Fysica van de Feesten (Deel 2)

Tijdens de Gentse Feesten zwermen mensen in het centrum van de stad als spreeuwen. Bron: John Holmes, http://www.geograph.org.uk/profile/3430.Dit is het tweede deel in een mini-reeks over de wetenschap achter de Gentse Feesten. De focus ligt op het modelleren van de bewegingen van mensen op de Gentse straten en pleinen. Vorige keer schreef ik over modellen voor het bestuderen van (paniek in) mensenmassa’s, waarbij mensen worden voorgesteld als een – weliswaar bijzondere – soort moleculen.

Om deze “moleculaire methode” nader toe te lichten, zal ik met een iets minder controversieel voorbeeld starten: spreeuwen. Spreeuwen vormen enorme groepen die bewegen alsof de zwerm zelf een bewustzijn heeft. Lange tijd vroegen biologen zich af hoe dit werkt: zit er misschien een hiërarchisch systeem achter, waarin één of enkele vogels de leiding hebben? Dit hiërarchisch model strookt echter niet met de snelheid waarmee zo’n zwerm een hindernis of roofvogels ontwijkt. De oplossing kwam uit onverwachte hoek. In de jaren tachtig was er een informaticus, Craig W. Reynolds, die een programma wou schrijven waarmee je punten op het scherm kon laten bewegen zoals een zwerm vogels. De punten of gesimuleerde vogels noemde hij ‘boids’. Een algoritme gebaseerd op drie eenvoudige regels bleek te volstaan:

  • Regel 1) Vermijd botsingen met naburige boids.
  • Regel 2) Pas vliegsnelheid en -richting aan aan die van naburige boids (tenzij dit een conflict geeft met regel 1).
  • Regel 3) Blijf dicht bij naburige boids (tenzij dit een conflict geeft met regels 1 of 2).

Hiermee kon Reynolds geloofwaardige zwermen simuleren. (Kijk hier voor een Java-applet van boids.) Hoewel het niet zijn bedoeling was om te onderzoeken hoe echte vogels zwermen, lijkt het toch heel plausibel dat vogels, instinctief, soortgelijke eenvoudige regels volgen. (Je begrijpt het: hier maken we de overstap van de informatica naar de sociobiologie en komen zo een stapje dichter bij de mensen op de Gentse Feesten.) Door deze regels op individueel niveau vormt de groep een zwerm. Geen van de vogels denkt na over hoe die zwerm er als geheel uitziet. Elke vogel hoeft enkel rekening te houden met de andere vogels in zijn directe omgeving. Op grotere schaal ontstaat daaruit de zwerm; het is een emergent verschijnsel. (Lees dit artikel uit American Scientist van als je meer wilt weten over het modelleren van zwermen.)

Nu terug naar de Gentse Feesten en al het volk daar. Mensen zijn geen vogels, maar zou het kunnen dat ook het gedrag van mensen in soortgelijke simpele regels is te vatten? Het ziet ernaar uit van wel!

Sociale krachten, hier weergegeven door rode pijltjes, doen een persoon afwijken van de rechte lijn naar zijn doel. Bron: http://www.alexisoyama.com/pdf/AbnormalCrowdSocialForce_CVPR09.pdfDirk Helbing is wiskundige en fysicus van opleiding en werkt als professor in de sociologie aan de ETH-universiteit van Zürich. Hij is gespecialiseerd in het modelleren en simuleren van menselijke verplaatsingen, met name van voetgangers op drukke plaatsen. In de jaren negentig stelde Helbing het eerste fysiche veel-deeltjes model voor om voetgangersstromen in drukke winkelstraten te beschrijven. Hij is ook de bedenker van een model dat gebaseerd is op “sociale krachten”: ieder mens in de massa heeft een bepaalde drijfkracht (zijn inwendige motivatie om ergens naartoe te gaan met een bepaalde snelheid), maar er zijn ook tegenwerkende krachten (andere mensen die in een andere richting lopen of vaste hindernissen zoals muren). Het werk van Helbing is dus een prima vertrekpunt om door een wetenschappelijke bril naar de Gentse Feesten te kijken.

In een drukke straat proberen alle individuele bezoekers hun eigen bestemming te bereiken op hun eigen wandeltempo. Hoewel niemand bezig is met het coördineren van de massa, ontstaan er toch min of meer stabiele voetgangersstromen in de tegengestelde richtingen. De massa organiseert zich dus op zo’n manier dat een behoorlijk efficiënte doorstroom mogelijk blijft. Net als vogelzwermen is er sprake van spontane zelforganisatie en emergente fenomenen, waarbij kleine veranderingen in zeer lokale interacties grote effecten kunnen hebben op de groep als geheel. In het filmpje hieronder zie je een simulatie van dergelijke voetgangersstromen:

Dit wil natuurlijk niet zeggen dat groepen zichzelf altijd efficiënt regelen. Uit eigen ervaring ken je het vast: als het aantal mensen per oppervlak te hoog wordt, wordt je bij elke stap gehinderd. Als het te druk wordt, is het gewoon niet leuk meer. Deze sterke storing op het individuele niveau heeft drastische gevolgen op het niveau van de groep, zo blijkt uit het werk van professor Helbing uit 2007: er ontstaat dan turbulentie en de voetgangersstromen worden zeer instabiel. Het is in dit regime dat er rampen kunnen gebeuren.

Mensen die in tegenovergestelde richtingen wandelen aangeduid in blauw en rood. Bron: Mehdi Moussaïd.Begin dit jaar verdedigde Mehdi Moussaïd zijn doctoraat aan de universiteit van Toulouse; hij is echter ook verbonden met het Zwitserse ETH en werkt samen met Dirk Helbing. Moussaïd deed experimenten in het laboratorium om te onderzoeken hoe wandelende mensen precies bewegen om botsingen te vermijden. Concreet liet hij proefpersonen door een gang lopen van acht meter lang en twee meter, waarbij hun bewegingen met video werden geregistreerd (waarvan hier een fragment op YouTube). Het effect van sociale interactie kan bepaald worden door de mensen zowel te volgen als ze alleen zijn in de gang, als wanneer iemand hen kruist: het (gemiddelde) verschil is het directe gevolg van één enkele interactie. Ook onderzocht hij hoe groepjes mensen zich samen door de drukte een weg banen. De meeste mensen gaan immers niet alleen winkelen of naar een festival. Met deze gegevens probeerde hij het bestaande “sociale kracht”-model aan te passen, op zo’n manier dat ze beter in overeenstemming zijn met echte sociale interacties.

Eerder dit jaar schreef The Economist een artikel over het werk van Moussaïd. (Zie ook hier.) Net als het boid-model voor vogelzwermen is ook zijn model voor mensen gebaseerd op drie regels:

  • Regel 1) Elk individu tracht in een zo recht mogelijke lijn op zijn doel af te gaan en toch obstakels te ontwijken (voetgangers of vaste hindernissen).
  • Regel 2) Elk individu past zijn snelheid aan, afhankelijk van de afstand tot deze obstakels.
  • Regel 3) Als een individu ingesloten raakt, daalt het belang van regel 1.

Deze laatste regel brengt in rekening dat mensen op zeer plaatsen min of meer willekeurig bewegen, ongeacht hun doel. Hun bewegingen gaan dan meer lijken op die van moleculen. Het verfijnen van modellen voor hoe mensenmassa’s bewegen, is niet enkel nuttig bij het verhogen van de veiligheid op grote evenementen, maar heeft ook meer exotische toepassingen, zoals de ontwikkeling van navigatiesystemen voor autonome robots.

De Gentse politie is op post.Hoe we de massa ook modelleren, de conclusie blijft dezelfde: als er te veel mensen op een te klein oppervlak samenkomen, kunnen er gevaarlijke situaties ontstaan. In de uitzending van “Ook getest op mensen” waar ik het vorige keer al over had, praatte Marcel Vantilt ook met de hoofdcommissaris van Gentse politie, Steven De Smet. De commissaris legde uit dat de politiediensten via camera’s de beweging van mensen opvolgen en locaties afsluiten als deze hun maximale capaciteit dreigen te bereiken. Het is niet leuk als je naar een optreden op een bepaald plein wilt en het net voor je neus wordt afgezet met dranghekken, maar zo wordt erger voorgekomen. Met dit kwakkelweer loop je overigens weinig risico dat je niet meer bij het podium van je voorkeur kunt. Feestgangers hoeven zich geen zorgen te maken: de politie en de wetenschap waakt.

Maandag het derde en laatste deel in deze reeks. Dan zoek ik onder meer uit of de Universiteit Gent ook aan wetenschappelijk onderzoek doet op de Gentse Feesten.

Gelijkaardige berichten:

Facebooktwitterredditpinteresttumblrmail

1 Reactie

  1. Pingback: Fysica van de Feesten (Deel 3) » Sylvia's blog

Laat een reactie achter

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

÷ 1 = 5