Acil durumlarda yaya tahliyesi için grup davranışı içeren sosyal kuvvet modeli önerisi
Proposal of social force model including group behaviour for pedestrian evacuation in emergency situations
Yazar: YAKUP TURGUT
Danışman: YRD. DOÇ. CAFER ERHAN BOZDAĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering
Dizin: Ajan tabanlı modelleme = Agent based modeling

Özet:
Güvenlik insanların temel ihtiyaçlarından birisidir. Öte yandan  yangın, terör saldırısı ve doğal felaket gibi durumlar insanların ve diğer canlıların can ve mal güvenliği için büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Bu tür felaketlerle  yaşamımız boyunca çok sık karşılaşmamıza rağmen, karşılaşmamız durumunda hazırlıksız yakalanmamıza bağlı olarak çok dramatik sonuçlarla karşılaşabiliriz. Bu felaketlerden çoğu zaman kaçınmak mümkün olmadığından dolayı, karşılaşmamız anında olabileceklere karşı alınabilecek önlemler  kayıpları en aza indirmek açısından faydalı olacaktır.

Acil durumlardaki kayıpları en aza indirebilmek için etkili tahliye planlarına ihtiyaç vardır. Deneysel çalışmalar ve bilgisayar destekli analizler bu planların oluşturulmasında uygun yöntemler olarak görülmektedir. Matematiksel denklemler, bazı fizik teorileri ve simülasyon modelleri tahliye planlamasında bilgisayar destekli analizin temelini oluşturmaktadır.

Acil durumdaki yaya davranışlarının modellenmesi yeni bina tasarımından robot planlama ve kontrolü gibi birçok farklı alanda önemli bir yere sahiptir. Trafik ve yapı mühendisleri, yaya trafiği planlamacıları ve tahliye planlamacıları en etkili tahliye ve yaya akışını sağlamak amacıyla bu modelleri yaptıkları yapıların tasarımı aşamasında bir girdi olarak kullanabilir.

Yaya dinamiklerinin modellemesinde kullanılan modellere son yıllarda olan ilgi artmaktadır. Çünkü bu modeller yaya davranışlarının tahmin edilmesinde ve tahliye bölgelerinin tasarımında kritik bir role sahiptir. Bu modeller literatürde farklı şekillerde sınıflandırılmaktadır. En yaygın olarak kullanılan sınıflandırmalar Mikroskopik-Makroskopik, Sürekli-Kesikli, Deterministik-Stokastik şeklindedir. Bu çalışma içerisinde ise modeller Mikroskopik-Mezoskopik-Makroskopik şeklinde sınıflandırılmıştır.

Çalışma içerisinde bu üç temel başlık altında toplanan modelleri incelediğimiz zaman, hesaplama zamanı ve sağlanan detay seviyesi noktalarında farklılıklar olduğu görülmektedir. Mikroskopik modeller daha fazla hesaplama zamanına ihtiyaç duyarken, daha detaylı ve daha gerçekçi yaya davranışları ortaya çıkardığı görülmektedir. Makroskopik modeller ise mikroskopik modellerin tam tersi daha az hesaplama zamanı ve daha az detaya sahip modeller ortaya koymaktadır. Mezoskopik modeller ise iki yaklaşımın hibrid hali olarak göze çarpmaktadır. Literatürde kullanılan modellere baktığımız zaman  Mikroskopik modeller içerisinde yer alan Ajan Temelli modelleme yaklaşımının daha yaygın olarak kullanıldığı görülmektedir.

Ajan temelli benzetim bireylerin otonom ve birbirleriyle etkileşim kurabilen ajanlar olarak tanımlandığı modellerdir. Ajanlar sahip oldukları kurallar doğrultusunda bilgi alma, alınan bilgiyi işleme, değişen ortama uyum sağlama ve karar verme yeteneğine sahip otonom bireylerdir Ajan temelli modelleme ve simülasyon kesikli olay simülasyonu ve nesneye yönelik programlama yönteminden faydalanarak kompleks uyarlanabilir sistemleri yönetir.

Yaya davranışlarının modellenmesinde kullanılan mikroskopik modellerden biri Sosyal Kuvvet Modelidir. SKM yayaların hareketlerinin belirli kuvvetlerin etkisi altında ortaya çıktığını ileri süren, Newton'un ikinci hareket yasasına dayanan matematiksel bir modeldir. Modelin bu ismin almasının sebebi yayaların hareketlerinin ortaya çıkmasında etkili olan içsel motivasyonları birer kuvvet olarak düşünmesidir.  Modelin bazı eksik yanları olmasına rağmen, yaya davranışlarının modellenmesinde literatürde çok önemli bir yere sahiptir.


%Acil durumdaki yaya hareketlerinin yalnızca birer robot, ya da fiziksel paçacık şeklinde modellendiği modeller her zaman için eksik kalacaktır. Çünkü psikolojik, sosyolojik, eğitim vb., faktörler yayaların sergilediği davranışları etkilemektedir. Ayrıca yayalar çevresiyle etkileşim kuran sosyal varlıklardır. 

Bu tez çalışmasında acil durumda kaçan yaya gruplarını modellemek amacıyla matematiksel bir model oluşturulmuş ve AnyLogic yazılımı kullanılarak modelin implementasyonu sağlanmıştır. Önerilen model Helbing'in temel SKM dayanmakta olup, model üzerinde grup davranışı doğrultusunda bazı değişiklikler yapılmıştır. Temel modele, modelin eksikleri ve grup davranışı doğrultusunda bazı yeni kuvvetler eklenmiştir.

Ajan temelli modelleme yaklaşımı kullanılmış ve yayalar belirli kuvvetlerin etkisi altında hareket eden ajanlar olarak modellenmiştir. Yayaların belirli bir t anındaki yeni konumlarının ve hızlarının elde edilmesinde Euler nümerik yönteminden faydalanılmıştır. Önerilen model iki boyutlu düzlemde sürekli iken, adi diferansiyel denklemin çözümünde kullanılan Eüler  nümerik yaklaşımdan dolayı zaman kesiklidir.

 Yayalar gruplara bölünmüş ve gruplar halinde hareket etmeleri sağlanmıştır. Yaya grupları oluşturulurken Sosyal uzaklık teorisi ve K-Means kümeleme algoritmasından faydalanılmıştır. Yaya yoğunluğunun 0.125 den küçük olduğu durumlarda yayalar sosyal uzaklık teorisine göre gruplandırılırken yaya yoğunluğunun daha büyük olduğu durumlarda K-means kümeleme algoritmasından faydalanılmıştır. Yayaların birarada hareket etmelerini sağlamak amacıyla Boids algoritmasından esinlenilmiş ve grup içerisinde yer alan yayaların algılanan kütle merkezleri hesaplanarak ve bu kütle merkezinden grup üyelerine hayali bir grup kuvveti uygulanarak grup üyelerinin birbirlerine yakın hareket etmeleri sağlanmıştır. Ayrıca grup davranışının bir alt türü olan lideri takip etme davranışını da incelemek amacıyla her bir grup içerisinde bir lider olma durumunu incelenmiş, lider çekici kuvveti sosyal kuvvet modeline eklenmiştir. Ayrıca liderin hedefe doğru gidişinin engellenmemesi amacıyla lider itici kuvveti de eklenmiştir.
Önerilen modelin etkinliğini ortaya koymak amacıyla simülasyon deneyleri yapılmıştır. Yaya sayısı, çıkış sayısı, çıkışın genişliği, engellerin varlığı, konumu, grup sayısı ve lider sayısı gibi farklı senaryolar test edilmiş ve tüm senaryolar için tahliye süreleri elde edilmiştir. Her bir deney için 100 koşum yapılmış ve yapılan koşumların ortalaması alınarak   tahliye süreleri elde edilmiştir. 

Modelin doğrulanmasını sağlamak amacıyla önerilen model literatürde yer alan çalışmalar ile karşılaştırılmış ve çalışmalara benzer sonuçlar verdiği görülmüştür. Daha sonra ise modelin acil durumlarda meydana gelen yaya olgularını meydana getirme durumu incelenmiş ve bu durumların birçoğunu ortaya koyduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Security is one of the basic needs of people.  On the other hand, situations such as fire, terrorist attacks and natural disasters pose a major threat to the lives and property of people and other living things. Although we have not met with these kinds of disasters very often throughout our lives, we may encounter very dramatic results depending on whether we are caught unprepared or not. Because these disasters are often impossible to avoid, Disaster countermeasures will be useful in terms of minimizing the losses in case we meet with a disaster.

The modeling of pedestrian behavior in emergency situations is important for many disciplines. The modeling of pedestrian behavior is an important factor for the design of new buildings, robot programming, pedestrian traffic planning and emergency planners. Traffic and civil engineers can use these models as an input to design structures that will provide the most efficient evacuation and pedestrian flow. Particularly in countries where the number of pedestrians is increasing, such as Istanbul, the modeling of pedestrian behavior has a critical prescription.

Effective evacuation plans are needed to reduce the most casualties in emergencies. Experimental  studies and computer based analysis studies related to evacuation planning of structures (buildings) at these points are seen as suitable methods. Evacuation planning involves iterative processes and aims to ensure that people in a particular area are removed from this area as soon as possible in a risky situation and identify the most appropriate routes to provide these exits. Computer-aided analysis studies seem to be used more widely in the literature in evacuation planning, as they are less costly than experimental (practical) studies. Mathematical equations, some physics theories and simulation models are the basis of the computer assisted analysis studies used in the evacuation planning.
 
Models used to simulate pedestrian dynamics have begun to attract much attention in recent years, because these models play an important role in predicting pedestrian behavior and in designing evacuation zones. The models used in modeling the behavior exhibited by the publications are based on physical rules and mathematical equations.  According to the results of literature review, there are various approaches in classification of models in studies. Microscopic-macroscopic, homogeneous-heterogeneous, intermittent-continuous and stochastic-deterministic models are the most common types of classifications. The majority of names used in these classifications refer to a state or a feature in a model. In this thesis, models will be introduced and examined under macroscopic and microscopic and mesoscopic titles in classification.

When we examine the models collected under the three basic headings, it is seen that there are differences in the complexity of the calculation and the level of detail between the models. While microscopic models require the most computation time, they provide a more detailed way to create realistic pedestrian patterns. On the other hand, where the number of pedestrians is too great, the macroscopic models may become more suitable due to the exponential increases during the calculation. Where interactions between pedestrians are not important, macroscopic models may be a suitable modeling approach.  it is seen that the number of simulation software based on the Agent Based modeling approach is higher than the number of other model types. The most important reason for this is that the Agent Based modeling approach can provide more realistic results in modeling human behaviors. 

Agent-based models define pedestrians as autonomous agents that can interact with each other and their environment. Based on agent-based modeling and simulation, the work is based on complex adaptive systems. Complex adaptive systems have the characteristics of autonomous individuals in the system, interaction between these individuals and adaptation of individuals to changing environment conditions. In complex systems, behaviors that are difficult to predict, which come into play due to the interaction of each individual in the system and their interactions, are called emergent behaviours. Agents are units that have the ability to make decisions in a complex adaptive system. Agents are autonomous individuals with the ability to receive information, process information, adapt to changing environment and make decisions in line with the rules they have. Agent-based modeling and simulation utilizes discrete event simulation and object oriented programming methods to manage complex adaptive systems. It is also referred to as the down-up modeling approach because it allows the generic behavior of the system to be revealed by one-to-one modeling of each agent in the system.

The Social force model is based on the assumption that the movements of the pedestrians are facilitated under the influence of certain forces. It is basically based on Newton's second fundamental law of motion. The model received this name because the internal motivations of the pedestrians are considered as forces. Although the social force model is lacking, it is a very valuable model for modeling pedestrian movements. 
Models in which the movements of the pedestrians in an emergency are modeled as robots, only physical ones as particles, will always be missing. The influence of factors such as psychological, sociological, educational, etc. they have under the behaviors exhibited by the victims in an emergency must not be ignored. In addition, pedestrians tend to interact with other pedestrians around as a social entity. It is seen that the effects of these factors and the behavioral situations arising from these factors must be examined when modeling the movements of the pedestrians in the emergency situations.

We can divide the behaviors exhibited by the pedestrians into two main groups: group behavior and individual behavior. It is unacceptable to ignore group behavior in modeling pedestrian behavior. The pedestrian has a tendency to exhibit largely group behavior from individual behaviors in emergencies.
 
In this thesis, a mathematical model has been created using AnyLogic to simulate escaping pedestrians behaviour during an emergency situation. The proposed model is based on the basic SKM model of Helbing and some changes and additions have been made in the direction of the group behavior suggested on Helbing's model in order to make the pedestrians behavious more realistic. The model has additional forces implemented both for improving social force model and to implement group behaviour.
 
Agent-based modeling approach has been used as modeling approach and the pedestrians has been modeled as acting agents acting under specific forces. Depending on the size of the determined step, pedestrians are accelerated under the influence of the forces acting on them and they changes their speed and  position depending on this acceleration. Each simulated pedestrian is evaluated as an independet agent that move according to its local perception of the dynamic environment and the movements of the pedestrians are obtained by solving the ordinary differential equation which is formed by the forces acting on them by the Euler method. While the generated model is continuous in the two dimensional plane, time is discrete due to the numerical approach used to solve the ordinary differential equation. 

In this work, the pedestrians are divided into groups and they allow to move in groups. The social distance theory and the K-Means clustering algorithm have been utilized while building pedestrian groups. In cases where the pedestrian density is less than 0.125, the pedestrians are grouped according to the social distance theory and the K-means clustering algorithm is used where pedestrian density is greater. Inspired by the Boids algorithm to calculate the perceived mass centers of the pedestrians in the group, and by applying an imaginary group force to the group members from the center of mass, the group members were made to move close to each other. In addition, the leading attractor force was added to the social force model in order to examine the leader behavior within each group to examine the behavior of the leader, a subtype of group behavior. A leader driving force is also added to prevent the leader from going to the target.

Modeling of pedestrians with different size and number of group members is provided. The creation of realistic pedestrian groups has been achieved with the help of the theory of social distance utilized in the formation of groups. In case of emergency, the feeling of hastiness of the pedestrians is included in the model by the desired speed being dependent on the time.
 
Simulation experiments were carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed model. Different scenarios such as pedestrian number, exit number, exit width, presence of obstacles, location, group number and leader number were tested and evacuation times were obtained for all scenarios.   Obtained evacuation times were obtained by taking Monte Carlo approach and taking averages of at least 100 runs with a margin of error of 0.05 in 95 confidence intervals.

To verify the proposed model proposed, two apprhach was applieds. First, the model was compared with the studies in the literature and it was seen that the results gave similar results to the studies. Then, the situation of bringing the pedestrian phenomenon that emerged in an emergency into the model was examined, and it was observed that most of these cases were revealed.

In the further studies we aims to create more realistic pedestrian models with new models to be created based on pedestrian data analysis and fuzzy logic. We also consider to compare our model with some real evacuation experiments for validation.