composed of the values of the target potential and the obstacle potential in the cell and the particle potentials of particles detected by the first detection means in neighboring cells of the cell, and d Particles emanate from a respective start cell in each case from one cell to a neighboring cell with a lowest total potential change. The invention is characterized in that a routing, a destination selection and / or particle properties depending on an event, temporally or spatially fixed or randomly controlled on the one hand by means of the control device and the computer device or on the other hand dynamically adjusted by means of the control device and a man-machine interface ,
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung von Teilchenströmen bereitgestellt, mit den Schritten, Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem räumlichen und einem Zellgitter überzogenem Gebiet, wobei jede Zelle verschiedene Belegungs- und Gesamtpotenzialzustände einnimmt, die mittels einer Ansteuereinrichtung und einer Rechnereinrichtung eingestellt werden, wobei jeder Zelle ein Zielpotenzial zugeordnet ist das festlegt, wie Teilchen von einem Ziel angezogen werden, und ein Hindernispotenzial zugeordnet ist, das festlegt wie Teilchen von einem Hindernis abgestoßen werden, und wobei jedem Teilchen ein Teilchenpotenzial zugeordnet ist, wobei ein Gesamtpotenzial in einer Zelle sich aus den Werten des Zielpotenzials und des Hindernispotenzials in der Zelle und den Teilchenpotenzialen von mittels einer ersten Erfassungseinrichtung erfassten Teilchen in Nachbarzellen der Zelle zusammensetzt; Positionieren von Teilchen an jeweiligen Startzellen, wobei die Teilchen jeweils von einer Zelle in eine Nachbarzelle mit einem geringstem Gesamtpotenzial wechseln; Erfassen der Positionen der Teilchen mittels der ersten Erfassungseinrichtung; Aktualisieren der Gesamtpotenzialzustände mittels der ersten Erfassungseinrichtung, der Rechnereinrichtung und der Ansteuereinrichtung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Wegewahl, eine Zielwahl und/oder Teilcheneigenschaften abhängig von einem Ereignis, zeitlich oder räumlich festgelegt oder zufallsgesteuert einerseits mittels der Ansteuereinrichtung und der Rechnereinrichtung oder andererseits mittels der Ansteuereinrichtung und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle dynamisch angepasst werden.According to a second aspect, there is provided a method of generating particle streams, comprising the steps of providing a device having a spatial and cell gridded region, each cell occupying different occupancy and total potential states set by means of a driver and computer means Each cell is assigned a target potential that determines how particles are attracted to a target, and an obstacle potential is assigned that determines how particles are repelled by an obstacle, and where each particle has a particle potential, with a total potential in a cell the values of the target potential and the obstacle potential in the cell and the particle potentials of particles detected by a first detecting means in neighboring cells of the cell; Positioning particles at respective start cells, each particle changing from one cell to a neighboring cell having a lowest total potential; Detecting the positions of the particles by means of the first detection means; Updating the total potential states by means of the first detection device, the computer device and the drive device. The method is characterized in that a routing, a destination selection and / or particle properties depending on an event, temporally or spatially fixed or randomly controlled on the one hand by means of the control device and the computer device or on the other hand dynamically adjusted by means of the control device and a human-machine interface ,
Gemäß einem dritten und vierten Aspekt erfolgt eine Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Simulation und/oder Steuerung von Objektströmen, Personenströmen oder Tierbewegungen.According to a third and fourth aspect, an apparatus or method according to the present invention is used to simulate and / or control object streams, streams of people or animal movements.
Eine Erfassungseinrichtung kann eine optische Erfassungseinrichtung, beispielsweise eine Kamera, sein.A detection device may be an optical detection device, for example a camera.
Belegungszustände können sein: Mit Teilchen, Hindernis, Ziel oder Quelle belegt oder frei davon.Occupancy states can be: occupied or free of particles, obstacle, target or source.
Teilchen können beispielsweise Metallkugeln sein. Teilchen können beispielsweise elektrisch negativ geladene Metallkugeln sein. Teilchen können stellvertretend als Personen oder Tiere angenommen sein. Teilchen stellen damit allgemein Objekte dar.Particles may be, for example, metal spheres. Particles may be, for example, electrically negatively charged metal spheres. Particles may be assumed to represent persons or animals. Particles thus generally represent objects.
Eine dynamische Adaption des Verhaltens einzelner Objekte, insbesondere von virtuellen Personen und somit von Personenströmen, wird bereitgestellt um virtuelle Erfahrungen in einem interaktiven Trainings-Prognosetool sammeln zu können.A dynamic adaptation of the behavior of individual objects, in particular of virtual persons and thus of streams of people, is provided in order to be able to collect virtual experiences in an interactive training forecasting tool.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein dynamischer Eingriff in Person- und Objektsimulation bereitgestellt und es werden geeignete Ansätze der dynamischen Anpassung der Vorrichtung und des Verfahrens auf solche Eingriffe beansprucht. Es werden insbesondere Verfahren, um dynamische Reaktion auf äußere Einflüsse in einer Simulation zu integrieren, beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden damit prinzipiell die Entwicklung von Trainingssimulatoren zur besseren Planung und Kontrolle von Menschenströmen in Infrastrukturen und bei Massenveranstaltungen ermöglicht. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Prognosetool mit Mensch-Maschine-Interaktion bereitgestellt werden. In accordance with the present invention, dynamic intervention in person and object simulation is provided and appropriate approaches for dynamically adapting the device and method to such procedures are claimed. In particular, methods for integrating dynamic response to external influences in a simulation are described. In accordance with the present invention, the development of training simulators for better planning and control of streams of people in infrastructures and mass events is thus made possible in principle. In accordance with the present invention, a human-machine interaction prediction tool may be provided.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dynamisch in die Simulation von Person- und Objektströmen eingegriffen werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Eingriffe interaktiv über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle erfolgen, innerhalb eines Simulators nach einem gewissen Schema injiziert werden, oder zufallsgesteuert sein. Eine solche Adaption kann
- – von außen durch ein Ereignis gesteuert werden, und zwar insbesondere interaktiv über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle beispielsweise durch ein Signal zur Evakuierung oder einem Öffnen von Türen;
- – innerhalb eines Modells, nach einem gewissen Schema – etwa einer bestimmten Zeit oder in einem bestimmten Bereich – injiziert werden, beispielsweise durch die Einfahrt eines Zuges oder eine Öffnung von Türen gemäß einem vorgegebenem Fahrplan;
- – zufallsgesteuert sein.
- Be controlled externally by an event, in particular interactively via a man-machine interface, for example by a signal for evacuation or opening of doors;
- - be injected within a model, according to a certain scheme - such as a certain time or in a specific area - for example by the entry of a train or opening of doors in accordance with a given timetable;
- - be random.
Um dies sinnvoll durchführen zu können, werden dynamische Anpassungen an drei Hauptelementen eines Modells für eine Bewegung von Teilchen bzw. Personen vorgesehen:
- – Adaptive Wegewahl, und zwar über eine Neuinitialisierung von Navigationsfeldern oder Neusetzen von Zwischenzielen;
- – Adaptive Zielwahl;
- – Adaptive Personeneigenschaften.
- Adaptive routing, via reinitialization of navigation fields or re-setting of intermediate destinations;
- - Adaptive targeting;
- - Adaptive person characteristics.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die realistische Simulation von Teilchenströmen bzw. Personenströmen bei gleichzeitiger Berücksichtigung einer dynamischen Anpassung der Teilchenströme bzw. Personenströme, wie sie herkömmlicher Weise nicht realisiert sind.The present invention allows the realistic simulation of particle flows or streams of people while taking into account a dynamic adaptation of the particle flows or streams of people, as conventionally not realized.
Adaptive ZielwahlAdaptive targeting
Je nach Typ des verwendeten Personstromsimulators erhalten Personen zu Beginn der Simulation ein fest vorgegebenes Ziel. Dieses streng deterministische Verhalten ist Stand der Technik und vernachlässigt die Tatsache, dass Menschen dazu neigen, zumindest aus der Sicht des Beobachters, spontan ihre Ziele anzupassen. Etwa, wenn eine Person auf dem Weg zum Ausgang eines Bahnhofs spontan einen Laden betritt. Eine andere Möglichkeit ist wenn eine Flucht ausgelöst wird. Gemäß dieser vorliegenden Erfindung wird dieser Ansatz aufgebrochen und Personen können neue Ziele zugewiesen werden. Eine derartige Zuweisung kann wieder
- – von außen durch ein Ereignis gesteuert werden, und zwar insbesondere interaktiv über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, beispielsweise durch ein Signal zur Evakuierung;
- – innerhalb des Modells, nach einem gewissen Schema – etwa einer gewissen Zeit, oder in einem bestimmten Bereich – injiziert werden, beispielsweise eine Einfahrt eines Zuges und eine Öffnung von Türen gemäß einem vorgegebenen Fahrplan;
- – Zufallsgesteuert sein.
- Be controlled from the outside by an event, in particular interactively via a man-machine interface, for example by a signal for evacuation;
- - be injected within the model, according to a certain scheme - for a certain time, or in a certain area - for example, a train entrance and an opening of doors according to a given timetable;
- - be random.
Die Zieländerung kann wiederum determiniert, entsprechend den Eigenschaften des einzelnen Individuums oder zufällig erfolgen. Beispielsweise betritt nicht jede Person automatisch zu jeder Zeit einen Laden. Beispiele für das Auslösen einer Zielneusetzung sind:
- – eine räumliche Triggerung. Beispielsweise betritt eine Person einen Bereich vor einem Laden, so wird ihr Ziel auf den Laden bzw. das Innere des Ladens umgestellt;
- – eine externe Triggerung. Wird beispielsweise ein Signal zur Evakuierung gegeben, so wird das Ziel beispielsweise auf den nächsten Notausgang umgestellt;
- – eine zeitliche Triggerung. Beispielsweise nachdem eine Person eine gewisse Zeit im Laden verweilt ist, schaltet diese auf ihr ursprüngliches Ziel um und verlässt somit wieder den Laden;
- – eine ereignisgesteuerte Triggerung. Beispielsweise fährt ein Zug ein, den eine Person noch erreichen möchte;
- – spontane, rein zufällige Triggerung. Beispielsweise fällt einer Person spontan ein, dass diese noch Besorgungen im Laden zu erledigen hat.
- - a spatial triggering. For example, a person enters an area in front of a store, so their destination is converted to the store or the interior of the store;
- - an external triggering. If, for example, a signal for evacuation is given, the destination is switched, for example, to the next emergency exit;
- - a temporal triggering. For example, after a person lingers in the store for a certain amount of time, they switch to their original destination and thus leave the store again;
- - event-triggered triggering. For example, a train arrives that a person still wants to reach;
- - spontaneous, purely random triggering. For example, a person spontaneously remembers that they still have errands to do in the store.
Adaptive Anpassung von PersoneneigenschaftenAdaptive adaptation of personal characteristics
Die im mikroskopischen Personenstromsimulationen betrachteten virtuellen Personen haben nach dem Stand der Technik unterschiedliche Eigenschaften. Diese können angepasst werden. Eine solche Anpassung kann
- – von außen durch ein Ereignis ausgelöst werden – insbesondere interaktiv über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, beispielsweise durch ein Signal zur Evakuierung oder dem Öffnen von Türen; Bei Flucht wird eine Wunschgeschwindigkeit als Personeneigenschaft deutlich erhöht;
- – innerhalb des Modells, nach einem gewissen Schema – etwa einer bestimmten Zeit oder in einem bestimmten Bereich – injiziert werden. Beispielsweise ein Eintreten von Dunkelheit; Bei Eintreten von Dunkelheit wird im Allgemeinen aufgrund von Sichtbehinderung langsamer gelaufen;
- – zufallsgesteuert sein.
- - be triggered from the outside by an event - in particular interactively via a human-machine interface, for example by a signal for evacuation or the opening of doors; In flight, a desired speed as a person characteristic is significantly increased;
- - be injected within the model, according to a certain scheme - such as a certain time or within a certain range. For example, an onset of darkness; As darkness falls, walking is generally slower due to obstruction;
- - be random.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt eine dynamische Anpassung von Simulatoren von Personenströmen bzw. Objektströmen auf externe oder intrinsische, das heißt im Simulationsverlauf entstehende, Situationsveränderungen und Signale.According to the present invention, a dynamic adaptation of simulators of streams of people or object streams to external or intrinsic, that is, in the course of the simulation resulting situation changes and signals.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dynamisch in eine Simulation von Personenströmen eingegriffen. Derartige Eingriffe können interaktiv über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle erfolgen, innerhalb des Simulators nach einem gewissen Schema injiziert werden, oder zufallsgesteuert sein. Um dies sinnvoll durchführen zu können sieht die Erfindung dynamische Anpassungsverfahren an drei Hauptelementen eines Modells für die Bewegung von Teilchen bzw. Personen vor:
- – eine dynamisch Adaptive Wegewahl virtueller Personen;
- – eine dynamisch Adaptive Zielwahl virtueller Personen;
- – eine dynamische Anpassung der Eigenschaften virtueller Personen.
- - a dynamically adaptive routing of virtual people;
- - a dynamically adaptive targeting of virtual people;
- - a dynamic adaptation of the properties of virtual people.
Die Erfindung sieht vor, dass die Eingriffe interaktiv über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle erfolgen oder intrinsisch durch die Simulation gesteuert sind. Anpassungen können sowohl deterministisch erfolgen als lediglich mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten versehen werden.The invention provides that the interventions take place interactively via a human-machine interface or are controlled intrinsically by the simulation. Adjustments can be made both deterministically and provided with certain probabilities.
Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. den erfindungsgemäßen Verwendungen ergeben sich folgende Vorteile.According to the device according to the invention and according to the method according to the invention or the uses according to the invention, the following advantages result.
Die Erfindung ermöglicht interaktives Eingreifen in die Simulation und damit erstmalig das Erstellen eines Trainingssimulators bzw. eines Prognosetools mit Mensch-Maschine-Interaktion.The invention enables interactive intervention in the simulation and thus for the first time the creation of a training simulator or a prognosis tool with human-machine interaction.
Eine dynamische Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten entspricht dem menschlichen Verhalten wesentlich besser als eine rein statische Sichtweise. Somit können reale Personenströme deutlich realitätsnäher in den Simulationen abgebildet werden. Typische Aussagen über Personenmengen, Personendichten und Ströme sind unter der Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung und des vorgeschlagenen Verfahrens signifikant zuverlässiger.A dynamic adaptation to different circumstances corresponds to the human behavior much better than a purely static view. Thus, real flows of people can be depicted much closer to reality in the simulations. Typical statements about crowd levels, person densities, and flows are significantly more reliable using the proposed apparatus and method.
Somit ist ebenso erst durch diesen Ansatz mit realistischen Bewegungsmustern eine realitätsnahe Kalibrierung wesentlicher Parameter, insbesondere bei zellulären Ansätzen, möglich. Des Weiteren erlaubt die Erfindung dank der expliziten näher an der Realität liegenden Modellierung ein besseres Erfüllen von Richtlinien für Personenstromsimulatoren.Thus, it is only through this approach with realistic movement patterns that a realistic calibration of essential parameters, especially in cellular approaches, possible. Furthermore, the invention allows better compliance with personal flow simulator guidelines, thanks to the explicit modeling closer to reality.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.Further advantageous embodiments are claimed in conjunction with the subclaims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wegewahlanpassung mittels einer Neuinitialisierung von Gesamtpotenzialen mittels der Ansteuereinrichtung und der Rechnereinrichtung ausgeführt werden.According to an advantageous embodiment, the routing adjustment can be carried out by means of a reinitialization of total potentials by means of the drive device and the computer device.
In den meisten Personenstromsimulatoren wird einer Person ein Weg mittels eines skalaren Navigationsfeldes, einem so genannten Navigationspotenzial, vorgegeben. Personen bewegen sich jeweils in Richtung des minimalen Wertes des Navigationsfeldes, das heißt entlang des steilsten Abstiegs. Die Bestimmung des Navigationsfeldes unter Berücksichtigung der notwendigen Parameter, wie betretbaren Raum, Zielen und Hindernissen, ist Stand der Technik. Bei Methoden nach dem Stand der Technik mit der Vorgabe eines Navigationsfeldes ist der gewählte Weg fest vorbestimmt. Der Ansatz wird auch für die Simulation allgemein von Objektbewegungen verwendet.In most pedestrian simulators, a person is given a path by means of a scalar navigation field, a so-called navigation potential. People move in each case in the direction of the minimum value of the navigation field, that is, along the steepest descent. The determination of the navigation field taking into account the necessary parameters, such as accessible space, goals and obstacles, is state of the art. In methods according to the prior art with the specification of a navigation field, the chosen path is fixed predetermined. The approach is also used for the simulation of object movements in general.
Erfindungsgemäß wird das Navigationspotenzial während der Simulation neu bestimmt, wenn eine Situationsveränderung eintritt. Diese dynamische Neubestimmung des Navigationspotenzials verändert die Wegewahl für jedes Objekt, sodass sie zur neuen Situation passt. Folgende exemplarische Möglichkeiten bieten sich zur Steuerung der Wegewahl bzw. Neuinitialisierung der Navigationspotenziale:
- – ereignisgesteuerte Initialisierung, beispielsweise nach Öffnen einer Tür.
- – zeitgesteuerte Initialisierung, das heißt wiederholte automatische Initialisierung in zeitlich konstanten oder variablen Intervallen, beispielsweise Initialisierung in jeden 10. diskreten Zeitschritt der Personstromsimulation bzw. Teilchenstromsimulation;
- – zufallsgesteuerte Initialisierung.
- - event-driven initialization, for example after opening a door.
- Timed initialization, that is repeated automatic initialization at time-constant or variable intervals, for example initialization into every 10th discrete time step of the person flow simulation or particle flow simulation;
- - randomized initialization.
Die dynamische Anpassung erfolgt durch Berücksichtigung auf einer veränderten Situation, beispielsweise ein Öffnen einer Tür. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch unabhängig von außen injizierten Situationsänderungen das Navigationspotenzial in regelmäßigen Zeitschritten neu initialisiert. Dann können ebenso Veränderungen im Simulationslauf, die nicht von außen gesteuert werden, berücksichtigt werden.The dynamic adaptation takes place by taking into account a changed situation, for example opening a door. In accordance with the present invention, the navigation potential is also reinitialized at regular time intervals independently of situation changes injected in the outside. Then also changes in the simulation run, which are not controlled from the outside, can be considered.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gesamtpotenzial proportional zu einer Dichte von Teilchenmengen auf betretbaren Wegen zu einem Ziel für Zellen auf diesen Wegen erhöht werden. Die Erfindung schlägt insbesondere vor, das Navigationspotenzial abhängig von der Dichte von Teilchenmengen bzw. Personenmengen auf den betretbaren Wegen zum Ziel zu bestimmen. In dieser gewichteten Neuinitialisierung erhöhen hohe Personendichten bzw. Teilchendichten das Navigationspotenzial. Teilchen folgen dem niedrigsten Potenzial, sodass Wege, bei denen sich ein Stau gebildet hat, automatisch weniger attraktiv werden.According to a further advantageous embodiment, the total potential can be proportional to a density of particle quantities on accessible Because of being raised to a destination for cells on these paths. In particular, the invention proposes determining the navigation potential as a function of the density of particle quantities or quantities of people on the accessible routes to the destination. In this weighted re-initialisation, high density of people or particle densities increase the navigation potential. Particles follow the lowest potential, making paths that become jammed automatically less attractive.
Eine wiederholte Neuinitialisierung erfordert erhöhte Rechenzeiten, führt jedoch zu deutlichem realistischerem Personenverhalten.Repeated reinitialization requires increased computation times, but leads to significantly more realistic person behavior.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wegewahlanpassung mittels einer Neusetzung von Zwischenzielen mittels der Ansteuereinrichtung und der Rechnereinrichtung ausgeführt werden. In einigen Personenstromsimulatoren wird die Navigation von Personen mittels Zwischenzielen auf Graphen realisiert. Dies zum Teil ebenso in Verbindung mit einer Navigationsfeld basierten Navigation von Zwischenziel zu Zwischenziel. Nach dem Stand der Technik erhalten die Personen zu Beginn der Simulation einen fest vorgegebenen Weg zum Ziel. Dieses streng deterministische Verhalten vernachlässigt jedoch die Tatsache einer dynamischen Anpassung der Wegewahl. Völlig analog zur Wegewahl bei Verwendung eines Navigationsfeldes kann ebenso hier eine dynamische Wegewahl verwendet werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, das Zwischenziele – injiziert durch Ereignisse, vorgegebener Zeitabläufe oder Zufall – in Abhängigkeit der veränderten Situation neu gewählt werden. Die Erfindung sieht zudem vor, dass Zwischenziele in regelmäßigen Abständen neu gewählt werden, um auf durch den Simulationslauf eingetretene Situationsveränderung einzugehen.According to a further advantageous embodiment, the routing adjustment can be performed by means of a replacement of intermediate destinations by means of the drive device and the computer device. In some pedestrian simulators, people are navigated by means of intermediate targets on graphs. This partly also in connection with a navigation field based navigation from intermediate to intermediate destination. According to the state of the art, at the beginning of the simulation, the persons receive a fixed path to the destination. However, this strictly deterministic behavior neglects the fact of dynamically adjusting the routing. Completely analogous to the routing when using a navigation field can also be used here a dynamic routing. According to the exemplary embodiment, it is provided that the intermediate destinations-injected by events, predetermined timings or coincidence-are re-selected as a function of the changed situation. The invention also provides that intermediate destinations are re-selected at regular intervals in order to respond to the situation change that has occurred as a result of the simulation run.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Zwischenziel auf einem Weg zu einem Endziel bei der Neusetzung gewählt wird, sinken, wenn ein Teilchenstau auf dem Zwischenziel besteht und/oder mit einer steigenden Staustärke. Gemäß der Ausführungsart erfolgt die Wegewahl in Abhängigkeit von erkannten Staus. So soll insbesondere die Wahrscheinlichkeit mit der ein gewisses Zwischenziel auf dem Weg zum Endziel gewählt wird sinken, wenn ein Stau auf dem Zwischenziel besteht. Die Wahrscheinlichkeit soll auch von den Staustärken abhängen.According to a further advantageous embodiment, a probability that an intermediate destination is chosen on a way to a final destination in the re-setting may decrease if there is a particle accumulation on the intermediate destination and / or with an increasing stowage strength. According to the embodiment, the routing is done depending on detected congestion. In particular, the likelihood that a certain intermediate destination will be chosen on the way to the final destination should decrease if there is a traffic jam on the intermediate destination. The probability should also depend on the stasis.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Zielwahlanpassung mittels einer Zielwahl aus einer vorgegebenen Menge von Zielen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten erfolgen. Die neue Zielwahl kann sich nicht lediglich auf ein Ziel beziehen, beispielsweise Personen vor einem Laden sondern kann ebenso die Wahl eines Ziels aus einer vorgegebenen Menge von Zielen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten beinhalten, wie beispielsweise bei einer Flucht wird der nächst gelegene Ausgang gewählt. Die Wahl kann deterministisch, beispielsweise das nächste gelegene Ziel, oder zufällig erfolgen.According to a further advantageous refinement, the destination selection adaptation can take place by means of a destination selection from a predefined set of destinations according to different viewpoints. The new one-touch dial may not only refer to a destination, such as persons in front of a store, but may also include the selection of a destination from a given set of destinations according to different viewpoints, such as in an escape the nearest exit is chosen. The choice may be deterministic, such as the nearest destination, or random.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Teilcheneigenschaften die feste Geschwindigkeit sein, mit der sich Teilchen bei einer freien Bahn bewegen, oder ein bevorzugter Abstand zu anderen Teilchen. Die in mikroskopischen Personstromsimulation betrachtenden virtuellen Personen haben nach dem Stand der Technik unterschiedliche Eigenschaften, wie beispielsweise unterschiedliche Wunschgeschwindigkeiten, die die Personen während der Simulation, das heißt in jedem diskreten Zeitschritt der Simulation, beizubehalten versucht, oder unterschiedliche bevorzugte Abstände zu anderen Personen. In allen Personenstromsimulatoren nach dem Stand der Technik werden diese Eigenschaften am Anfang der Simulation fest vorgegeben, eine dynamische Anpassung ist nicht möglich.According to a further advantageous embodiment, the particle properties may be the fixed speed at which particles move in a free path, or a preferred distance to other particles. The virtual persons contemplated in microscopic simulcast simulations have different characteristics in the prior art, such as different desired speeds that people attempt to maintain during simulation, that is, in each discrete time step of the simulation, or different preferred distances to other persons. In all passenger current simulators according to the prior art, these properties are fixed at the beginning of the simulation, a dynamic adjustment is not possible.
In der Realität findet jedoch in bestimmten Situationen eine solche Anpassung statt. Bei einer Bedrohungssituation, die mit einer Flucht einhergeht, weichen Menschen von ihrer Wunschgeschwindigkeit ab und bewegen sich mit der jeweils maximalen möglichen Geschwindigkeit, die ebenfalls von Person zu Person variiert. Des Weiteren sind Personen im falle einer Flucht durchaus bereit die Wohlfühlabstände zu anderen Personen zu unterschreiten.In reality, however, such adaptation occurs in certain situations. In a threatening situation that accompanies an escape, people deviate from their desired speed and move with the maximum possible speed, which also varies from person to person. Furthermore, persons in the event of an escape are quite willing to fall below the comfort distance to other people.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Teilcheneigenschaft einer Geschwindigkeit eines Teilchens mittels Skalierung einer maximalen Geschwindigkeit mittels Multiplikation des maximalen Anpassungsfaktors angepasst werden. Das Laufverhalten von Personen und insbesondere die Geschwindigkeit mit der Personen gehen hat herausragende Bedeutung bei der Simulation von Personenbewegungen. Daher wird im Folgenden genauer die dynamische Anpassung der Personengeschwindigkeit auf Situationsveränderungen betrachtet. Die Erfindung sieht insbesondere vor, die Wunschgeschwindigkeit von Personen situationsabhängig anzupassen. Derartige Situationen können beispielsweise ein Fluchtsituation oder eine normale Situation sein. Die Wunschgeschwindigkeit ist den Methoden nach dem Stand der Technik die feste Geschwindigkeit, mit der Personen bei freier Wahl laufen.According to a further advantageous embodiment, the particle property of a velocity of a particle can be adjusted by scaling a maximum velocity by multiplying the maximum adaptation factor. The walking behavior of people and in particular the speed with which people walk has outstanding importance in the simulation of movements of persons. Therefore, in the following, the dynamic adaptation of the person speed to changes in the situation is considered more precisely. The invention provides in particular to adapt the desired speed of persons depending on the situation. Such situations can be, for example, an escape situation or a normal situation. The desired speed is the fixed speed with which people run at free choice, according to the prior art methods.
Eine besonders effektive Realisierung bietet die Skalierung der maximalen Geschwindigkeit vmax einer Person. Die maximale Geschwindigkeit von Personen variiert von Person zu Person und ist in der Realität im Wesentlichen normal verteilt. Durch die Skalierung können dynamisch entsprechende Variationen in der Wunschgeschwindigkeit
Die Wahl der Faktoren q kann von unterschiedlichen Parametern abhängen. Sie kann deterministisch erfolgen oder aber auch zufälligen sowie zeitlichen, insbesondere zufälligen, Schwankungen unterworfen sein. Bei der Bestimmung von q sollte berücksichtigt werden, dass die entsprechende Geschwindigkeit einer Person diese Person charakterisiert und im Mittel eingehalten werden sollte. Des Weiteren sind häufige abrupte Schwankungen in q unnatürlich. Die Erfindung sieht vor, dass klein q abhängig von Parametern wie der Personcharakteristik und von der Laufvergangenheit gestaltbar sein soll. Die genaue Ausgestaltung solcher Abhängigkeiten ist noch Gegenstand der Forschung.The choice of factors q may depend on different parameters. It can be deterministic or subject to random and temporal, especially random, fluctuations. When determining q, it should be borne in mind that the speed of a person should be characterized and maintained on average by that person. Furthermore, frequent abrupt variations in q are unnatural. The invention provides that small q should be able to be designed as a function of parameters such as the person characteristic and of the running past. The exact design of such dependencies is still the subject of research.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Ereignis ein Öffnen oder Schließen einer Tür, ein Erkennen oder Umgehung eines Staus, ein Betreten eines Ladens, eine Absperrung, eine Evakuierung, eine Zugeinfahrt oder eine Bekanntgabe einer Gleisänderung sein. Dies sind denkbare Szenarien, in denen dynamische Anpassungen eine äußerst wichtige Bedeutung haben. Weitere Ereignisse können ein Auftreten von Rauch oder Feuer oder ein Alarm sein.According to a further advantageous embodiment, an event may be opening or closing a door, detecting or avoiding a jam, entering a store, blocking, evacuation, train entry or announcement of a change of track. These are conceivable scenarios in which dynamic adjustments are extremely important. Other events may include an occurrence of smoke or fire or an alarm.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die zeitlich festgelegten Anpassungen in regelmäßigen Zeitschritten ausgeführt werden.According to a further advantageous embodiment, the timed adjustments can be performed in regular time steps.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die räumlich festgelegten Anpassungen in Abhängigkeit von der Dichte von Teilchenmengen auf den betretbaren Zellen zum Ziel ausgeführt werden, wobei hohe Teilchendichten das Gesamtpotenzial der betretbaren Zellen zum Ziel erhöhen.According to a further advantageous embodiment, the spatially determined adjustments can be carried out as a function of the density of particle quantities on the accessible cells to the destination, with high particle densities increasing the total potential of the accessible cells to the target.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels einer zweiten Erfassungseinrichtung reale Objektbewegungen erfasst werden zur Initialisierung von Positionen der Teilchen, von Startzellen, Zielen und Teilchengeschwindigkeiten.According to a further advantageous embodiment, real object movements can be detected by means of a second detection device for the initialization of positions of the particles, of start cells, targets and particle velocities.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der mittels der ersten Erfassungseinrichtung erfassten Teilchenbewegung zur jeweiligen Erzeugung von Steuerimpulsen zu einer Leitzentrale bereitgestellt werden.According to a further advantageous embodiment, an evaluation device for evaluating the particle movement detected by means of the first detection device for the respective generation of control pulses to a control center can be provided.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Leitzentrale zur Steuerung von Gebäudeelementen vorgesehen sein.According to a further advantageous embodiment, the control center can be provided for controlling building elements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Gebäudeelemente Türen, Fenster, Hinweisschilder, Lautsprecher, Aufzüge, Rolltreppen und/oder Leuchten sein.According to a further advantageous embodiment, building elements may be doors, windows, signs, loudspeakers, elevators, escalators and / or lights.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The present invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:
Die Vorrichtung I erzeugt eine Bewegung von Teilchen
Die Vorrichtung I weist auf einem räumlichen Gebiet ein Zellgitter
Mit einem Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem räumlichen mit einem Zellgitter
Mit einem Schritt S3 erfolgt ein Erfassen der Positionen der Teilchen
With a step S3, the positions of the particles are detected
Die Erfindung wurde anhand eines Simulators, der auf zellulären Zustandsautomaten basiert, erläutert. Eine Übertragung der Methoden auf andere Ansätze – wie stark individualisierte Agenten basierte Methoden – ist problemlos möglich. Bei der Simulation von Personenströmen mit zellulären Automaten bewegen sich Personen mit einem festen Geschwindigkeitsschema anhand von Potenzialüberlegungen zu ihrer nächsten Zelle und damit insgesamt zu ihrem gewünschten Ziel. Dieses Modell wird durch Einführung von dynamischen Anpassungen an mehreren, besonders relevanten Stellen verbessert.The invention has been explained with reference to a simulator based on cellular state machines. Transferring the methods to other approaches - such as highly individualized agent-based methods - is easily possible. In the simulation of streams of people with cellular automata, people with a fixed speed scheme move on the basis of potential considerations to their next cell and thus to their desired destination. This model is enhanced by introducing dynamic customizations at several, particularly relevant points.
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