SIEMENS

Jedes Jahr gibt es Tote, weil eine Menschenmenge in Panik gerät – sei es in Stadien, in Freizeitparks oder Bahnhöfen. "Sie ersticken oder werden zu Tode getrampelt", beschreibt Dr. Gerta Köster von Siemens Corporate Technology (CT) in München den Extremfall. Köster und ihr zehnköpfiges Team arbeiten daran, belebte Plätze durch Personenstromsimulation, die so genannte Crowd Control, sicherer zu machen. Die Experten simulieren dabei, inwiefern sich bestimmte Szenarien mit verschiedenen Menschendichten auf die Bewegung der Menge auswirken. "Dank immens gestiegener Rechnerleistung wird daran seit etwa zehn Jahren weltweit verstärkt geforscht", sagt Gerta Köster.
Das Crowd Control Team hat die bisher vorwiegend universitäre Grundlagenforschung weiterentwickelt. Köster will mit diesem Know-how die Lösungen verschiedener Siemens-Bereiche verbessern. Etwa für die Division Mobility, um Produkte wie die Innenräume von Zügen besser zu gestalten und so den Fahrgastwechsel an Bahnhöfen zeitlich zu optimieren. Auch für die logistische Planung von Veranstaltungen, Infrastrukturen und Verkehrsanlagen in der Division Building Technologies soll die Personenstromsimulation eingesetzt werden.
In ihrem Labor lässt Gerta Kösters Computer die Farben spielen – Grün zeigt eine geringe, Gelb eine mittlere und Rot eine hohe Menschendichte an. Ist das Gelände weiträumig und bietet viel Platz, halten Personen Abstand voneinander und zu den Wänden. Doch dieses Verhalten geben sie auf, wenn sie sich einem schmalen Durchgang nähern. Sie rücken enger zusammen und drücken sich näher an die Wände, um durch den Engpass zu kommen. Ein Stau entsteht. Sobald mehr Platz da ist, gehen die Menschen wieder auseinander – und die dunkelrote Einfärbung wird wieder gelb und grün.
"Wir können das Gehverhalten von mehreren zehntausend Personen, die sich gleichzeitig bewegen, simulieren und visualisieren", kommentiert die Forscherin die Computer-Demonstration. "Basis für die Simulation ist ein spezieller mathematischer Ansatz, der zelluläre Zustandsautomat." Dabei teilt ein hexagonales Gitter den zweidimensionalen Raum in Zellen ein, von denen jede einen eindeutigen Zustand besitzen muss: "leer" oder "besetzt". Wenn sie besetzt ist, dann durch eine Person, ein Hindernis oder ein Ziel. Der Zellstatus wird durch Regeln kontinuierlich und automatisch aktualisiert. Dabei berechnet der Computer, wie sich Fußgänger einem Ziel nähern, wie sie miteinander interagieren und wie sie sich um ein Hindernis bewegen. "Das ähnelt der Bewegung von Elektronen", sagt Köster: Ziele ziehen an, Hindernisse stoßen ab, und Personen halten Abstand von anderen.

Beschleunigte Simulation. Um das menschliche Verhalten besser abzubilden, hat das Forscherteam das Modell sukzessive verfeinert. Anstelle Alter, Geschlecht oder Fitness der Personen einzeln zu berücksichtigen, wird die Auswirkung dieser Parameter auf das Gehverhalten erfasst. Damit lässt sich ein fundamentaler Zusammenhang sehr präzise wiedergeben: Je dichter eine Menge wird, desto langsamer bewegt sie sich. "Dadurch, dass wir die vielen Einflussfaktoren auf das menschliche Gehverhalten stark aggregiert haben, können wir unsere Algorithmen schlank halten. Das macht unseren Simulator bei den Berechnungen so schnell", sagt Gerta Köster.
Dies ist vor allem wichtig, um die Personenstromsimulation für Kurzzeitprognosen einzusetzen. Ziel ist es, Einsatzleitern Entscheidungshilfen an die Hand zu geben, bevor etwas passiert. Befinden sich etwa auf einem Bahnsteig nach Konzerten oder Fußballspielen bereits viele Fans und wird zusätzlich noch verspätet ein vollbesetzter Zug erwartet, könnten Lotsen in der Leitzentrale per Knopfdruck eine Kurzzeitprognose anfordern. Wüssten sie dann durch Kösters Simulation bereits drei Minuten vor einer kritischen Situation, dass sich eine lebensbedrohliche Verdichtung zusammenbraut, könnten sie den Zug nicht einfahren lassen und solange warten, bis der Bahnsteig leerer ist.
"Unser Simulator berechnet ein solches Szenario im Zeitraffer, zum Beispiel bei 5.000 Fußgängern zehnmal schneller als in Echtzeit", sagt Kösters CT-Kollege Dr. Wolfram Klein. Er hat den Simulator maßgeblich programmiert. Acht Erfindungen sind bereits zum Patent angemeldet, denn die Schnelligkeit dieses Simulationswerkzeugs ist weltweit einzigartig. Sie übertrifft beispielsweise bei weitem Simulationen nach dem so genannten Multi-Agenten-Ansatz, die mehrere Stunden laufen. Darüber könne zwar genauer die Position einzelner Personen bestimmt werden, doch "bei uns geht es darum, die Dichte einer Menschenmasse möglichst schnell zu berechnen", sagt Gerta Köster.
Diesen mathematischen Ansatz haben weltweit erstmals die theoretischen Physiker Prof. Dr. Kai Nagel und Prof. Dr. Michael Schreckenberg im so genannten Nagel-Schreckenberg-Modell für Verkehrssimulationen eingesetzt. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München am Fachbereich "Computation in Engineering" um Prof. Dr. Ernst Rank entwickelten ihn die Forscher von Siemens weiter.

Simulation mit Kameradaten. In Zukunft macht Kösters Team den Simulator fit für die Verarbeitung von Echtzeit-Daten, die über Kamerasysteme oder Funktechnologie erhoben werden. Die Forscher wollen ihren Simulator befähigen, die Daten online zu übernehmen und Kerninformationen herauszufiltern, um sie in den Algorithmus einzubinden – eine wichtige Voraussetzung für eine schnelle Simulationsberechnung.
Genau dies ist ein Teilaspekt des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes "Regionale Evakuierung – Planung, Kontrolle und Anpassung" (REPKA), an dem Siemens, die Technische Universität München, die Polizeidirektion in Kaiserslautern sowie das Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen beteiligt sind. Bei REPKA werden Personenströme nach Fußballspielen im Fritz-Walter-Stadion in Kaiserslautern analysiert. Ziel ist es, eine Evakuierung des Stadions in einem Gebiet mit einem Radius von 1 km mit Hilfe neuer Simulationsmodelle besser und flexibler planen und kontrollieren zu können.
Kösters Part ist es dabei, ihre Simulationen so zu skalieren, dass das Gehverhalten von 50.000 Menschen in Echtzeit berechnet werden kann, ohne einen Großrechner einsetzen zu müssen. Dabei soll zudem das Verhalten von Menschengruppen – etwa Fans oder Familien – einbezogen werden, die auch untereinander agieren. Und es gilt, die topographischen Gegebenheiten rund ums Stadion zu beachten, das auf einer Anhöhe, dem Betzenberg, inmitten eines dicht bebauten Wohngebietes liegt. All das muss nicht nur hochpräzise funktionieren, sondern auch in Echtzeit. "Das sind große Herausforderungen", sagt Köster. "Wir müssen unsere Modelle verbessern, testen und den Code anpassen, damit er weiterhin sehr schnell bleibt."
Über REPKA soll zudem ein virtueller Trainingssimulator entstehen, mit dem Einsatzleiter ab 2011 Rettungseinsätze durchspielen und Auswirkungen ihrer Entscheidungen erfahren können. "Wir wollen damit die Möglichkeit geben, virtuell Erfahrungen von Situationen zu sammeln, die in der Realität nicht getestet werden können", sagt Köster.
Die Szenarien sollen simulieren, was passiert, wenn Abgänge im Stadion wegen Feuer gesperrt sind, wie die Menschen auf Durchsagen reagieren, in welche Richtung sie laufen und wo es zu bedrohlichen Verdichtungen kommen könnte. Zusätzlich soll der Trainingssimulator in Echtzeit zeigen, was passiert, wenn eine Rettungstür geöffnet wird. "Solche interaktiven Einflüsse nehmen wir dann zusätzlich in unsere Personenstromsimulationen auf und betreten damit völliges Neuland in der Forschung", sagt Gerta Köster.