TU/e onderzocht 5 miljoen voetgangersbewegingen op station Eindhoven

Voetgangers zijn onbewust constant bezig met het vermijden van botsingen met tegenliggers. Meters van tevoren veranderen ze hun looppad om elkaar te kunnen passeren. Natuurkundigen van de TU Eindhoven analyseerden samen met Amerikaanse en Italiaanse wetenschappers 5 miljoen voetgangersbewegingen in het treinstation van Eindhoven. Ze ontdekten dat mensen gemiddeld minimaal 75 cm afstand willen houden tot elkaar. Hoogleraar Federico Toschi en postdoc Alessandro Corbetta publiceerden deze resultaten vrijdag in het journal Physical Review E.

Toschi en Corbetta installeerden voor hun onderzoek 4 sensoren boven het begin van de wandelgang onder de perrons van station Eindhoven. Gedurende zes maanden observeerden ze 5 miljoen voetgangers binnen het meetgebied van 3 bij 9 meter.

Toschi en Corbetta installeerden voor hun onderzoek 4 sensoren boven het begin van de wandelgang onder de perrons van station Eindhoven. Gedurende zes maanden observeerden ze 5 miljoen voetgangers binnen het meetgebied van 3 bij 9 meter. Foto: Alessandro Corbetta

Van alle meetgegevens bleken ongeveer 9000 voetgangersparen tegenover elkaar uit te komen, met dus kans op een botsing. Corbetta: “Ongeveer 40 paren hiervan bleken daadwerkelijk met elkaar te botsen. De overige paren pasten hun looppad aan tot ze op zijn minst 140 cm van elkaar verwijderd waren en wisten daarmee een botsing te voorkomen.” Met deze ‘big data’ ontwikkelden de onderzoekers een statistisch model dat voetgangersbewegingen zeer nauwkeurig kan voorspellen. Zo weet je vervolgens van tevoren hoeveel voetgangers, uit bijvoorbeeld een groep van 1000 personen, zullen rennen, wandelen, ontwijken, omkeren of botsen in een afgebakend gebied zoals een gang of tunnel.

Twee sociale krachten voorkomen botsingen

Corbetta: “Tijdens het bouwen van ons model vonden we twee ‘sociale krachten’: een lange afstandskracht die gebaseerd is op zicht, en een korte afstandskracht om echte aanraking te voorkomen. Deze krachten zorgen ervoor dat mensen hun huidige looppad aanpassen om botsingen te voorkomen.” Toschi en Corbetta proberen met hun onderzoek bredere toepassingen van stromingsleer te forceren. Stromingsleer gaat namelijk niet alleen over de bewegingen van gasdeeltjes in een ruimte, water in de zee of zandkorrels in een zandloper. Het omvat ook de dynamiek van actieve stromende materie, zoals zwermen vogels, vissen in een school of voetgangers in een menigte.

Dit onderzoek bouwt verder op hun eerder ontwikkelde model naar enkele voetgangers in een gang. “Hierbij monitorden we in 2014 voor 12 maanden een gang richting de kantine van het Metaforum-gebouw op de TU/e-campus. De twee sociale krachten die we in het huidige onderzoek op station Eindhoven zien, wisten we succesvol in te bouwen in het eerdere model. Zo bouwen we het simpelste model om voetgangersbewegingen te voorspellen langzaam uit,” legt Toschi uit.

“Ongeveer 1 persoon per 1000 mensen keert om en verlaat aan dezelfde kant de tunnel. Ook als deze persoon alleen was en onafhankelijk van de motivatie. Hier lijkt een patroon te zijn.”

Uit beide onderzoeken blijkt dat er statistisch gezien robuuste universele eigenschappen van voetgangersbewegingen in een menigte lijken te bestaan, onafhankelijk van de meetlocatie. Toschi: “Zo zagen we dat ongeveer 1 persoon per 1000 mensen omkeerde en aan dezelfde kant de tunnel verliet. Ook als deze persoon alleen was en onafhankelijk van de motivatie. Zowel op de campus als in het treinstation vonden we ditzelfde getal. Hier lijkt dus een patroon te zijn. Dit toont direct het belang aan van het uitvoeren van real-life experimenten. Je zou dit nooit ontdekt hebben in een laboratoriumexperiment waarbij deelnemers gevraagd worden om specifieke acties uit te voeren.”

Zelfde sensoren als spelcomputer

Toschi en Corbetta installeerden voor hun onderzoek 4 sensoren boven het begin van de wandelgang onder de perrons van station Eindhoven. Gedurende zes maanden (tussen september 2014 en april 2015) observeerden ze alle voetgangers binnen het meetgebied. De sensoren maken gebruik van infrarood laserlicht om een zwart-wit ‘dieptebeeld’ te construeren. Hoofden van voetgangers zijn het dichtste bij de sensor en geven een donkergrijze schaduw op het dieptebeeld, schouders zijn iets verder weg en daarom lichter van kleur. Zo konden de onderzoekers met behulp van hun eigen ontwikkelde algoritme, individuele voetgangers lokaliseren en hun snelheid volgen over een gebied van 3 meter lengte in een 9 meter brede tunnel. Toschi: “Onze sensoren werken hetzelfde als spelcomputers die beweging registreren met een balk boven je tv. Het voordeel van deze sensoren is dat ze ook in het donker prima hun werk doen, bovendien maakt dit systeem geen inbreuk op de privacy omdat je alleen grijze schaduwen verzamelt.”

De sensoren maken gebruik van infrarood laserlicht om een zwart-wit ‘dieptebeeld’ te construeren. Hoofden van voetgangers zijn het dichtste bij de sensor en geven een donkergrijze schaduw op het dieptebeeld, schouders zijn iets verder weg en daarom lichter van kleur. Foto: Alessandro Corbetta

Voetgangers onbewust sturen

Toschi en Corbetta zijn nog lang niet klaar met hun onderzoek. “Ik probeer steeds een stapje verder te gaan in de complexiteit van voetgangersbewegingen. Ik droom ervan om uiteindelijk de dynamiek van een dichte menigte te begrijpen,” aldus Toschi, “We werken nu aan het evalueren van de resultaten van ons experiment op Glow 2017: expositie ‘moving lights’. Daar hebben we samen met het Intelligent Lighting Institue (ILI) en Phillips Lighting gekeken of we mensen een bepaalde kant op kunnen sturen door middel van licht. Voetgangers moesten kiezen of ze onze expositie aan de linker of de rechterkant verlieten. Door gebruik te maken van licht met verschillende intensiteitsniveaus, probeerden we hun keuze te beïnvloeden richting 1 specifieke uitgang. De eerste resultaten wijzen er nu op dat het inderdaad mogelijk lijkt te zijn. Daarnaast hebben we een experiment opgezet in het Naturalis-museum in Leiden, waar we het gedrag van schoolkinderen onderzoeken die allemaal door één toegangspoort moeten lopen. Beide resultaten hopen we snel te kunnen publiceren.”

Hoogleraar Federico Toschi en postdoc Alessandro Corbetta voerden dit onderzoek uit binnen de Turbulence en Vortex Dynamics-groep bij de faculteit Toegepaste Natuurkunde aan de TU Eindhoven. Aan dit onderzoek werkten ook wiskundigen mee van de universiteit Long Beach in Californië, Amerika en natuurkundigen van de universiteit van Tor Vergata in Rome, Italië.

Bron: TU/e