kohta suzuno

49
Pattern formation in Crowd dynamics Kohta SUZUNO MIMS, Meiji Univ. 1

Upload: suurist

Post on 14-Jan-2017

397 views

Category:

Science


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Kohta Suzuno

Pattern  formation  in  Crowd  dynamics  

Kohta  SUZUNO

MIMS,  Meiji  Univ.

1

Page 2: Kohta Suzuno

2

Contents

(1)  Introduc-on  to  crowd  dynamics  (2)  Pa6ern  forma-on  in  crowd  dynamics  (3)  Mathema-cal  modeling  of  crowd  dynamics  

Observa-on

Par-cle  simula-on

Dynamical    system

Page 3: Kohta Suzuno

3

What  is  crowd  dynamics?

(C)NHK (C)NHK

Page 4: Kohta Suzuno

4  

Examples  of  crowd  dynamics

-­‐  Queuing    -­‐  One-­‐way  flow  

-­‐  Crossing  -­‐  Counter  flow

-­‐  Conges-on  -­‐  Turbulent  

Crowd  =  Self-­‐driven  par-cles  with  physical  and  social  interac-on

Page 5: Kohta Suzuno

5

The  importance  (1)

Crowd  flow  shows  collec-ve  pa6erns  

-­‐  Turbulent  pa6ern    -­‐  Lane  forma-on    -­‐  Freezing  transi-on  

-­‐  Dissipa-ve  structures  -­‐  Universality  -­‐  Fluid-­‐Par-cle  correspondence  

Page 6: Kohta Suzuno

6

The  importance  (2)

Crowd  dynamics  contributes  to  social  safety  

(dys)func-on  of  collec-ve  mo-on                                  control    -­‐  avoid  crowd  disasters  -­‐  flow  op-miza-on  -­‐  efficient  transporta-on  

Page 7: Kohta Suzuno

7

The  importance  (3)

-­‐  Crowd  mo-on  has  par-cle-­‐scale  instability.  -­‐  Crowd  system  refuse  the  con-nuous  approxima-on.  -­‐  Need  an  alterna-ve  descrip-on!  

 How  should  we  describe  and  understand        the  discrete  flow?  

 Fluid?    

Par-cle?  

Page 8: Kohta Suzuno

8

Application  (1)

cf.  Lexus  Interna-onal,  "Amazing  in  Mo-on  -­‐  SWARM"  (2013)  and  others.

Page 9: Kohta Suzuno

9

Application  (2)

cf.  worldwarzmovie.com  (2013).

zombi

wall

Page 10: Kohta Suzuno

10

Methods  of  crowd  dynamics  (1)

(1)  Real  crowds  

Observa-on   Experiments  

Page 11: Kohta Suzuno

11

Methods  of  crowd  dynamics  (2)

(2)  Biological  en--es  

[Soria  et  al.,  Safety  Science  50,  1584  (2012)]  

[安倍北夫,  パニックの心理(1974)]  [Zuriguel  et  al.,  Scien-fic  Reports  4,  Ar-cle  no.7324  (2014)]  

obst-­‐acle

sheep

sheep

sheep

sheep

sheep

sheep

sheep

s-mula-on

ant

Page 12: Kohta Suzuno

(3)  Simula-ons    

 (i)  Rule-­‐based      Baer,  report  -­‐  Carnegie-­‐Mellon  Univ.  (1974)    Kirchner  et  al.,  PRE  67,  056122  (2003)]

   (ii)  Physics-­‐based      中村他, 人間工学10 (3), 93 (1974)    Alonso-­‐Marroquin  et  al.,  arxiv.org  (2013)

 

12

Methods  of  crowd  dynamics  (3)

Page 13: Kohta Suzuno

13

Mathematical  description

Stochas-c  models  

Fluid  models  

Self-­‐driven  par-cles  

Phenomenological  ODEs  

Page 14: Kohta Suzuno

14

simple real

macro

micro

CA Mul-  agent

Fluid  mode

Par-cle  simula-on

Neteork  model

Dynamical  system  model

Page 15: Kohta Suzuno

15

Lane  formation

Page 16: Kohta Suzuno

16

Lane  formation:  formulation

The  social  force  model  (Helbing2000)  

perio

dic

the  self-­‐driven  force

N=50

m=80  kg,  tau=0.5  s,  v0=1  m/s,  ri=0.3  m,  A=2000  N,  B=0.08  m,  

15  m

5  m

the  two-­‐body  interac-on

The  B.  C.

Page 17: Kohta Suzuno

17

Lane  formation:  observation

Page 18: Kohta Suzuno

18

Lane  formation:  observation

Page 19: Kohta Suzuno

19

Lane  formation:  properties

 (1)  A  popular  collec-ve  phenomenon        -­‐  possibility  (1974)        -­‐  observa-on  and  simula-on    (1992)    (2)  Counter  driving  force  +  Social  repulsive  force    (3)  "par-cle-­‐resolved  instability"    (4)  Universality      

Page 20: Kohta Suzuno

20

Lane  formation:  similar  phenomena

Granular    stra-fica-on  

[新屋他,  JSSI  &  JSSE  Joint  Conference  (2012)]  

[Dzubiella  et  al.,  PRE  65,    021402  (2002)]  

colloid  

[Makse  et  al.,  Nature  386,  27  (1997)]  

Granular  Rayreigh-­‐  Taylor  instability  

Electric  field  

sand  

sand  

g  

g  

Page 21: Kohta Suzuno

21

Freezing-‐‑‒by-‐‑‒heating

small  noise

large  noise

noise-­‐induced  crystalliza-on  [Helbing(2000)]  

no  noise

Page 22: Kohta Suzuno

22

Freezing-‐‑‒by-‐‑‒heating:  formulation

The  social  force  model  

perio

dic

driving  force noise

The  B.  C.

N=20

m=80  kg,    tau=  0.5  s,    v0=1  m/s,  ri  =  0.3  m,    A=2000  N,  B=0.08  m

15  m

2  m

interac-on

Page 23: Kohta Suzuno

23

Freezing-‐‑‒by-‐‑‒heating:  results

Noise  induces  the  freezing  !?

noise  intensity  

transi-

on  probability  

*data  from  20  realiza-ons

Page 24: Kohta Suzuno

24

Freezing-‐‑‒by-‐‑‒heating:  time  series

almost  lanes

The  -me  series  of  the  total  energy

perfect  lanes  

-me  (s)  

total  kine-

c  E  (J)  

Page 25: Kohta Suzuno

25

Freezing-‐‑‒by-‐‑‒heating:  scenario

kine-c  energy

noise  intensity freezing

laning

small  noise  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  bistable  intermediate  noise  -­‐-­‐-­‐  laning  is  prohibited  large  noise  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  all  possible  states  break  up  

Page 26: Kohta Suzuno

26

Freezing-‐‑‒by-‐‑‒heating:  properties

(1)  Noise-­‐induced  order    Increasing  energy  leads  solid  state    (not  gaseous!)    

     (2)  A  novel  type  of  phase  transi-on?    (3)  Model?

liquid                                                          solid                                                          gas

Page 27: Kohta Suzuno

27

Oscillatory  flow

the  periodic  change  of  the  flow  direc-on  

Page 28: Kohta Suzuno

28

Oscillatory  flow:  history

-­‐  numerically  found    Helbing  et  al.,  PRE  51,  4282  (1995)

 -­‐  experimentally  confirmed  

 Helbing  et  al.,  Transporta-on  sci.  39  1  (2005)    -­‐  empirically  plausible   

Page 29: Kohta Suzuno

29

Oscillatory  flow

-­‐  Numerically  iden-fied  as          the  Hopf  bifurca-on  (Corradi2012)    -­‐  The  physical    mechanism  is              s-ll  unknown    -­‐  A  similar  phenomenon:        saltwater  oscillator  (Yoshikawa1991)  

bo6leneck  width

center  of  m

ass

water

saltwater

Page 30: Kohta Suzuno

30

Simulation:  setup

Model:  the  SFM  

B.C.  :  a  periodic  channel  45 m

5 m w

4 m

Parameters:   N=150, m=80  kg,  𝜏=0.5  s,  v0=1.0m/s  A=573  N,  B=0.08  m  

Page 31: Kohta Suzuno

31

Simulation:  results

The  -me  evolu-on  of    the  momentum  density                    The  Fourier  amplitude    v.s.  bo6leneck  width  

-me[s]  

         m

omen

tum  

bo6leneck  width  [m]  

   amplitu

de  

Page 32: Kohta Suzuno

32

Oscillatory  flow:  open  questions

-­‐  A  type  of  nonlinear  self-­‐excitable  oscillator?    -­‐  Mathema-cal  model?    -­‐  The  rela-on  to  the  fluid  oscillator?    -­‐  Synchroniza-on?  

Page 33: Kohta Suzuno

33

The  faster-‐‑‒is-‐‑‒slower  effect

Faster  mo-on  results  in  slower  evacua-on  [Helbing(2000)}  

driving  force  (m/s)

evacua-o

n  -m

e  (s)

Page 34: Kohta Suzuno

34  

the  microscopic  many-­‐par-cle  model    (the  social  force  model,  SFM)  

self-­‐driven  force

repulsive  force

elas-c  force fric-on

wall

exit

The  faster-‐‑‒is-‐‑‒slower  effect:  detail

m dvi (t)dt

= fself + fijj≠i∑

Page 35: Kohta Suzuno

35  

The  faster-‐‑‒is-‐‑‒slower  effect:  detail

mechanism?    

modeling!  

driving force

driving force driving force

Suzuno  et  al.,  Phys.  Rev.  E  88,  052813  (2013).

Page 36: Kohta Suzuno

36  

We  just  consider  the  par-cle  near  the  exit  and  its  equa-on  of  mo-on.  

NAnaly-c  expression    of  the  flow  velocity  

The  outline  of  the  modeling

Page 37: Kohta Suzuno

37  

-­‐  the  eq.  of  mo-on  

h v0

kg(l)+Ae κg(l)vr

-­‐  balance  of  force  

x

g(x)

We  focus  on  the  arch  forma-on  of  the  par-cles.  

l

v0

Note:  dimensionless.  a  means  the  collision  effect.    

[ ]

The  modelSuzuno  et  al.,  Phys.  Rev.  E  88,  052813  (2013).

Page 38: Kohta Suzuno

38  

(1)  The  discharge  property  is  determined                by  the  par-cles  in  the  vicinity  of  the  exit.    (2)  The  flow  has  radial  symmetry.    (3)  N  is  fixed.    (4)  The  flow  rate  is  propor-onal                to  the  velocity  of  the  model  par-cle.    (5)  The  parameters  sa-sfy                                                                .              (This  means  that  fric-on  is  appropriately  large.)  

N

The  model  assumptions

Page 39: Kohta Suzuno

39  

Model  

Sta-onary  situa-on  

l

the  analy-cal  expression  of  the  velocity!  

[ ]

The  model  analysis

Page 40: Kohta Suzuno

40  

Our  model  reproduces  the  simula-on  results.  our  model   simula-on  

The  model  results

"faster"  is  "slower"

Suzuno  et  al.,  Phys.  Rev.  E  88,  052813  (2013).

Page 41: Kohta Suzuno

41  

1+g(v0) (contact  fric-on)  v0            (driving  force)  

coupling  const.  of  the  social  force

linear  elas-city

faster-­‐is-­‐slower

ouulow   ~  

The  solu-on  has  the  form  

The  mechanism  of  the  phenomenon

Suzuno  et  al.,  Phys.  Rev.  E  88,  052813  (2013).

Page 42: Kohta Suzuno

42  

If  our  model  is  correct,  the  original  system  shows:    

(a)  If  fric-on  is  linear,  then  no  "faster-­‐".  (b)  If  no  fric-on,  then  no  "faster-­‐".  

Validation

linear  fric-on    

no  fric-on  

correct  predic-ons!  

Suzuno  et  al.,  Phys.  Rev.  E  88,  052813  (2013).

Page 43: Kohta Suzuno

43  

(1)    We  proposed  a  simplified  model  for                the  "faster-­‐is-­‐slower"  effect.    (2)  We  clarify  that  the  "faster-­‐"  comes  from      the  compe--on  between  driving  force      and  nonlinear  fric-on.    

 (3)  This  work  gives  an  example  of                the  study  of  collec-ve  discrete  flow                via  mathema-cal  modeling.  

Summary  of  "faster-‐‑‒is-‐‑‒slower"

Page 44: Kohta Suzuno

44

Summary  of  the  talk

Crowd  dynamics  offers:        (i)  examples  of  spontaneous  pa6ern  forma-on  

   (ii)  insights  into  the  efficient  transporta-on  

   (iii)  mathema-cal  issues:  how  to  describe        the  mesoscale,  transient  and  discrete  flow?  

Page 45: Kohta Suzuno

45

Critical  discussion  (1)

cri-cism  1.      How  do  you  believe  you  can  describe  mathema-cally    the  crowd  mo-on,  which  is  related  to  the  free  will?  

 cri-cism  2.  

 You  can  reproduce  any  results  from  simula-ons.    cri-cism  3.  

 Is  crowd  mo-on  the  result  of  self-­‐organiza-on  truly?  

Page 46: Kohta Suzuno

46

Critical  discussion  (2)

Mathema-cal  (physical)  studies  of  crowd  dynamics    only  hold  for:    

 (i)  panic  situa-ons,      (ii)  each  person  have  their  definite  des-na-ons        but  the  ways  to  reach  there  are  less  conscious,        (iii)  the  size  of  crowds  is  large,  

 that  is,  the  absence  of  sophis-cated  intelligent  ac-on.    

Page 47: Kohta Suzuno

Many  types  of  model  is  available:      

     To  avoid  the  arbitrariness  of  results,      we  should  take  the  following  steps:      

 (i)  assume  physically-­‐acceptable  mechanisms,    (ii)  reproduce  the  phenomenon  by  minimal  models,  and    (iii)  iden-fy  the  necessary  condi-on.  

47

Critical  discussion  (3)

circle      ellip-c    non-­‐spherical      

Page 48: Kohta Suzuno

rather  social  

48

Critical  discussion  (4)

The  concept  of  self-­‐organiza-on  is    NOT  omnipotent  

rather  physical  

-­‐  Crowd  mo-on  includes  social  factors.  -­‐  We  have  to  no-ce  that  all  crowd  mo-on        should  not  be  reduced  to  Mathema-cal  models.      

Page 49: Kohta Suzuno

       END

Thank  you    for  your  a6en-on

49