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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs.
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In Modellen von Objekt- und Personenströmen besteht häufig die Notwendigkeit das Gebiet, das modelliert werden soll, in miteinander verbundene Teilgebiete zu zerlegen. Dies kann einerseits auf Grund der Topologie erforderlich sein, etwa dann wenn Teilgebiete durch Türen oder Treppen von einander getrennt sind, oder andererseits wenn ein großes Gebiet zur Vereinfachung der Berechnung in Teilgebiete zerlegt werden soll. Die Qualität des Gesamtergebnisses hängt dabei wesentlich von dem Model der Verbindung ab. Wird beispielsweise ein unzureichendes Model für die Behandlung einer Treppe verwendet, so setzt sich der Fehler für alle Simulationsobjekte fort, die die Treppe passiert haben. Für einfache Verbindungen auf einer Ebene, wie bei Durchlässen und Türen, ist das Problem hinreichend gelöst. Für komplexere Gebietsverbindungen, wie es beispielsweise Treppen sind, existiert aber bis jetzt noch kein zuverlässiges Model. Eine realitätsgetreue, vollständig dreidimensionale Modellierung scheidet wegen des immensen Speicherbedarfs und der hohen zu erwartenden Rechenzeiten auch für die nächsten Jahre noch völlig aus. Ähnliches gilt für eine vollständig kontinuierliche Modellierung, das heißt die exakte Auswertung des Models losgelöst von jeglicher Gitterdiskretisierung.
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Es existieren verschiedene wissenschaftliche und kommerzielle Veröffentlichungen zur Modellierung von Treppen. In der Regel wird aber kein dediziertes Treppenmodel vorgestellt, sondern es wird versucht die Eigenschaften der Treppe durch die Anpassung bereits bestehender Elemente zu modellieren. Bei empirischen bzw. makroskopischen Verfahren, bei denen lediglich Personenströme aber keine Einzelpersonen simuliert werden, wird in der Regel die Kapazität der Elemente angepasst, die eine Treppe modellieren sollen. So wird beispielsweise der Stau vor einer Treppe in einem Entfluchtungs-Szenario durch die Reduzierung der maximalen Personendichte in dem Gang simuliert, in dem sich die Treppe befindet. Dies ist zwar eine geeignete Methode um empirische Aussagen zu treffen, das Verhalten von Einzelpersonen kann damit aber nicht korrekt abgebildet werden. So wird bei einigen dieser Verfahren beispielsweise die Geschwindigkeit einer einzelnen Person, die über eine Treppe läuft, nicht verändert, sondern eine Reduktion der Geschwindigkeit ergibt sich erst dadurch, dass mehrere Personen sich gegenseitig beeinflussen und einen Stau auf bzw. vor der Treppe verursachen. In der Realität wird die Geschwindigkeit einer einzelnen Person auf der Treppe aber geringer sein, als ihre Geschwindigkeit in der Ebene. Um diesen Effekt nachzubilden modellieren die meisten mikroskopischen Verfahren Treppen durch eine der Steigung entsprechende Anpassung der Horizontalgeschwindigkeit auf der Treppe. Dies reicht zwar aus um einfache Treppen zu modellieren, allerdings können damit nicht beliebige Verbindungselemente realisiert werden. Beispielsweise können keine senkrechten Leitern realisiert werden, da diese rechnerisch eine unendliche Steigung haben. Des Weiteren können keine Rolltreppen realisiert werden, da diese lediglich in einer Richtung passierbar sind. In der einschlägigen Literatur wurden herkömmliche Verfahren hinsichtlich deren Modellierungsgenauigkeit von Treppen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass sich die Ergebnisse stark von einander unterscheiden und keines der Verfahren die durch empirische Untersuchungen gefundenen Werte bestätigen konnte. Dies ist als Hinweis darauf zu werten, dass für die Modellierung von Treppen noch keine zuverlässige Methode gefunden wurde.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einer Objektstromsimulation, insbesondere Personenstromsimulation, auf einem zu modellierenden dreidimensionalen Gebiet, das in miteinander verbundene Teilgebiete zerlegt wurde, ein realistisches Modell von Verbindungen zwischen den Teilgebieten bereitzustellen. Es sollen für eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Simulation ein Speicherbedarf möglichst klein und Rechenzeiten möglichst kurz sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Modellierung von mittels einer 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 in einstellbaren Zeitschritten aktualisiert werden. Jeder Zelle ist ein Zielpotenzial zugeordnet, das festlegt wie Teilchen von einem Ziel angezogen werden. Jeder Zelle ist ein Hindernispotenzial zugeordnet, das festlegt wie Teilchen von einem Hindernis abgestoßen werden, wobei jedem Teilchen ein Teilchenpotenzial zugeordnet ist. Das Gesamtpotenzial in einer Zelle setzt sich aus den Werten des Zielpotenzials und des Hindernispotenzials in der Zelle und dem Teilchenpotenzial von mittels der Erfassungseinrichtung erfassten Teilchen in Nachbarzellen der Zelle zusammen. Teilchen wechseln von der Zelle, in der sie sich befinden, in eine Nachbarzelle mit dem geringsten Gesamtpotenzial. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Teilchenübertragungseinrichtung jeweils ein Teilchen in einem ersten Puffer aufnimmt und zwischenspeichert und nach Ablauf eines mittels einer Zeitgebereinrichtung eingestellten Zeitintervalls jeweils ein dazugehöriges Teilchen aus einem zweiten Puffer ausgibt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung von Teilchenströmen mit den folgenden Schritten bereitgestellt: Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem räumlichen mit einem Zellgitter überzogenen 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 vom 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 Erfassungseinrichtung erfassten Teilchen in Nachbarzellen der Zelle zusammensetzt; Positionieren von Teilchen an jeweiligen Startzellen, wobei danach die Teilchen jeweils von einer Zelle in eine Nachbarzelle mit einem geringsten Gesamtpotenzial wechseln; Erfassen der Position der Teilchen mittels einer Erfassungseinrichtung; aktualisieren der Gesamtpotenzialzustände mittels der Erfassungseinrichtung, der Rechnereinrichtung und der Ansteuereinrichtung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Teilchenübertragungseinrichtung jeweils ein Teilchen in einem ersten Puffer aufnimmt und zwischenspeichert und nach Ablauf eines mittels einer Zeitgebereinrichtung eingestellten Zeitintervalls jeweils ein dazugehöriges Teilchen aus einem zweiten Puffer ausgibt.
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Die Erfindung fokussiert auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Generierung von Strömen von Objekten oder Teilchen. Diese Vorrichtung und dieses Verfahren werden allgemein für Teilchenströme angewendet. Die Erfindung betrifft Ströme von beliebigen beweglichen Teilchen. Derartige Objekte oder Teilchen können beispielsweise Metall-Kugeln sein. Diese Objekte oder Teilchen können beispielsweise Personen sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste Puffer einem ersten Teilgebiet und der zweite Puffer einem von dem ersten Teilgebiet räumlich getrennten zweiten Teilgebiet des räumlichen Gebiets räumlich zugeordnet sein. Mittels einer Teilchenübertragungseinrichtung werden Verbindungselemente für Teilgebiete eines Gesamtgebietes zur Verfügung gestellt. Eine Teilchenübertragungseinrichtung kann prinzipiell als universelles Element zum Datenaustausch beispielsweise in parallelisierten Modellen genutzt werden. Ein Gesamtgebiet kann sich beispielsweise über mehrere Ebenen erstrecken. Auf diese Weise ist eine Simulation von Personen- und Objektströmen auf mehreren Ebenen, beispielsweise Stockwerken möglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine herkömmliche Vorrichtung bzw. ein herkömmliches Verfahren mit der Teilchenübertragungseinrichtung verbunden werden. Dies gelingt über die Einführung von Verzögerungszeiten bzw. Verweildauern in einem Puffer, bis Objekte von Teilgebiet zu Teilgebiet übertragen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Teilgebiete zunächst ursprünglich zueinander vertikal versetzt und mittels eines ursprünglich vertikalen Verbindungselements miteinander verbunden gewesen sein und danach die Teilgebiete und das Verbindungselement in einer gemeinsamen horizontalen Ebene zur Bewegung der Teilchen erzeugt werden. Das Model ist ein sogenanntes zweieinhalbdimensionales Model. Es nutzt die Tatsache, dass Personen und Objekte sich nicht frei in drei Dimensionen bewegen können, sondern auf Verbindungen zwischen Ebenen angewiesen sind. Das heißt die eigentliche Berechnung von Personen- und Objektströmen erfolgt zweidimensional, was signifikante Vorteile bei Rechengeschwindigkeit und Speicherverbrauch bedeutet. Das Ergebnis ist aber ein frei visualisierbares realistisches Model der dreidimensionalen Bewegung von Personenströmen. Die Erfindung sieht folgende Schritte vor: Aufteilung der dreidimensionalen Welt in mehrere zweidimensionale Teilgebiete; Zerschneiden von Verbindungselementen in zwei oder mehrere Teile, die in einer Ebene dargestellt und simuliert werden können; Modellierung der Personenbewegung auf den so entstandenen Verbindungselementabschnitten bzw. Teilstücken des Verbindungselements. Eine Modellierung auf den Verbindungselementabschnitten erfolgt wie auf dem gesamten Gebiet der Vorrichtung; Verbindung der Verbindungselementabschnitte an den Schnittstellen mittels Puffern der Objekte die von Verbindungselementabschnitt zu Verbindungselementabschnitt wechseln sollen in einem Datenspeicher an der jeweiligen Seite der Schnittstelle, wobei hier Verzögerungszeiten für die Verweildauer der Objekte im Zwischenspeicher des Puffers angegeben werden können. Dies erlaubt ein Ausblenden von uninteressanten Gebieten und hilft weiter Rechenzeiten und Speicherkapazitäten zu sparen. Zum Modellieren eines ausgeblendeten Stücks können herkömmliche (z. B. makroskopische) Verfahren verwendet werden. Es ist möglich herkömmliche Verfahren mit dem hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren zu kombinieren. Ein weiterer Schritt der Verbindung der Teile an den Schnittstellen ist ein Übertragen der Objekte von Puffer zu Puffer an den Schnittstellen. Die Simulation der Objekte auf den Verbindungselementabschnitten erfolgt nun wie auf dem restlichen Gebiet der Vorrichtung. Es erfolgt eine Aufteilung der dreidimensionalen Welt in mehrere zweidimensionale Teilgebiete. Es erfolgt eine Teilung der natürlichen Verbindungselemente bzw. Abtrennung von Verbindungselementen vom Teilgebiet, mittels Schnitten und ebener Anbindung der Teilelemente bzw. abgetrennten Verbindungselementabschnitte an die entsprechende Schnittstelle, und zwar gegebenenfalls mittels Einbettung von Teilgebieten in die Simulationsebene. Es erfolgt eine Modellierung der Person- bzw. Objektbewegung auf den durch eingeebnete Verbindungselementabschnitte erweiterten Teilgebieten. Es erfolgt eine Anpassung der Modellierung auf den Verbindungselementabschnitten, beispielsweise eine Anpassung des Laufverhaltens auf Treppen an Neigung und Gehrichtung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können ohne signifikanten zusätzlichen Speicher- oder Rechenaufwand mehrere Ebenen und somit drei Dimensionen simuliert werden. Die Verbindungselemente können beliebige Stockwerke miteinander verbinden. Insbesondere können Treppen modelliert werden, die sich über mehrere Stockwerke erstrecken, sowie Transportelemente deren Ein- und Ausgänge im selben Stockwerk liegen, wie beispielweise Laufbänder an einem Flughafen. Es wird ermöglicht, das Verhalten von Menschenmassen bzw. von Objektströmen ebenso auf den Verbindungselementen bzw. Verbindungselementabschnitten explizit und genau zu simulieren. Oft sind gerade diese Verbindungselemente von besonders hohem Interesse. Dies betrifft beispielsweise Fluchttreppen. Mit den herkömmlichen Verfahren war dies nicht möglich. Beispielsweise können an einem Treppen Ein- und Ausgang Personen explizit modelliert werden. Das heißt diese zeigen in einer Visualisierung der Simulation ein realistisches Verhalten und verschwinden nicht einfach aus dem Stockwerk, was beispielsweise der Fall wäre, wenn die Treppe direkt mit einem Sprungpunkt zum nächsten Stockwerk beginnt. Die Bewegungsrichtung bei einer Treppe kann durch den Benutzer vorgegeben werden. Das heißt diese kann in beide Richtungen benutzbar sein, oder für eine bestimmte Richtung gesperrt sein, wie es beispielsweise bei einer Rolltreppe der Fall ist. Ebenso ist eine temporäre Sperre des Verbindungselements möglich, beispielsweise bei der Verwendung von Liften.
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Erfindungsgemäß ist es nun möglich, das Verhalten von Personen auf beliebigen Verbindungselementen, wie es beispielsweise Fußgängertreppen sind, exakt darzustellen. Auf diese Weise wird eine Kalibrierung möglich und erfolgt beispielsweise anhand empirischer Daten.
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Durch das explizite Modell lassen sich Steigungen im Gelände darstellen, die insbesondere für Evakuierungsszenarien im Gelände mit natürlichen Neigungen eine Rolle spielen. Des Weiteren ist es ebenso möglich, technische Transportvorrichtungen, wie Rolltreppen, Transportbänder und Lifte zu modellieren. Auf diese Weise wird ein allgemein verwendbares Konzept vorgestellt.
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Durch die Einführung von Schnitten an den Verbindungselementen wird ein hohes Maß an Flexibilität ermöglicht. Während das Laufverhalten von Personen auf den Verbindungselementabschnitten, beispielsweise am Treppenauf- und Abgang, mit den jeweiligen Bewegungsmodellen berechnet wird, wird ein Übergang zwischen Stockwerken implizit durch einen als Warteschlange realisierten Personenpuffer simuliert. Die Verweilzeit der Personen im Puffer wird durch eine parametrierbare, zeitlich variable Funktion beschrieben. In gleicher Weise kann die Größe des Puffers parametriert werden, beispielsweise eine Konstante für einfache Treppen, oder oszillierendes Verhalten für eine Modellierung von Liften.
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Eine Kalibrierung von Teilmodellen ist ebenso möglich und erfolgt durch Festlegung der Kapazität und der Verzögerungszeit eines Puffers.
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Erfindungsgemäß wird aufgrund der näher an der Realität liegenden Modellierung ein besseres Erfüllen von Richtlinien für Personenstromsimulatoren ermöglicht. Eine Anpassung der Geschwindigkeit auf einer Treppe erfolgt gemäß allgemein anerkannter Richtlinien.
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Erfindungsgemäß können durch eine Parallelisierung ebenso extrem große Gebiete simuliert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das vertikale Verbindungselement eine Treppe oder ein Band sein und diese/s in zwei in der gemeinsamen horizontalen Ebene erzeugte Verbindungselementabschnitte aufgeteilt sein, von denen jeder fest einem der Teile zugeordnet sein kann, wobei an jedem dem Teilgebiet abgewandten Ende der beiden Verbindungselementabschnitte die Puffer der Teilchenübertragungseinrichtung ausgebildet sein können. Das heißt die Verbindung von Verbindungselementabschnitten an den Schnittstellen kann fest sein. Eine feste Verbindung bietet sich bei einer Treppe an, die in zwei Hälften geschnitten sein kann, von denen jede einem Stockwerk zugeordnet sein kann. Jede Treppenhälfte wird dadurch zu einer Erweiterung des Stockwerks, in dem ein Personenstrom grundsätzlich zweidimensional, d. h. Rechenzeit sparend simuliert werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das vertikale Verbindungselement ein eine Stehfläche aufweisender Lift sein und die Stehfläche als ein in der gemeinsamen horizontalen Ebene erzeugter Verbindungselementabschnitt ausgebildet sein, der jeweils vorübergehend einem der Teilgebiete zugeordnet ist, wobei an beiden Positionen der Stehfläche die Puffer der Teilchenübertragungseinrichtung ausgebildet sein können. Die Verbindung von Verbindungselementabschnitten an den Schnittstellen kann sich im Zeitverlauf ändern. Eine temporäre Verbindung bietet sich an für die Modellierung eines Lifts, dessen Stehfläche jeweils mit dem Stockwerk verbunden wird, in dem er sich befindet. Auf der temporären Gesamtfläche wird für die Verweildauer des Lifts wieder ein Personenstrom simuliert. Mit dem dynamischen Verbindungsmodell können daher beliebige Lifte realisiert werden. Bei einer statischen Verbindung des Verbindungselements können zumindest Paternoster-Aufzüge modelliert werden. Dabei ist ein entsprechender Übergangsbereich in jedem Stockwerk bereitgestellt. Es wird jedoch lediglich die durchschnittliche Transportleistung des Lifts berücksichtigt ohne dabei explizit auf die diskontinuierliche Ankunft einzelner Transportzellen einzugehen. Für eine Erweiterung des Modells auf ein diskontinuierliches Verfahren, d. h. der Lift kann nur dann in betreten werden, wenn er in dem entsprechenden Stockwerk angekommen ist, muss das entsprechende Teil des Verbindungselements, das die Liftkabine realisiert, dynamisch von Stockwerk zu Stockwerk kopiert werden. Dafür kann neben Zu- und Aussteigevorgängen auch das Verhalten der Personen in der Liftkabine mitsimuliert werden.
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Auf den Verbindungselementabschnitten werden Personenströme im Unterschied zum Stand der Technik explizit simuliert. Dazu wird, je nach modellierten Verbindungsstücken wie Treppe oder Lift, eine herkömmliche Simulation von Personenströmen geeignet erweitert. Bei Treppen erfolgt eine auf Personen bezogene Anpassung der Gehgeschwindigkeit an die Gehrichtung, d. h. treppauf oder treppab, und an die Neigung der Treppe. Bei Rolltreppen und Rollbändern erfolgt eine Modellierung der Transportleistung eines Bandes und des Gehverhaltens auf Rolltreppen bzw. Rollbändern. Bei Liften erfolgt eine Modellierung des Warteverhaltens in den Liften.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Bewegungsgeschwindigkeit der Teilchen auf einem Verbindungselementabschnitt an eine Bewegungsrichtung und eine Neigung des vertikalen Verbindungselements angepasst sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können sich Teilchen auf dem ursprünglich vertikalen Verbindungselement ursprünglich lediglich aufwärts oder lediglich abwärts oder bidirektional bewegen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein erstes Verbindungsabschnittelement jeweils eine andere Ausrichtung in der horizontalen Ebene als ein dazugehöriger zweiter Verbindungselementabschnitt aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens ein Verbindungselementabschnitt in der horizontalen Ebene im Vergleich zu seiner ursprünglichen Länge verkürzt sein. Zum Ausgleich dieser Verkürzung kann eine Verzögerungszeit des dazugehörigen Puffers verlängert und/oder dessen Kapazität zur Aufnahme von Teilchen vergrößert werden. Auf diese Weise ist eine implizite Modellierung, beispielsweise einer Treppe, mittels des Puffers möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Zeitintervall in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit eines Teilchens und einer Teilchendichte an einem Ausgang des zweiten Puffers der Teilchenübertragungseinrichtung eingestellt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zwischen dem zweiten Puffer und dem ersten Puffer das Gebiet erzeugt sein, wobei sich ein Teilchen aus dem zweiten Puffer kommend in Richtung des ersten Puffers bewegt und bei Erreichen des ersten Puffers nach Ablauf des eingestellten Zeitintervalls jeweils erneut ein dazugehöriges Teilchen mit gleichen Bewegungseigenschaften aus dem zweiten Puffer ausgegeben werden kann. Mittels eines ständig sich wiederholenden Durchlaufs des Teilchens durch das Gebiet können besonders wirksam Personenbewegungen in dem Gebiet simuliert, realistisch nachgebildet oder untersucht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Teilchen vor der Aufnahme in den ersten Puffer und das dazugehörige Teilchen nach der Ausgabe aus dem zweiten Puffer gleiche Bewegungseigenschaften aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können den dazugehörigen Teilchen in dem zweiten Puffer erreichbare Ziele zugeordnet sein. Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine allgemeine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbindungselements;
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3 eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Verbindungselements in Form einer Treppe;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbindungselements in Form einer Treppe;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gangs;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Aufteilung eines Gesamtgebietes in zwei Teilgebieten mittels einer Teilchenübertragungseinrichtung;
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7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung I erzeugt eine Bewegung von Teilchen 3, die beispielsweise Metallkugeln sein können. Die Vorrichtung I weist auf einem räumlichen Gebiet ein Zellgitter 5 auf. Jeder Zelle ist ein zeitlich veränderbares Gesamtpotenzial zugeordnet. Teilchen 3, beispielsweise Metallkügelchen, werden anfangs auf dem Zellgitter 5 positioniert. Eine Anzahl kann beispielsweise n = 50 Kügelchen sein. Mittels einer Ansteuereinrichtung 7 können den Zellen zeitlich veränderlich Gesamtpotenzialwerte zugeordnet werden. Jeder Zelle kann beispielsweise ein Elektromagnet zugeordnet sein, dessen Magnetkraft mittels der Ansteuereinrichtung 7 einstellbar ist und anziehend oder abstoßend auf die Teilchen wirken kann. Die Ansteuereinrichtung 7 kann mittels eines Stromes durch einen Elektromagneten ein jeweiliges Potential einstellen. Zu einem Startzeitpunkt Ts werden mittels der Ansteuereinrichtung 7 die Potenziale aktiviert, die Kügelchen bewegen sich ausgehend von einer jeweiligen Startzelle S jeweils an anderen Kügelchen und Hindernissen H vorbei zum Ziel Z. Zu einem Endzeitpunkt Te können alle Kügelchen ihre Ziele Z erreicht haben. Zur Visualisierung und/oder Erfassung der Bewegung der Kügelchen kann eine Erfassungseinrichtung 1, beispielsweise eine Kamera, verwendet werden. Die Informationen – diese können die Bewegungsrichtungen von Teilchen 3 sein – der Erfassungseinrichtung 1 können in einer Rechnereinrichtung 9 zu einer Berechnung jeweiliger Teilchenpotentiale verwendet werden. Die Informationen der Erfassungseinrichtung 1 können ebenso in einer Auswerteeinrichtung 11 bewertet werden. So kann beispielsweise eine Teilchendichte im Zellgitter 5 erfasst und ausgewertet werden. Die Auswerteeinrichtung 11 kann Steuersignale an eine Leitzentrale 13 zur Steuerung von Gebäudeelementen 15, beispielsweise Türen oder Hinweisschildern, ausgeben. Die Vorrichtung I kann beispielsweise ebenso durch einen Rechner nachgebildet werden. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere für eine Simulation von Personenströmen beispielsweise in Gebäuden. Das Modell der erfindungsgemäßen Vorrichtung I ist mit einem entsprechenden Modell auf einen Rechner übertragbar. D. h. die Vorrichtung I kann ebenso durch einen Rechner nachgebildet werden. Eine derartige Ausführungsform ist ebenso vom Schutzumfang dieser Anmeldung umfasst.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbindungselements, in Form einer Treppe. 2 zeigt eine vorteilhafte Implementierung einer Treppe mit Einbindung eines Zwischenpuffers bzw. zweier Puffer t4 und t5. Die Implementierung beruht auf einem zellularen Automaten, der für die vorliegende Anwendung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann. Eine Treppe wird durch Festlegung der Ein- und Ausgangsposition definiert, der während der jeweiligen Ausrichtung individuell festgelegt werden kann. Ein Winkel von 0° bedeutet dabei jeweils eine Ausrichtung der Öffnung nach rechts. Weiterhin können die Breite w und die Länge l der Treppe definiert werden, wobei die Länge der Verbindungselementabschnitte, die hier Treppenhälften sind, gemäß den Vorgaben einer Untersuchung gewählt werden kann. Als Standardwert bietet sich jeweils die Hälfte der Gesamtlänge l an. Intern wird für die Modellierung des nichtsichtbaren Bereichs der Treppe ein Puffer angelegt, der eine bestimmte Anzahl an Personen aufnehmen kann. Über einen Parameter wird angegeben, wie lange eine Person im Puffer verbleibt, d. h. wie lange eine Person benötigt, um den nichtsichtbaren Teil der Treppe zu passieren. Ein Teil der Treppe wird also ausgeblendet. Dies bedeutet ein Hybridmodell aus herkömmlichen Verfahren und einer expliziten Modellierung der Bewegung auf der Treppe, was, wenn der ausgeblendete Teil der Treppe nicht von Interesse ist, Rechenzeit und Speicherplatz spart.
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Gemäß dem hier verwendeten Mischverfahren hängt die absolute Verweildauer dabei von der Geschwindigkeit der Person ab und von der sich ergebenden Personendichte am Ausgang der Treppe, und zwar bezogen auf die jeweilige Bewegungsrichtung der Person. Beim Anlegen werden auch die nächsten Ziele festgelegt, die von Personen beim Verlassen der Treppe aufgesucht werden können. Für jede Treppe kann zudem festgelegt werden, ob sie lediglich aufwärts, lediglich abwärts oder in beide Richtungen betreten werden darf. Bei bidirektionalen Treppen müssen die nächsten Ziele für Ein- und Ausgang definiert werden. Die Rolle von Ein- und Ausgang ist beim Abwärtsgehen über bidirektionale Treppen natürlich vertauscht, dies wird in der Topologiebeschreibung aber nicht explizit vermerkt. Bei einer diskreten Simulation der Treppe, beispielsweise zur Verwendung in einem Modell, das auf zellulären Automaten beruht, werden die Felder des Simulationsgebiets, die vom Ein- bzw. Ausgangs U umschlossen werden, zu Beginn der Simulation als Treppenfelder gekennzeichnet. Bei einer kontinuierlichen Umsetzung des Modells muss in jedem Schritt für eine Person durch eine Kollisionserkennung geprüft werden, ob sie sich auf einer Treppe befindet. Falls sich eine Person auf dem sichtbaren Teil der Treppe befindet, werden alle Parameter, die sich auf die Horizontalgeschwindigkeit der Person auswirken je nach Bewegungsrichtung, d. h. aufwärts oder abwärts, angepasst. Dies kann durch einen Skalierungsfaktor erreicht werden, oder durch explizites Setzen der Parameter in Abhängigkeit vom Szenario.
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Die Kalibrierung der entscheidenden Parameter des herkömmlichen und erfindungsgemäßen Berechnungsmodells, also Puffergröße und Verzögerungszeit im Puffer bzw. der Treppengeschwindigkeit Aufwärts und Abwärts, erfolgt an Hand empirischer Daten bzw. Literaturtabellen.
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Am verschlossenen Ende des U-förmigen Bereichs befindet sich der Übergangsbereich, und zwar t4 bzw. t5 in 2. Betritt nun eine Person diesen Bereich eines Ein- oder Ausgangs, so wird zunächst unterschieden, ob ein Personenpuffer mit einer entsprechenden Kapazität vorgegeben wurde. Ist dies der Fall, so wird versucht die Person in den internen Puffer zu kopieren. Falls dieser keine weiteren Personen aufnehmen kann, verbleibt die Person im sichtbaren Bereich der Treppe und es bildet sich ein Stau. Andernfalls wird die Person aus dem sichtbaren Bereich der Treppe entfernt und die Kapazität des Puffers herabgesetzt. Die Person wird mit einer der Treppenverzögerung entsprechenden Bewegungspause versehen, die in den nachfolgenden Zeitschritten entsprechend vermindert wird. Sobald die Bewegungspause abgelaufen ist, wird versucht die Person in den Übergangsbereich am anderen Treppenende zu setzten. Ist dieser bereits voll besetzt, so muss die Person einen weiteren Zeitschritt warten. Falls die Treppe überhaupt keinen Personenpuffer enthält, bzw. einen mit einer Kapazität 0, so soll die Treppe vorübergehend blockiert sein, das heißt es können keine Personen ans andere Ende der Treppe gezogen werden. Falls die Kapazität während der Simulation herabgesetzt wird, so wird lediglich noch versucht Personen aus dem Puffer zu entfernen so lange bis die Kapazität den gewünschten Wert hat. Falls für den Personenpuffer keine Verzögerungszeit angegeben wird, bzw. eine mit der Dauer 0, dann wird sofort versucht an das andere Treppenende zu ziehen, vorausgesetzt die Person darf in diesem Zeitschritt bewegt werden. Ist kein Platz im Ziel- Übergangsbereich t5 in 2, so bleibt die Person im Übergangsbereich am Anfang der Treppe bei t4 in 2. Neben dieser Verfahrensweise wäre es ebenso denkbar, dass sich die Übergangsgebiete bei beiden Verbindungsteilen decken. Das heißt wenn eine Person das Übergangselement in einer Verbindungshälfte betritt, dann erscheint sie gleichzeitig im Übergangselement der anderen Hälfte. Während dieses Vorgehen für Treppen eher ungünstig ist, würden sich für die Parallelisierung durch aus Vorteile ergeben.
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Der Ausgang des Verbindungselements wird in dem Stockwerk, in dem er sich befindet, als Personenquelle aufgefasst. Dieser können wie allen anderen Quellen im Simulationsmodell erreichbare Ziele zugeordnet werden, das heißt Elemente, zu denen sich die erzeugten Personen hinbewegen können, wie beispielsweise Türen, Notausgänge oder weiterführende Treppenaufgänge. Jede simulierte Person wählt nun aus den erreichbaren Zielen ihr nächstes aus. Dadurch sind die Verbindungselemente mit allen bereits im Modell vorhanden Elementen kombinierbar, wodurch sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
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3 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit den Begriffen der Ansprüche. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Teilchenübertragungseinrichtung 24, die jeweils ein Teilchen 3 in einem ersten Puffer 25 aufnimmt und zwischenspeichert und nach Ablauf eines mittels einer Zeitgebereinrichtung 27 eingestellten Zeitintervalls jeweils ein dazugehöriges Teilchen 3 aus einem zweiten Puffer 26 ausgibt. Der erste Puffer 25 ist einem ersten Teilgebiet 28 des räumlichen Gebiets und der zweite Puffer 26 einem zweiten Teilgebiet 29 des räumlichen Gebiets räumlich zugeordnet. Die Teilgebiete 28 und 29 waren zunächst ursprünglich zueinander vertikal versetzt und mittels eines ursprünglich vertikalen Verbindungselements miteinander verbunden, wobei danach nun die Teilgebiete 28 und 29 und das Verbindungselement in einer gemeinsamen horizontalen Ebene zur Bewegung der Teilchen 3 erzeugt sind. Gemäß 3 ist das vertikale Verbindungselement eine Treppe oder ein Band und diese/s ist in zwei in der gemeinsamen horizontalen Ebene erzeugte Verbindungselementabschnitte 20 aufgeteilt, von denen jeder fest einem der Teilgebiete 28 und 29 räumlich zugeordnet ist, wobei an jedem dem Teilgebiet 28 oder 29 abgewandten Ende der beiden Verbindungselementabschnitte 20 die Puffer 25 und 26 der Teilchenübertragungseinrichtung 24 ausgebildet sind. Das Modell der erfindungsgemäßen Teilchenübertragungseinrichtung 24 ist auf einen Rechner übertragbar. D. h. die Teilchenübertragungseinrichtung 24 kann ebenso durch einen Rechner nachgebildet werden. Eine derartige Ausführungsform ist ebenso vom Schutzumfang dieser Anmeldung umfasst. Eine weitere Ausführungsform der Teilchenübertragungseinrichtung 24 kann elektromechanisch derart sein, dass ein Teilchen oder eine Metallkugel sich in einen Raum mit einem Fassungsvermögen im ersten Puffer 25 bewegt und dort mittels eines Sensors erfasst wird. Die Zeitgebereinrichtung 27 wird aktiviert. In dem zweiten Puffer 26 ist bereits eine Vielzahl von Metallkugeln in einem dortigen Raum mit einem Fassungsvermögen bereitgestellt. Nach einer beliebig einstellbaren Verzögerungszeit wird nun ein Gesamtpotenzial im zweiten Puffer 26 derart für eine Zelle erhöht, auf der die korrespondierende Metallkugel positioniert ist, so dass diese auf eine ein geringstes Gesamtpotenzial aufweisende Nachbarzelle des Verbindungselementabschnitts 20 oder des Teilgebiets 29 wechselt und ausgegeben wird. Eine Ausgabe der Kugel aus dem zweiten Puffer 26 kann alternativ mittels einer elektromagnetischen Kugelschiebeeinrichtung erfolgen. Mittels der Teilchenübertragungseinrichtung 24 wird scheinbar ein Teilchen von dem ersten Puffer 25 zum zweiten Puffer 26 übertragen. Auf diese Weise können beispielsweise Personenbewegungen über Treppen oder Liften nachgebildet werden. Ebenso können Personenströme in räumlichen Gebieten in Personenströme in dazugehörigen kleineren räumlichen Teilgebieten aufgeteilt und damit leichter nachgebildet werden.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verbindung von Stockwerken durch eine Treppe. Gemäß 4 wird ein Verbindungselement für dessen ursprünglichen Anwendungszweck als Treppe benutzt. Die Teilchen 3, die Personen darstellen sollen, werden an einer Quelle im Raum unten links erzeugt und laufen über die Treppe in ein Ziel des zweiten Raums oben rechts. Die nicht sichtbare Treppenbewegung wird durch Puffer 25 und 26 modelliert, dessen Parameter durch gemessene Daten geeignet vorgelegt werden können. Bezugszeichen 20 kennzeichnet jeweils zwei Verbindungselementabschnitte. Der erste Puffer 25 ist einem ersten Teilgebiet 28 und der zweite Puffer 26 ist einem zweiten Teilgebiet 29 zugeordnet.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gangs. Die Teilchen, die Personen darstellen sollen, laufen den Gang entlang, verschwinden im ersten Puffer 25 in einer Teilchenübertragungseinrichtung 24 und erscheinen mit oder ohne Verzögerung wieder am Anfang des Gangs in einem zweiten Puffer 26. Damit kann in dem Beispiel ein Laufverhalten von Personen in einem beliebig langen Gang untersucht werden. Das Zeitintervall zwischen Eingang eines Teilchens 3 in den ersten Puffer 25 und Ausgang eines Teilchens 3 aus dem zweiten Puffer 26 kann beliebig eingestellt sein. Das eingestellte Zeitintervall kann ebenso null sein.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Aufteilung eines Gebietes in zwei Teilgebiete, 28 und 29, wobei eine Teilchenübertragungseinrichtung 24 verwendet wird. Grundsätzlich können der erste Puffer 25 und der zweite Puffer 26 vertauscht sein, oder ebenso sowohl ein Teilchen 3 aufnehmen als auch ausgeben. Dies betrifft alle Ausführungsformen der Teilchenübertragungseinrichtung 24. Gemäß 6 wurde die Teilchenübertragungseinrichtung 24 für eine Zerlegung eines gesamten Simulationsgebiets in zwei Teilen verwendet. Das heißt, der Raum wurde in zwei Teilräume zerlegt, die durch eine Teilchenübertragungseinrichtung 24 begrenzt werden. Falls die beiden Teilräume bzw. Teilgebiete 28 und 29 auf verschiedenen Rechenvorrichtungen simuliert werden, müssen lediglich die Personen, die die Teilchenübertragungseinrichtung 24 passieren zwischen den beiden Berechnungsverfahren ausgetauscht werden. Auf diese Weise lassen sich insbesondere große Außenszenerien, wie es beispielsweise bei einer Simulation von Stadtvierteln oder Häuserblocks der Fall ist, in handhabbare Teilszenerien zerlegen. Die Ergebnisse lassen sich am Schluss wieder in ein Gesamtergebnis für das komplette Gebiet integrieren.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Mit einem Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem räumlichen mit einem Zellgitter 5 überzogenen Gebiet, wobei jede Zelle verschiedene Belegungs- und Gesamtpotenzialzustände einnimmt, die mittels einer Ansteuereinrichtung 7 und einer Rechnereinrichtung 9 eingestellt werden, wobei jeder Zelle ein Zielpotenzial zugeordnet ist, das festlegt wie Teilchen 3 von einem Ziel Z angezogen werden, und ein Hindernispotenzial zugeordnet ist, das festlegt wie Teilchen 3 von einem Hindernis H abgestoßen werden, und wobei jedem Teilchen 3 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 Erfassungseinrichtung 1 erfassten Teilchen 3 in Nachbarzellen der Zelle zusammensetzt. Mit einem Schritt S2 erfolgt ein Positionieren von Teilchen 3 an jeweiligen Startzellen S, wobei danach die Teilchen 3 jeweils von einer Zelle in eine Nachbarzelle mit einem geringsten Gesamtpotenzial wechseln; Mit einem Schritt S3 erfolgt ein Erfassen der Positionen der Teilchen 3 mittels der Erfassungseinrichtung 1. Mit einem Schritt S4 erfolgt ein Aktualisieren der Gesamtpotenzialzustände mittels der Erfassungseinrichtung 1, der Rechnereinrichtung 9 und der Ansteuereinrichtung 7. Mit einem Schritt S5 wird mittels einer Teilchenübertragungseinrichtung 24 jeweils ein Teilchen 3 in einem ersten Puffer 25 aufgenommen und zwischenspeichert und nach Ablauf eines mittels einer Zeitgebereinrichtung 27 eingestellten Zeitintervalls jeweils ein dazugehöriges Teilchen 3 aus einem zweiten Puffer 26 ausgegeben.
