[論文レビュー] Influence of selfish and polite behaviours on a pedestrian evacuation through a narrow exit: A quantitative characterisation

Alexandre Nicolas, Sebastián Bouzat+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Evacuation and Crowd Dynamics参考文献 9被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、制御された人間実験と磁気反発を用いた粒子流の類似模型を用いて、狭い出口からの避難時における自己中心的（競争的）および礼儀正しい（協働的）行動の影響を実験的に調査した。その結果、『速いほうが速い』効果が確認された。自己中心的行動が強いと平均流量が増加し、バースト状の避難が生じる一方、協働的行動は流量を低下させるが、安定性を向上させる。

ABSTRACT

We study the influence of selfish vs. polite behaviours on the dynamics of a pedestrian evacuation through a narrow exit. To this end, experiments involving about 80 participants with distinct prescribed behaviours are performed; reinjection of participants into the setup allowed us to improve the statistics. Notwithstanding the fluctuations in the instantaneous flow rate, we find that a stationary regime is almost immediately reached. The average flow rate increases monotonically with the fraction c\_s of vying (selfish) pedestrians, which corresponds to a "faster-is-faster" effect in our experimental conditions; it is also positively correlated with the average density of pedestrians in front of the door, up to nearly close-packing. At large c\_s , the flow displays marked intermittency, with bursts of quasi-simultaneous escapes. In addition to these findings, we wonder whether the effect of cooperation is specific to systems of intelligent beings, or whether it can be reproduced by a purely mechanical surrogate. To this purpose, we consider a bidimensional granular flow through an orifice in which some grains are made "cooperative" by repulsive magnetic interactions which impede their mutual collisions.

研究の動機と目的

• 狭い出口を通る避難行動における、事前に定められた自己中心的および礼儀正しい行動の影響を定量的に特徴づけること。
• 人間の群衆で観察された協働的行動の効果が、完全に機械的な系でも再現可能かどうかを検証すること。
• 互いの回避行動（礼儀正しい行動）が、粒子流において磁気反発力としてモデル化可能かどうかを検証すること。
• 異なる行動条件下での人間系と粒子系の間で、全体の避難流量と時間間隔分布を比較すること。

提案手法

• 約80名の被験者を用いた制御された避難実験を実施。各被験者に固定された行動役割（自己中心的または礼儀正しい）を割り当て、統計的信頼性を高めるために再注入を実施。
• 自己中心的個体の割合（$c_s$）を変化させながら、平均流量、連続する避難の時間間隔、出口前の空間的密度を測定。
• 磁石と非磁性のディスクを用いたホッパー内での粒子流類似模型を開発。磁気反発力が衝突を防ぐことで、礼儀正しい行動を模倣する。
• 非磁性（自己中心的と類似）ディスクの割合（$c_s$）を変化させ、人間データと比較して流量と時間間隔分布を評価。
• 時間間隔分布 $P( au > riangle t)$ を分析し、特に高 $c_s$ 時に見られる間歇的でバースト状の脱出を検出。
• 補完的累積分布関数とべき乗則フィットを用いて、時間ギャップの重尾的挙動を評価し、つまり詰まりのダイナミクスを特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己中心的歩行者（$c_s$）の割合を増加させると、狭い出口を通る平均避難流量にどのような影響を与えるか？
• RQ2 礼儀正しい（衝突しない）行動が、自己中心的行動と比較してより安定的で、間歇的でない避難ダイナミクスをもたらすか？
• RQ3 人間の協働行動がもたらす巨視的効果（詰まりの低減、滑らかな流れ）が、反発的相互作用を持つ完全に機械的な粒子系でも再現可能か？
• RQ4 出口前の歩行者密度と避難効率との関係は、異なる行動レジーム下でどのように変化するか？
• RQ5 自己中心的行動が増加するに従い、連続する避難の時間間隔分布はどのように変化するか？また、これにより流量の間歇的挙動がどのように明らかになるか？

主な発見

• 平均流量は自己中心的歩行者の割合（$c_s$）に比例して増加し、実験条件下で『速いほうが速い』効果が確認された。
• 高 $c_s$（例：90%）では、時間間隔分布に $ riangle t \to 0$ 付近に明確なピークが観察され、自己中心的行動に起因する間歇的でバースト状の避難が生じていることが示された。
• 平均流量は出口前の歩行者密度と正の相関を示し、$ ho \to 9-10\,\text{m}^{-2}$ 付近で最大値を示し、密着 Packing に近づく。
• 粒子類似模型では、$c_s = 100\%$（非磁性、衝突しやすい）の系が $w = 3\,\text{cm}$ 時に $J = 6.2\,\text{s}^{-1}$ と $c_s = 0\%$（磁性、接触なし）の系を上回り、人間の傾向を再現した。
• 一方、$w = 4\,\text{cm}$ 時には、中間の $c_s \approx 60\%$ で最高流量 $J \approx 11\,\text{s}^{-1}$ を示し、両極端の状態を上回った。これは粒子系における最適なバランスが存在することを示唆した。
• 高 $c_s$ 時の粒子系における時間間隔分布は、大きな $ riangle t$ で傾きが緩やかになる傾向を示し、長時間の詰まりと強い間歇的挙動を示しており、人間避難データと整合的であった。