[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种新颖的情绪驱动人群模拟模型，结合基于物理的计算方法与詹姆斯-朗格理论，以模拟恐慌动态。通过将个体的体力消耗与情绪状态关联，该模型能够预测紧急场景下真实的恐慌传播与行为模式，在模拟恐慌强度与空间传播方面优于以往模型。

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.

研究动机与目标

• 解决现有人群模拟模型在紧急场景中未能有效建模体力消耗与恐慌之间动态相互作用的缺陷。
• 开发一种基于物理的个体体力消耗计算方法，用于人群移动过程中的体力消耗。
• 不仅通过情绪传染机制，还通过体力疲劳的影响来建模恐慌水平，灵感源自詹姆斯-朗格理论。
• 构建一个统一的模拟框架，使体力疲劳与恐慌共同决定个体的移动决策。
• 通过真实世界视频序列与基准模拟对模型进行验证，证明其在恐慌传播与行为动态方面具有更高的真实性。

提出的方法

• 使用基于物理的数值方法计算体力消耗，该方法考虑个体质量、速度与移动时长。
• 通过增强的情绪传染模型估算恐慌水平，将个体当前的体力消耗作为关键输入。
• 应用詹姆斯-朗格理论，以建模生理状态（体力疲劳）与心理状态（恐慌）之间的因果关系。
• 根据个体的恐慌水平与体力消耗动态调整其期望速度与加速度，从而影响移动方向与速度。
• 建立反馈回路：恐慌影响移动行为，而移动行为又进一步增加体力消耗，形成逼真的疲劳与压力循环。
• 在模拟地铁站与人行横道等虚拟环境中的模型，用于评估紧急条件下恐慌传播与行为反应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在紧急场景中，如何准确建模人群移动过程中的体力消耗？
• RQ2 体力疲劳对个体在疏散过程中恐慌水平演变有何影响？
• RQ3 与仅依赖情绪传染的模型相比，整合体力消耗在多大程度上提升了恐慌传播的真实性？
• RQ4 该模型在多大程度上能复现真实世界紧急事件视频中观察到的人群行为？
• RQ5 与现有模型（如Durupinar模型）相比，该模型在空间与时间传播上的恐慌强度如何？

主要发现

• 该模型成功使用基于物理的方法动态计算体力消耗，考虑了质量、速度与时间因素。
• 恐慌水平不仅因靠近危险源而上升，也因累积的体力疲劳而升高，该机制通过受詹姆斯-朗格理论启发的模型实现。
• 模拟结果表明，与Durupinar模型相比，本模型在恐慌传播的空间范围与峰值强度方面均表现出更真实、更强烈的传播效果。
• 恐慌水平的热力图显示，该模型能捕捉恐慌从源头逐步扩散并随距离衰减的模式，与真实世界模式一致。
• 模型预测的行为与真实世界视频序列高度吻合，尤其在疏散动力学与出口附近人群聚集方面表现突出。
• 热力图显示，与Durupinar模型相比，本模型在后期帧中出现更深的红色区域（代表更高恐慌水平），表明其在模拟恐慌强度方面表现更优。