Evakuierungssimulation

Schema der Animation einer mikroskopischen Evakuierungssimulation. Die simulierten Personen (schnell: grün, stehend: rot) bewegen sich über die freien (schwarzen) Felder auf die Ausgänge (weiß) zu um die Wände (grau) herum.

Evakuierungssimulation bezeichnet die Berechnung des Ablaufes einer Evakuierung auf der Grundlage eines mathematischen Modells. Meist wird diese mit Hilfe eines Computers ausgeführt.

Die Unterscheidung zwischen der Evakuierung von Gebäuden, Schiffen und Fahrzeugen auf der einen und Siedlungen oder Gebieten auf der anderen Seite spielt für die Simulation von Evakuierungsprozessen eine wesentliche Rolle.

Die zweite Phase bei der Evakuierung von Gebieten (der Transport von Personen mit Fahrzeugen) kann z. B. mit Hilfe von Warteschlangenmodellen simuliert werden (siehe unten). Da es sich hier um großräumige Simulationen handelt, werden dafür bislang keine mikroskopischen Modelle eingesetzt.

Klassifikation von Modellen

Simulationen sind die Nachbildung der Realität mit Hilfe von mathematischen Modellen und die Berechnung (i. a. mit Computern) von Vorhersagen auf der Grundlage dieser Modelle. Modelle wiederum sind die Spezifierung einer bestimmten Theorie. Sie lassen sich mit Hilfe folgender Kategorien klassifizieren (Gershenfeld, 1999):

spezifisch	--	allgemein
phänomenologisch	--	erste Prinzipien
diskret	--	kontinuierlich
numerisch	--	analytisch
stochastisch	--	deterministisch
quantitativ	--	qualitativ
makroskopisch	--	mikroskopisch

Simulationen stellen zunächst keine Optimierungswerkzeuge dar. Um eine Optimierung vornehmen zu können, müssen eine Ergebnisfunktion, die minimiert wird und eine oder mehrere zu variierende Variable, definiert werden.

Typische makroskopische Modelle sind die sogenannten Warteschlangenmodelle. Hier wird die Geometrie auf einen Graphen abgebildet und die Personenströme werden als Flüsse auf diesem Graphen betrachtet. Bei mikroskopischen Modellen zieht die charakteristische detaillierte Erfassung der Geometrie i. a. auch die Repräsentierung einzelner Personen nach sich. Falls diese autonom sind und interagieren nennt man sie Agenten und die Modelle Multi-Agenten-Systeme. Stochastische Parameter (üblicherweise der Agenten) dienen der Erfassung nicht näher spezifierter oder quantifizierbarer Einflüsse (z. B. die Schwierigkeiten bei der Orientierung). Diese phänomenologischen Parameter können weder aus anderen direkt messbaren Größen abgeleitet werden, noch ist es möglich, sie in Experimenten direkt zu messen. Daher müssen sie anhand von empirischen Untersuchungen kalibriert werden.

Analytische Ergebnisse sind normalerweise für die Simulation sozialer Systeme nicht möglich. Allgemeine Modelle erlauben die Simulation der Evakuierung von Gebäuden, Flugzeugen und Schiffen gleichermaßen.

Simulation der Evakuierung von Gebieten (Siedlungen)

Die Evakuierung von Gebieten (Siedlungen, Bezirken, Städten) Es gibt einen fließenden Übergang von Bürokomplexen, Stadien, Wohnblocks hin zu ganzen Stadtvierteln. Eine Möglichkeit der Unterscheidung im Zusammenhang mit Simulationen ist der Transportmodus: die Bewegung zu Fuß auf der einen und die Benutzung von Transportmitteln (Fahrzeugen oder Hubschrauber) auf der anderen Seite.
Solche Prozesse werden aufgrund ihrer Größe und Heterogenität üblicherweise mit Warteschlangenmodellen simuliert.

Simulation der Evakuierung von Gebäuden oder Fahrzeugen

Gebäude (Bahnhöfe, Stadien usw.), Schiffe, Flugzeuge und Züge haben im Hinblick auf ihre Evakuierung gemeinsam, dass sich die Personen in erster Linie zu Fuß bewegen. Hinzu kommt die Bewegung auf Rettungsrutschen oder ähnlichem, bzw. bei Schiffen das zu Wasser Lassen der besetzten Boote mit Hilfe von Davits. Diese werden zusammenfassend als Evakuierungssystem bezeichnet.

Simulation der Evakuierung von Fahrgastschiffen

Drei besondere Aspekte kennzeichnen die Evakuierung von Schiffen: - das Verhältnis der Anzahl von Fahrgästen zur Anzahl der Besatzungsmitglieder, - die Schiffsbewegung, - die Bedienung und Benutzung der Rettungsmittel.

Die Bewegung des Schiffes beeinträchtigt die Mobilität der Personen an Bord. Hierzu gibt es eine Reihe von Untersuchungen, die über entsprechende Geschwindigkeits-Reduktionsfaktoren in einer Simulation berücksichtigt werden können.

Ähnliches gilt für die Rolle der Besatzung bei einer Evakuierung. Allerdings ist dieser Einfluss schwieriger zu quantifizieren, so dass dieser Faktor üblicherweise durch das Verhalten der Fahrgäste (schnellere Orientierung oder Reaktion auf den Alarm) berücksichtigt wird. Dieser Zusammenhang bedarf wiederum einer Kalibrierung durch empirische Untersuchungen. Falls nur quantitative Ergebnisse vorliegen, kann der Einfluss der Besatzung im Sinne einer "Annahme des schlechtesten Falles" (worst case analysis) ganz vernachlässigt werden.

Die Evakuierung eines Schiffes besteht aus zwei getrennten Phasen: der Sammlungs- und der Einbootungsphase. Dies spiegelt sich auch in der Simulation wider. Die Dauern für das Bereitmachen und Besteigen der Rettungsmittel (Boote oder Rettungsflösse/-inseln, die über Rutschen erreicht werden) und das Zu-Wasser-Lassen fließen als zusätzliche Parameter in die Simulation mit ein. D. h. der gesamte Ablauf der Evakuierung wird simuliert. Zwar stellen die Rettungsboote keinen endgültig "sicheren Ort" dar. Dennoch betrachtet man die Evakuierung eines Schiffes mit der Entfernung der Boote (bzw. Flöse oder Inseln) aus der Gefahrenzone als abgeschlossen. Die Wiederaufnahme der Personen auf andere Schiffe wird als ein getrennter Prozess betrachtet.

Simulation der Evakuierung von Flugzeugen

Eine Regelung der internationalen Luftfahrt-Behörde (International Civil Aviation Organization [ICAO]) schreibt für die Evakuierungsdauer von Flugzeugen eine Obergrenze von 90 Sekunden vor. Diese muss vor der Zulassung eines Flugzeugtyps nachgewiesen werden. Das geschieht entweder mit Hilfe eines Modells oder auf der Grundlage von Analogien zu bereits zugelassenen Flugzeugtypen.

Bei der Simulation der Evakuierung von Flugzeugen sind - wie bei Schiffen - die Dauer für die Bereitstellung der Rettungsrutschen und die Kapazität der Türen bzw. Rutschen (individuelle Rutschdauer) zu berücksichtigen. Eine Unterscheidung zwischen Sammel- und Rutschphase ist allerdings nicht notwendig, da die Personen unmittelbar zum Notausgang gehen und sofort die Rutsche besteigen. Die Besatzung spielt dabei eine entscheidende Rolle, da sie für die Bereitstellung der Rettungsmittel verantwortlich ist und die Passagiere aktiv unterstützt (z. B. auf die Rutsche schiebt).

Referenzen

• Hubert Klüpfel: A Cellular Automaton Model for Crowd Movement and Egress Simulation. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2003. [1]
• Tobias Kretz: Pedestrian Traffic - Simulation and Experiments. Universität Duisburg-Essen, 2007. [2]

Weiterführende Literatur

• Schadschneider et al. "Evacuation Dynamics: Empirical Results, Modeling and Applications" in R A Meyers (editor) Springer Encyclopedia of Complexity and System Science Springer PDF

Links

• RiMEA - Richtlinie für Mikroskopische Entfluchtungs-Analysen, Offenes Projekt zur Entwicklung einer Richtlinie für den Gebäudebereich [3]
• Literaturübersicht zur Simulation von Menschenmengen und Evakuierungsprozessen [4]
• Homepage eines Personenstrom- und Evakuierungsdynamik-Forschungsnetzwerkes [5]
• An evacuation modelling portal for the simulation of human behaviour during emergency situations [6]