[論文レビュー] Emotion-Based Crowd Simulation Model Based on Physical Strength Consumption for Emergency Scenarios

Mingliang Xu, Chaochao Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2017

Evacuation and Crowd Dynamics参考文献 73被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、物理的疲労とパニックの動的相互作用をモデル化する新しい感情ベースの群衆シミュレーションモデルを提案する。物理ベースの計算とジェイムズ＝ラング理論を統合し、個々の身体的疲労を感情状態に関連付けることで、緊急事態における現実的なパニックの拡散と行動様式を予測する。従来のモデルに比べ、パニックの強度と空間的伝播の両面で優れた性能を示す。

ABSTRACT

Increasing attention is being given to the modeling and simulation of traffic flow and crowd movement, two phenomena that both deal with interactions between pedestrians and cars in many situations. In particular, crowd simulation is important for understanding mobility and transportation patterns. In this paper, we propose an emotion-based crowd simulation model integrating physical strength consumption. Inspired by the theory of "the devoted actor," the movements of each individual in our model are determined by modeling the influence of physical strength consumption and the emotion of panic. In particular, human physical strength consumption is computed using a physics-based numerical method. Inspired by the James-Lange theory, panic levels are estimated by means of an enhanced emotional contagion model that leverages the inherent relationship between physical strength consumption and panic. To the best of our knowledge, our model is the first method integrating physical strength consumption into an emotion-based crowd simulation model by exploiting the relationship between physical strength consumption and emotion. We highlight the performance on different scenarios and compare the resulting behaviors with real-world video sequences. Our approach can reliably predict changes in physical strength consumption and panic levels of individuals in an emergency situation.

研究の動機と目的

• 既存の群衆シミュレーションモデルが緊急事態における身体的疲労の消費とパニックの動的相互作用を十分にモデル化できないというギャップを解消すること。
• 群衆移動中の個々の身体的疲労消費を物理的根拠に基づいて計算する手法を開発すること。
• 感情の伝染に加え、身体的疲労の影響を考慮したパニックレベルのモデル化を、ジェイムズ＝ラング理論にインspiredして行うこと。
• 身体的疲労とパニックが共同で個々の移動意思決定を決定する統合的シミュレーションフレームワークを構築すること。
• 実世界の映像データとベンチマークシミュレーションを用いてモデルを検証し、パニックの拡散と行動ダイナミクスにおける現実性の向上を示すこと。

提案手法

• 身体的疲労消費は、個々の質量、速度、移動時間の要因を考慮した物理ベースの数値手法を用いて計算する。
• パニックレベルは、現在の身体的疲労消費を重要な入力として組み込んだ強化された感情的伝染モデルを用いて推定する。
• ジェイムズ＝ラング理論を応用し、生理的状態（身体的疲労）と心理的状態（パニック）の因果関係をモデル化する。
• 個々の希望速度と加速度は、パニックレベルと身体的疲労消費に基づいて動的に調整され、移動方向と速度に影響を与える。
• パニックが移動に影響を与え、それが逆に身体的疲労消費を増加させるフィードバックループを確立し、疲労とストレスの現実的なサイクルを再現する。
• シミュレーションは地下鉄駅や横断歩道を模擬した仮想環境に実装され、緊急事態下でのパニックの拡散と行動反応を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 緊急事態下における群衆移動中の身体的疲労消費をどのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 身体的疲労が避難過程における個々のパニックレベルの変化に与える影響は何か？
• RQ3 身体的疲労消費を統合することで、感情的伝染に依存するモデルと比較して、パニック拡散の現実性はどの程度向上するか？
• RQ4 提案モデルは、実世界の緊急事態映像で観察される群衆行動をどの程度再現できるか？
• RQ5 空間的・時間的伝播の観点から、本モデルのパニック強度は、ドゥルピナールのモデルと比較してどの程度優れているか？

主な発見

• 本モデルは、質量、速度、時間の要因を考慮した物理ベースのアプローチにより、身体的疲労消費の動的変化を成功裏に計算している。
• パニックレベルは、危険要因への接近に加え、蓄積された身体的疲労によっても上昇し、ジェイムズ＝ラングにインspiredしたメカニズムで捉えられている。
• シミュレーション結果から、本モデルでは、特に空間的範囲とピーク強度の観点で、ドゥルピナールモデルと比較してより現実的かつ強いパニックの拡散が確認された。
• パニックレベルのヒートマップは、危険源から始まるパニックの進行的拡散と距離による減衰を捉えており、実世界のパターンと一致している。
• 本モデルの予測行動は、避難ダイナミクスと出口付近の群衆クラスタリングの観点で、実世界の映像データとよく一致している。
• ヒートマップの後期フレームにおいて、赤色が深く（パニックが強い領域が広がる）なることから、本モデルはドゥルピナールモデルに比べてパニック強度をより優れた形で再現していることが示された。