Modelado y calibración en dinámica peatonal : propuestas para mejorar las evacuaciones en estado de pánico

Sticco, Ignacio Mariano

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Modelado y calibración en dinámica peatonal : propuestas para mejorar las evacuaciones en estado de pánico
Título alternativo:	Pedestrian dynamic modeling and calibration : proposals to improve panic evacuations
Autor:	Sticco, Ignacio Mariano
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Filiación:	Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA)
Publicación en la Web:	2023-07-03
Fecha de defensa:	2023-05-18
Fecha en portada:	2023
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Director:	Frank, Guillermo Alberto
Consejero:	Chernomiretz, Ariel
Jurado:	Kuperman, Marcelo Néstor; Pugnaloni, Luis Ariel; Capuzzi, Pablo
Idioma:	Español
Palabras clave:	DINAMICA PEATONAL; PANICO; EVACUACIONES; DINAMICA MOLECULAR; MODELO DE FUERZA SOCIALPEDESTRIAN DYNAMICS; PANIC; EVACUATION; MOLECULAR DYNAMIC; SOCIALFORCE MODEL
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7313_Sticco
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7313_Sticco.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7313_Sticco
Ubicación:	Dep.FIS 007313
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Sticco, Ignacio Mariano. (2023). Modelado y calibración en dinámica peatonal : propuestas para mejorar las evacuaciones en estado de pánico. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7313_Sticco

Resumen:

Esta tesis estudia la dinámica de multitudes en estado de pánico. Para describir el comportamiento de dichas multitudes se utiliza el modelo de fuerza social de Helbing. En este modelo los individuos se representan como discos blandos que están sometidos a distintos tipos de fuerzas, y la evolución temporal del sistema queda determinada por las ecuaciones de movimiento de la mecánica clásica. La ventaja de este modelo es que permite estudiar fenómenos macroscópicos de la multitud sin perder detalle del carácter microscópico de los individuos que la componen. En primer lugar, se explora el rol de las fuerzas de contacto entre individuos (la fuerza de fricción y la fuerza de repulsión corporal). En particular, se analizan los efectos que produce variar el parámetro de rigidez del cuerpo humano. Se observó que variar dicho parámetro produce efectos muy distintos según el recinto en el cual se encuentre la multitud. En un recinto con puerta angosta (“bottleneck”) el tiempo de evacuación disminuye a medida que la rigidez aumenta. Por otro lado, en un recinto tipo pasillo sucede lo contrario (la velocidad de la multitud disminuye al aumentar la rigidez). Estas diferencias se pueden explicar por el rol que juega la fricción entre individuos, o bien, entre individuos y pared. La primera es decisiva en el caso de “bottlenecks”, mientras que la segunda es más relevante en pasillos. Una vez explorados los efectos de las fuerzas de contacto entre individuos, se realizó una calibración de los parámetros usando datos empíricos de la vida real, similares a los esperados para una evacuación de emergencia (video de Black Friday). Se aplicaron métodos de optimización para determinar un conjunto de parámetros en el modelo de fuerza social que sea compatible con los datos empíricos. Los parámetros obtenidos muestran una mejor performance que los parámetros usualmente utilizados en la literatura actual. La última etapa de la tesis consistió en explorar mejoras estructurales para las evacuaciones de emergencia (a partir de la re-calibración realizada). El análisis se enfocó en recintos con vestíbulos de diferentes características. El vestíbulo está definido como la sala inmediata a la puerta de salida. Se concluyó que, bajo ciertas condiciones estructurales, los vestíbulos mejoran las evacuaciones de emergencia por dos motivos. Por un lado, incrementan el flujo de evacuación, por otro lado, disminuyen la presión que soportan los individuos. El aumento del flujo se debe al hecho que los vestíbulos son capaces de regular la densidad en la vecindad de la puerta de salida. El flujo se maximiza cuando se obtiene la máxima densidad posible tal que no formen blocking clusters en la puerta de salida. Además, la presión disminuye porque los vestíbulos obligan a la multitud a dispersarse más (eso produce una disminución de la densidad global). Los resultados de esta tesis son una contribución a reducir el riesgo de tragedia en estampidas humanas. Esperamos que este trabajo sea una fuente de inspiración para futuras investigaciones y dé origen a soluciones inter-disciplinarias que mejoren las evacuaciones en situaciones de emergencia.

Abstract:

This thesis studies the crowd dynamics in a state of panic. To describe the behavior of these crowds, the social force model is used. In this model, individuals are represented as soft discs that are subjected to different types of forces, and the temporal evolution of the system is determined by the equations of motion of classical mechanics. The advantage of this model is that it allows studying macroscopic phenomena of the crowd without losing detail of the microscopic character of the individuals that compose it. The role of the contact forces between individuals (the friction force and the body repulsion force) is explored in the first place. In particular, the effects of varying the stiffness parameter of the human body are analyzed. It was observed that varying this parameter produces very different effects depending on the type of room in which the crowd is located. In a room with a narrow door (“bottleneck”) the evacuation time decreases as the stiffness increases. On the other hand, in a corridor-type room the opposite happens (the speed of the crowd decreases with increasing stiffness). These differences can be explained by the role played by friction between individuals, or between individuals and the wall. The first is decisive in the case of “bottlenecks”, while the second is more relevant in corridors. Once the effects of contact forces between individuals were explored, a calibration of the parameters was performed using empirical data from real life, similar to that expected for an emergency evacuation (Black Friday video). Optimization methods were applied to determine a set of parameters in the social force model that is compatible with the empirical data. The parameters obtained show a better performance than the parameters usually applied in the current literature. The last stage of the thesis consisted of exploring structural improvements for emergency evacuations (based on the re-calibration carried out). The analysis focused on rooms with vestibules of different characteristics. The vestibule is defined as the room next to the exit door. It was concluded that, under certain structural conditions, vestibules improve emergency evacuations for two reasons. On one hand, they increase the evacuation flow, on the other hand, they reduce the pressure that individuals support. The increased flow is due to the fact that the vestibules are able to regulate the density in the vicinity of the exit door. The flow gets maximized when the vestibule achieves the maximum density such that no blocking clusters are produced at the exit door. Moreover, the pressure decreases because the vestibule forces the crowd to spread out more (resulting in an overall decrease in density). The results of this thesis are a contribution to reducing the risk of tragedy in human stampedes. We hope that this work will be a valuable source of inspiration for future research and give rise to interdisciplinary solutions that improve evacuations in emergency situations.

Citación:

---------- APA ----------

Sticco, Ignacio Mariano. (2023). Modelado y calibración en dinámica peatonal : propuestas para mejorar las evacuaciones en estado de pánico. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7313_Sticco

---------- CHICAGO ----------

Sticco, Ignacio Mariano. "Modelado y calibración en dinámica peatonal : propuestas para mejorar las evacuaciones en estado de pánico". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2023.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7313_Sticco

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