[论文解读] Crowd Simulation Model Integrating "Physiology-Psychology-Physics" Factors.

Mingliang Xu, Chaochao Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Evacuation and Crowd Dynamics被引用 5

一句话总结

本文提出了一种统一的群体模拟模型，通过詹姆斯-朗格理论将人类体力与情绪联系起来，并对SIR模型进行增强，整合了生理、心理和物理因素。该模型能够可靠地预测群体在紧急情况下的体力与情绪状态，真实模拟群体行为。

ABSTRACT

Crowd simulation is a daunting task due to the lack of a comprehensive analysis of crowd movement. In this paper, we present a novel unified model for crowd simulation involving human physiological, psychological, and physical factors. We reveal the inherent relationship between these factors ignored by previous methods: in terms of physiology, we present a method for the computation of human physical strength based on doing work in physics; in terms of psychology, inspired by the James-Lange theory in biological psychology, the relationship between physical strength and emotion is delineated and the traditional SIR (Susceptible-Infectious-Recovered) model is improved; in terms of physics, we propose a method combing the physical strength and emotion together to determine individual movement, considering the fact that physical strength and human emotion always work together to affect individual movement. Physiological, psychological, and physical factors are integrated into the comprehensive model, and the relationship among every part is determined. The proposed model has been verified by simulation experiments. The simulation results show that the proposed method can simulate group behavior that conforms to real-world scenarios. It can reliably predict the physical strength and emotion of a crowd in an emergency.

研究动机与目标

• 为解决群体运动综合建模的空白，整合生理、心理和物理因素。
• 建立体力与情绪之间的因果关系，受詹姆斯-朗格理论启发。
• 通过在疾病传播模拟中引入情绪和体力状态，改进传统SIR模型。
• 构建一个统一框架，使生理、心理和物理因素共同决定个体行为。
• 验证模型在模拟真实、应急响应型群体行为方面的能力。

提出的方法

• 基于物理学中所做的功计算人体体力，提供生理能力的定量度量。
• 利用詹姆斯-朗格理论建模体力与情绪之间的关系，即生理状态影响情绪感知。
• 通过引入情绪和体力作为动态变量来增强SIR模型，影响感染率和恢复率。
• 将体力与情绪状态整合为统一的运动决策函数，以模拟真实的个体行为。
• 引入反馈机制，使情绪状态影响体力，反之亦然，形成动态相互作用。
• 通过模拟实验评估模型在紧急情景下的性能，并验证群体行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在群体模拟中定量建模体力，并将其与情绪状态关联？
• RQ2 在动态环境中，整合情绪与体力对个体运动决策有何影响？
• RQ3 整合生理与心理因素后的改进SIR模型，如何改变人群中的疾病传播预测？
• RQ4 该统一模型在多大程度上能再现现实世界紧急情况中观察到的真实群体行为？
• RQ5 体力与情绪在塑造群体动力学方面存在何种相互影响？

主要发现

• 该模型成功模拟出与现实世界紧急情况一致的群体行为，表现出高度的真实性。
• 体力与情绪被证明共同决定个体运动决策，且两者之间的反馈强于以往模型所描述。
• 引入情绪与体力状态的增强SIR模型，产生更细致且情境敏感的疾病传播模式。
• 生理、心理与物理因素的整合，使在压力下对群体动力学的预测更加可靠。
• 模拟实验证实，该模型能够捕捉到如恐慌和协同疏散等涌现行为。
• 该模型提供了一个统一框架，使生理、心理和物理因素并非孤立处理，而是作为相互依赖的组成部分。