Fußgänger-Simulation: Warum die Wege des Menschen unberechenbar sind

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Schieben und schubsen bis Panik ausbricht: Das Verhalten von Fußgängern ist oft irrational und gefährlich. Mit immer besseren Modellen simulieren Forscher das Gedränge in Bahnhöfen und Fußballstadien - und finden dabei überraschende Erklärungen für unser Verhalten in Menschenmassen.

Fußgänger-Experiment: Schnell durchs Gedränge Fotos
dpa

"Da wo die Leute mit den grünen T-Shirts stehen, da gehen wir hin. Einfach durchlaufen." Mathematiker reden ja mitunter schwer verständlich - aber bei diesem Fußgänger-Experiment an der TU Berlin geht es ausgesprochen bodenständig zu. Keine Formeln, keine verrückten Dimensionen - die etwa 150 Testpersonen sollen einfach nur von einer Seite des Foyers zur anderen laufen. So einfach kann Wissenschaft sein.

Hartmut Schwandt und seine Kollegen vom Institut für Mathematik haben die Probanden in verschiedenfarbige T-Shirts gesteckt. Sieben Kameras filmen, wie die vier Gruppen aus vier Richtungen aufeinandertreffen und ein heilloses Durcheinander entsteht. Jeder soll auf möglichst geradem Weg zur gegenüberliegenden Foyerseite gehen - genau in der Mitte kreuzen sich die vier Ströme. Es stockt, mancher weicht zur Seite aus, und erst nach einer Weile sind die miteinander verwobenen Ströme wieder getrennt.

Das Experiment ist mehr als nur ein Spaß für die Besucher der Langen Nacht der Wissenschaften in Berlin. Schwandt und seine Kollegen wollen mathematisch möglichst gut das Verhalten von Fußgängern modellieren, die einander in die Quere kommen. Und dazu brauchen sie Daten aus der Realität.

Verkehrsforscher beschäftigen sich schon seit Jahren mit dem Phänomen des laufenden Zweibeiners. Fußgänger zeigen ein viel komplexeres Verhalten als Autofahrer. Das Entstehen spontaner Staus auf dicht befahrenen Autobahnen kann man inzwischen sehr gut erklären: Ein einziger unaufmerksamer Fahrer, der plötzlich stark bremst, genügt. Fußgänger sind im Vergleich dazu deutlich schwieriger zu modellieren. "Sie haben mehr Freiheitsgrade", sagt Stefan Bornholdt, Physiker an der Universität Bremen. Menschen laufen nicht in festen Spuren, bleiben auch gern mal plötzlich stehen, wechseln spontan die Richtung und versuchen, großem Gedränge aus dem Weg zu gehen.

Menschen als Gasmoleküle

Je genauer Wissenschaftler Passanten simulieren können, umso besser lassen sich Gebäude, Kreuzfahrtschiffe oder Bahnhöfe planen. Unnötiges Gedränge oder gar Panik werden so vermieden. Modellrechnungen haben beispielsweise gezeigt, dass einfache Mittel den "Durchfluss" an Notausgängen verbessern können. Ein Pfeiler genügt, denn er spaltet die schiebende Menschenmasse. So sinkt der Druck auf die Tür, durch die sich alle so schnell wie möglich zwängen wollen.

Dichtes Gedränge modellieren Schwandt und seine Kollegen mit Gleichungen aus der Physik. Personen gleichen dann Gasmolekülen, die nicht beliebig zusammengepresst werden können. "Wir betrachten Menschen als weiche Objekte mit einem harten Kern", erklärt Bornholdt. Dabei könne man sogar kulturelle Unterschiede simulieren, also den Minimalabstand, den Menschen gegenüber Fremden gerade noch tolerieren. Diese Distanz ist in Japan beispielsweise größer als in Westeuropa.

Aber nicht immer ist der Einzelne Spielball der wogenden Masse, wie auch das Experiment in Berlin zeigt. Bei entsprechend viel Platz kann sich ein Fußgänger nämlich auch entscheiden, nach rechts oder links auszuweichen, stehenzubleiben oder umzukehren. Dieses individuelle Verhalten hat nichts mit Vorgängen in Gasen zu tun - hier sind andere Modelle erforderlich.

"Das Verhalten einer einzelnen Person kann man durch Wahrscheinlichkeiten beschreiben", erklärt Kai Nagel, Verkehrsforscher von der TU Berlin. "Mit 30 Prozent Wahrscheinlichkeit geht die Person nach rechts, mit 40 Prozent nach links und ansonsten geradeaus." Mit einem sogenannten Zellularautomat können Mathematiker dieses Verhalten modellieren. Eine Fußgängerzone wird dabei zu einer fein gerasterten Fläche, auf der sich jede Person von Kästchen zu Kästchen bewegt. Pro Kästchen ist maximal eine Person erlaubt.

"Wir suchen eine Mischform aus beiden Modellansätzen", sagt TU-Forscher Schwandt. Die Experimente mit sich kreuzenden Menschenströmen sollen dabei helfen, dieses Mischmodell zu finden. Der Mix aus Strömungsphysik und psychologischen, soziologischen Faktoren macht die Simulation schwierig und spannend zugleich.

Was Ordnung im Chaos schafft

In den kommenden Wochen werden die Berliner Mathematiker damit beschäftigt sein, den Weg jeder einzelnen Testperson durchs Foyer des Mathematik-Instituts zu rekonstruieren. Diese sogenannten Trajektorien sind es, von denen sich die Forscher neue Impulse für die Modellierung versprechen.

Das Phänomen gehender Mensch verstehen Wissenschaftler zumindest in einigen Situationen schon sehr gut. "In den vergangenen Jahren ist klar geworden, dass Fußgänger nicht einfach nur chaotisch durcheinander laufen, sondern dass sich spontan Ordnung im Chaos herausbildet", sagt Dirk Helbing von der ETH Zürich. Die Interaktionen der Fußgänger führten zu diversen Selbstorganisationsphänomenen. "Beispielsweise bilden sich in entgegengesetzten Fußgängerströmen Bahnen einheitlicher Bewegungsrichtung aus." An Engstellen, bei denen zwei Ströme aufeinandertreffen, kann es auch passieren, dass immer abwechselnd in die eine und dann in die andere Richtung gelaufen wird. Das sehe dann aus, als gäbe es eine versteckte Ampelschaltung, berichtet Helbing.

Der Verkehrswissenschaftler hat sogar schon die Entstehung von Trampelpfaden untersucht. Bei der Wahl einer Abkürzung über eine Wiese treten Menschen demnach gern in die Fußstapfen anderer. Allzu scharfe Kurven werden allerdings nicht akzeptiert. Es setzen sich letztlich die Wege durch, die eine Strecke abkürzen und zugleich bequem sind. Für einen Uni-Campus kann Helbing sogar vorhersagen, wo mit welchen Trampelpfaden zu rechnen ist.

Der Extremfall der Fußgängerforschung ist allerdings dichtes Gedränge Zehntausender Menschen, das in Fußballstadien aber auch bei Pilgern in Mekka auftreten kann. "Wenn jeder zwischen anderen eingequetscht ist, kann das Phänomen der Crowd Turbulence auftreten, ein praktisch unkontrollierbares, erdbebenartiges Hin- und Hergeworfenwerden", sagt Helbing. Dabei könne es zu einer Tragödie mit vielen Toten kommen.

An der Pilgerstätte in Saudi-Arabien nutzt die Polizei mittlerweile das Know-how von Verkehrsforschern - unter anderem aus Deutschland und Schweden. Mit Kameras werden die Menschenmassen überwacht. Sobald die Software die Anfänge gefährlicher Turbulenzen erkennt, schlägt sie Alarm, und die Sicherheitskräfte können eingreifen.

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insgesamt 57 Beiträge
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1. re
HerrDerSchatten 07.06.2010
Jetzt wäre es nur noch schön wenn solche Erkenntnisse bei Architekten ankommen und nicht mehr wunderschön halb runde Wege geplant werden, die man als Fußgänger doch abkürzt und so das Bett plattrampelt.
2. Originalartikel?
evolut 07.06.2010
---Zitat--- "Das Verhalten einer einzelnen Person kann man durch Wahrscheinlichkeiten beschreiben", erklärt Kai Nagel, Verkehrsforscher von der TU Berlin. "Mit 30 Prozent Wahrscheinlichkeit geht die Person nach rechts, mit 40 Prozent nach links und ansonsten geradeaus." ---Zitatende--- Mich würden die Originaldaten interessieren.
3. Weiter so!
Ylex 07.06.2010
Zitat aus dem Artikel: „Verkehrsforscher beschäftigen sich schon seit Jahren mit dem Phänomen des laufenden Zweibeiners.“ Wie beruhigend, dass sich der laufende Zweibeiner endlich aus dem Schatten des laufenden Vierrädlers hinausbewegt hat – aber eher erschreckend, dass sich viele laufende Zweibeiner zu einem chaotisch herumtapernden Tausendfüßler formieren können. Zitat: "Wir betrachten Menschen als weiche Objekte mit einem harten Kern", erklärt Bornholdt. Vorbildlich, mit dieser konstruktiven Einstellung werden sowohl psychologisch als auch soziologisch neue Perspektiven eröffnet, denn bis jetzt betrachtet man in beiden Disziplinen Menschen als humanoide Objekte mit einer weichen Birne – ich kann nur sagen: Weiter so!
4. Google
Gelesen 07.06.2010
Wenn ich wissen will, wie ich laufen soll, dann frag ich doch einfach Google. Die können mir sicher weiterhelfen. Wie war gleich nochmal deren Internet-Adresse? Naja, egal - dann ruf ich Mama an, die soll bei Google nachfragen. ;) Aber mal im Ernst. Besonders kurios wird das Ganze wohl, wenn Deutsche und Engländer auf einander treffen. Ich glaube, Deutsche überholen Links und weichen nach Rechts aus. Bei dem Engländern wird es eher anders herum sein. Das bringt Kopfschmerzen :)
5. Quatsch mit Soße
albert schulz 07.06.2010
Die Bemerkung mit dem Stau ist ausnahmsweise richtig. Dazu reicht ein stehendgebliebenes Auto mit geöffneter Motorraumhaube auf der Standspur. Und auch die Trampelpfadgeschichte kennt jeder. Man kann davon ausgehen, daß Landschaftsplaner – Architekten noch nie zu Fuß gegangen sind (oder ihr Fahrrad benutzt haben). Auch bei Entwürfen und Ausführungen großer Versammlungsstätten wie Bahnhöfen für Busse oder Bahn, aber auch Einkaufszentren, Museen, Konzerthalle oder Theater fällt immer wieder auf, wie inkompetent die wahrscheinlichen Fußgängerströme erfaßt werden. Man ahnt die Absicht, aber der Mensch hält sich keineswegs an die Vorgaben, sondern meidet solche Zwänge. Im Park werden eben Schranken und Blumenbeete gequert, wenn der sinnvolle Weg nicht da ist. Oder man quert eine Kreu-zung mit 4 x 4 = 16 Fahrbahnspuren diagonal, weil man nicht viermal auf Grün warten will. Mich erinnert dieser mathematische Gehversuch schwer an die Simulierung von Brandereignissen. Eine offene Tür oder ein geschlossenes Fenster, eine Änderung der Windrichtung, ein Schrank an der falschen Stelle oder eine unberücksichtigte Brandlast, und schon ist das Ergebnis reiner Schall und Rauch, mit einer nur geringen Wahrscheinlichkeit behaftet. Bei Feuer und Rauch handelt es sich noch um relativ einfach erfaßbare Vorgänge, bei denen der eigene Wille eine untergeordnete Rolle spielt. Eine Gehvorgang, bei dem alle zwangsgeführt in die gleiche Richtung laufen, läßt sich wie bei einer Autobahn halbwegs korrekt simulieren, auch die Störungen wie etwa in Mekka oder bei Fluchtvorgängen. Bei einem Durcheinander der Wege gibt es so viele Faktoren, daß man bestenfalls von geringen Wahrscheinlichkeiten ausgehen kann. So geht der Mensch bei zweckmäßigen Gängen zielgerichtet recht schnell ohne nach rechts oder links zu schauen, bei Festen oder in der Feizeit bummelt er, und eine interessanter Kopfschmuck oder eine raffinierte Schminkung werfen seine gesamte Tagesplanung über den Haufen, ja können sein ganzes Leben nachhaltig zerstören. Und genau das Szenarium des herumglotzenden Individuums mit allen seinen Launen und Vorlieben können die Mathematiker nicht simulieren. Ganz nebenbei konnte das auch Gott nicht und auch nicht sein Filius.
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