Research on Pedestrian Flow through Bottlenecks: Unified Analysis on Egress, Inflow, and Queueing Processes

• Project/Area Number: 23K21019
• Project/Area Number (Other): 21H01570 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 25020:Safety engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 柳澤 大地 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70611292)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 群集 / ボトルネック / 退出 / 流入 / 待ち行列

Outline of Research at the Start

本研究では、ボトルネックに関するの五つのテーマ (1) ボトルネック背後の部屋の大きさの影響、(2) ボトルネック前の経路の影響、(3) 通過するボトルネックと引き返すボトルネックの違い、(4) ボトルネックの数の影響、(5) ボトルネック手前の構造や障害物・残る人などの位置の影響について研究を行い、最終的に五つを統一的に扱うことができるモデルを作成する。そして、総退出時間や待ち時間・サービス窓口の利用率などをすぐに見積もることができる理論式を導出する。またモデルを解析したりシミュレーションを行ったりすることにより、群集の流れをスムーズにするボトルネック周辺の構造を提案する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究対象の１つである「ボトルネックの数の影響」に関してさらに進展があった。昨年度は、複数のボトルネックが直列に繋がっている場合に、入口のボトルネックでの流入を制限し、ひとりひとりの総通過時間を増加させることなく系内の混雑度を減少させ、より快適な移動を実現できることを理論的に明らかにした。今年度は、この結果が規制退場というより現実的な枠組みの中で有効であることを示した。
イベント会場周辺の駅では、極度の混雑を避けるために、大規模なイベント後に規制退場が行われることがある。規制退場では、人々はいくつかのグループに分けられ、グループごとに順番に退出する。そして、グループ数と各グループの退出開始時刻の間隔を調整することで、一度に大勢の人が駅に向かってしまうことを防ぎ、混雑を緩和することができる。
まず本研究では、Level Of Service (LOS) という群集運動でよく用いられる指標を発展させた Level Of Discomfort (LOD) を新たに開発した。LOD は、群集密度とその密度（混雑）持続時間の積であり、規制退場を通じて蓄積された不快感を表現することができる。 また LOD に含まれるパラメータを決定するためにアンケート調査も実施した。 今回想定した条件下では、アンケート結果を反映させたモデルの計算結果から、来場者を 2 つまたは 3 つのグループに分けることで、効果的な規制退場が行えることが分かった。さらに 2 種類の LOD 関数の結果を比較し、有効なグループ数は LOD 関数の詳細な形に強く依存しないことも確認できた。
また、このボトルネック手前の流れを制御する方法を交通流に応用した研究でも成果を挙げることできた。さらに分岐と合流により構成されるボトルネックでは、流入方法によっては混雑が発生しない流れのメタ安定状態が生じることも明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

規制退場という人が複数のボトルネック（イベント会場からの退出、狭い歩道、駅での待ち時間など）を通過する現実的なシチュエーションを対象にした研究を行うことができた。また、Level Of Discomfort (LOD) の新規開発などの理論的な成果に加えて、アンケート調査の結果も得ることができた。さらに、交通流などの群集以外の流れや道のネットワーク構造により生じるボトルネックがある流れに関しても、流入のコントロールが有効であることが分かった。
従って、本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

シミュレーションでは、引き返すボトルネックの研究に特に力を入れる。チケット販売窓口などはチケットを購入したあと引き返すような動線になっていることも多い。ファーストフード店などでは、窓口付近で待機し、受け取り後に待機している人の中を通過しなくてはならない場合もある。また、マラソンにおける給水所のように走っていたコースに戻るタイプもある。このような引き返すタイプのボトルネックでは、サービスを終了した人が、あとから来る人との衝突を避けなければならない。単純なモデルでこれをシミュレーションすると、現実では起こりえないデッドロック（人が詰まって動けなくなってしまう）現象が見られることが知られている。デッドロックを回避する方法は対向流のシミュレーションで十分に研究されているが、対向流のような単純な流れで有効なモデルで、上記で例示したような現実の引き返すボトルネックをシミュレーション可能かどうかは定かではない。そこで、既存の対向流の成果を活用しつつ現実の引き返すボトルネックをシミュレーション可能なモデルを完成させる。
また、ボトルネック背後やボトルネック前の経路の影響を明らかにするための基礎的な群集実験も行う。ボトルネック前後の状況は、ボトルネック通過時間に大きく影響するといわれることが多いが、そこに焦点を当てた研究は非常に少ない。そのため実験データをまとめるだけでも未来の群集運動の研究に大きく貢献できると考えられる。また、これらの影響をパラメータとしてモデルに組み込むことができれば、現実的で実用的なシミュレータを構築することができる。

Research Products

• [Journal Article] A jam-absorption driving system for reducing multiple moving jams by estimating moving jam propagation (2024)
  • Author(s): Li Siyu、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Transportation Research Part C: Emerging Technologies Volume: 158 Pages: 104394-104394
  • DOI: 10.1016/j.trc.2023.104394
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of topological structure and destination selection strategies on agent dynamics in complex networks (2024)
  • Author(s): Tsuzuki Satori、Yanagisawa Daichi、Itoh Eri、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Journal of Physics: Complexity Volume: 5 Issue: 1 Pages: 015013-015013
  • DOI: 10.1088/2632-072x/ad2971
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Learning from experimental data to simulate pedestrian dynamics (2023)
  • Author(s): Cui Geng、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications Volume: 623 Pages: 128837-128837
  • DOI: 10.1016/j.physa.2023.128837
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metastability due to a branching-merging structure in a simple network of an exclusion process (2023)
  • Author(s): Yamamoto Hiroki、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 108 Issue: 4 Pages: 044121-044121
  • DOI: 10.1103/physreve.108.044121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effective regulated egress at large event venues (2023)
  • Author(s): Miyagawa Riku、Yanagisawa Daichi、Jia Xiaolu、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: JSIAM Letters Volume: 15 Issue: 0 Pages: 113-116
  • DOI: 10.14495/jsiaml.15.113
  • ISSN: 1883-0609, 1883-0617
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modeling and controlling congestion caused by a bottleneck in an overcrowded aquarium (2023)
  • Author(s): Kawaguchi Riho、Yanagisawa Daichi、Feliciani Claudio、Nozaki Shigeto、Abe Yukari、Mita Makiko、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications Volume: 615 Pages: 128547-128547
  • DOI: 10.1016/j.physa.2023.128547
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 非マルコフ完全非対称単純排他過程の流量の近似式 (可積分系数理の諸相) (2023)
  • Author(s): 柳澤 大地
  • Journal Title: 数理解析研究所講究録別冊 Volume: B91 Pages: 1-11
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fuzzy cellular automata with complete number-conserving rule as traffic-flow models with bottleneck (2022)
  • Author(s): Nishida Yuki、Watanabe Sennosuke、Fukuda Akiko、Yanagisawa Daichi
  • Journal Title: JSIAM Letters Volume: 14 Issue: 0 Pages: 143-146
  • DOI: 10.14495/jsiaml.14.143
  • ISSN: 1883-0609, 1883-0617
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of congestion avoidance due to congestion information provision on optimizing agent dynamics on an endogenous star network topology (2022)
  • Author(s): Tsuzuki Satori、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 22159-22159
  • DOI: 10.1038/s41598-022-26710-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimization of transition behaviors in a two-lane system (2022)
  • Author(s): Dong Yuming、Jia Xiaolu、Yanagisawa Daichi、Nagahama Akihito、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications Volume: 608 Pages: 128315-128315
  • DOI: 10.1016/j.physa.2022.128315
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Revisiting the level-of-service framework for pedestrian comfortability: Velocity depicts more accurate perceived congestion than local density (2022)
  • Author(s): Jia Xiaolu、Feliciani Claudio、Murakami Hisashi、Nagahama Akihito、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Transportation Research Part F: Traffic Psychology and Behaviour Volume: 87 Pages: 403-425
  • DOI: 10.1016/j.trf.2022.04.007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Data Driven Approach to Simulate Pedestrian Competitiveness Using the Social Force Model (2022)
  • Author(s): Cui Geng、Yanagisawa Daichi、Katsuhiro Nishinari
  • Journal Title: Collective Dynamics Volume: 6 Pages: 1-1
  • DOI: 10.17815/cd.2021.118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two-lane totally asymmetric simple exclusion process with extended Langmuir kinetics (2022)
  • Author(s): Yamamoto Hiroki、Ichiki Shingo、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 105 Issue: 1 Pages: 014128-014128
  • DOI: 10.1103/physreve.105.014128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimising Pedestrian Flow Around Large Stadiums (2021)
  • Author(s): Dong Yuming、Jia Xiaolu、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Collective Dynamics Volume: 6 Pages: 1-18
  • DOI: 10.17815/cd.2021.117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pedestrian lane formation and its influence on egress efficiency in the presence of an obstacle (2021)
  • Author(s): Jia Xiaolu、Murakami Hisashi、Feliciani Claudio、Yanagisawa Daichi、Nishinari Katsuhiro
  • Journal Title: Safety Science Volume: 144 Pages: 105455-105455
  • DOI: 10.1016/j.ssci.2021.105455
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Incorporating genetic algorithm to optimise initial condition of pedestrian evacuation based on agent aggressiveness (2021)
  • Author(s): Geng Cui, Daichi Yanagisawa, and Katsuhiro Nishinari
  • Journal Title: Physica A Volume: 583 Pages: 126277-126277
  • DOI: 10.1016/j.physa.2021.126277
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detecting aggressive agents in egress process by using conflict data in cellular automaton model (2021)
  • Author(s): Daichi Yanagisawa and Keisuke Yamazaki
  • Journal Title: Journal of Intelligent Transportation Systems Volume: 25 Issue: 6 Pages: 626-643
  • DOI: 10.1080/15472450.2021.1942869
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ラウンドアバウトにおける歩行者流のセルオートマトンモデル (2024)
  • Author(s): 草次優樹, JIA Xiaolu, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 超異分野学会2024 東京・関東大会
• [Presentation] 交差のある航路における船舶最大流量 (2024)
  • Author(s): 澤樹鷹人, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 超異分野学会2024 東京・関東大会
• [Presentation] Estimation of Pedestrian Origin-Destination Flow Based on Gravity Model (2023)
  • Author(s): Xiaolu Jia, Claudio Feliciani, Sakurako Tanida, Daichi Yanagisawa, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: 11 th International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Novel Boarding Method for Blended Wing Body Passenger Aircrafts (2023)
  • Author(s): Yuming Dong, Xiaolu Jia, Daichi Yanagisawa, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: 11 th International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fundamental Elements in the Development of Effective Crowd Control Strategies (2023)
  • Author(s): Claudio Feliciani, Katsuhiro Nishinari, Daichi Yanagisawa
  • Organizer: The 22nd World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC World Congress 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Approximate theoretical analysis of non-Poissonian totally asymmetric simple exclusion process (2023)
  • Author(s): Daichi Yanagisawa, Takahiro Ezaki, Akiyasu Tomoeda, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: 28th International Conference on Statistical Physics (STATPHYS28)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Simulation on the Necessity of Route Information when Estimating the Pedestrian Origin-Destination Flow (2023)
  • Author(s): Xiaolu Jia, Claudio Feliciani, Sakurako Tanida, Daichi Yanagisawa, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: 2023 IEEE the 8th International Conference on Intelligent Transportation Engineering (ICITE2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-Poissonian cellular automaton models for vehicular traffic (2022)
  • Author(s): Daichi Yanagisawa, Takahiro Ezaki, Akiyasu Tomoeda, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Traffic and Granular Flow 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modeling of pedestrian flow passing through the obstacle bottleneck - a mathematical approach (2022)
  • Author(s): Xiaolu Jia, Daichi Yanagisawa, Claudio Feliciani, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: 2022 11th International Conference on Transportation and Traffic Engineering (ICTTE 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pedestrian behavior underlying the different shapes of the fundamental diagram (2022)
  • Author(s): Xiaolu Jia, Claudio Feliciani, Sakurako Tanida, Daichi Yanagisawa, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Traffic and Granular Flow 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two types of bottlenecks in leisure facilities: bottlenecks caused by attractiveness and structure - A case study in a large-scale aquarium (2022)
  • Author(s): Riho Kawaguchi, Claudio Feliciani, Daichi Yanagisawa, Shigeto Nozaki, Yukari Abe, Makiko Mita, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Traffic and Granular Flow 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A jam-absorption driving system based on moving jam propagation speed estimation with camera sensors (2022)
  • Author(s): Siyu Li, Ryosuke Nishi, Daichi Yanagisawa, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Traffic and Granular Flow 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Controlling transition behaviors in a two-lane system with limited density information (2022)
  • Author(s): Yuming Dong, Xiaolu Jia, Daichi Yanagisawa, Akihito Nagahama, Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Traffic and Granular Flow 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of congestion caused by a bottleneck in a crowded aquarium with a fixed one-way route (2022)
  • Author(s): Riho Kawaguchi, Claudio Feliciani, Daichi Yanagisawa, Shigeto Nozaki, Yukari Abe, Makiko Mita and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: The 15th International Conference and School “Cellular Automata for Research and Industry” (ACRI2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非マルコフ交通流セルオートマトンモデルの近似解析 (2022)
  • Author(s): 柳澤大地
  • Organizer: 公立鳥取環境大学応用数理研究交流会
  • Invited
• [Presentation] 重力モデルによる歩行者のOD交通量予測と測定誤差の影響 (2022)
  • Author(s): JIA XIAOLU, 柳澤大地, 谷田桜子, FELICIANI CLAUDIO, 西成活裕, 石黒裕樹
  • Organizer: 日本応用数理学会 2022 年度 年会
• [Presentation] 大規模イベント会場における規制退場の最適化 (2022)
  • Author(s): 宮川陸, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 日本応用数理学会 2022 年度 年会
• [Presentation] 情報提供の遅れによる待ち時間の挙動の解析 (2022)
  • Author(s): 大庭帆貴, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 日本応用数理学会 2022 年度 年会
• [Presentation] 交通流 CA モデルにおける危険性指標 (2022)
  • Author(s): 山本拓磨, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 日本応用数理学会 第18回 研究部会連合発表会
• [Presentation] 確率セルオートマトンモデルによる群集流への合流と逆流の比較及び誘導の必要性の検討 (2022)
  • Author(s): 林志穂, Xiaolu Jia, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 日本応用数理学会 第18回 研究部会連合発表会
• [Presentation] セルオートマトンを用いた飲食店利用客のエージェントシミュレーション (2022)
  • Author(s): 柳澤大地
  • Organizer: サービス学会 第10回 国内大会
• [Presentation] 遊園地の訪問客の満足度としての効用関数 (2022)
  • Author(s): 大庭帆貴, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: サービス学会 第10回 国内大会
• [Presentation] 吉野家のエージェントシミュレーション (2022)
  • Author(s): 柳澤 大地
  • Organizer: 超異分野学会 東京大会2022
• [Presentation] 大規模イベント会場における規制退場 (2022)
  • Author(s): 宮川陸, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 超異分野学会 東京大会2022
• [Presentation] 改札機周辺の人流解析 (2022)
  • Author(s): 吉川航生, 柳澤大地, 西成活裕
  • Organizer: 超異分野学会 東京大会2022
• [Presentation] Effect of configuration of passengers on alighting time in train stations (2021)
  • Author(s): Naoya Fujiki, Daichi Yanagisawa, Akihiro Fujita, Claudio Feliciani, and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Tenth International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis and application of pedestrians' body-rotation (2021)
  • Author(s): Daichi Yanagisawa
  • Organizer: WORKSHOP ON PEDESTRIAN TRAFFIC AND EVACUATION DYNAMICS 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of risk index in heterogeneous flow (2021)
  • Author(s): Takuma Yamamoto, Daichi Yanagisawa and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Tenth International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density-dependent pedestrian detour-route guidance (2021)
  • Author(s): Shiho Hayashi, Xiaolu Jia, Daichi Yanagisawa and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Tenth International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pedestrian aggressiveness simulation and social force model parameters optimisation using empirical trajectory (2021)
  • Author(s): Geng Cui, Daichi Yanagisawa and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Tenth International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimizing Pedestrian Flows Around Large Stadiums (2021)
  • Author(s): Yuming Dong, Xiaolu Jia, Daichi Yanagisawa and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Tenth International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of visitors’ behaviour in an Aquarium with a fixed one-way route (2021)
  • Author(s): Riho Kawaguchi, Claudio Feliciani, Daichi Yanagisawa, Shigeto Nozaki, Yukari Abe, Makiko Mita and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: Tenth International Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modelling and simulation of visitors’ behaviour in an Aquarium with a fixed one-way route (2021)
  • Author(s): Riho Kawaguchi, Daichi Yanagisawa, Claudio Feliciani, Shigeto Nozaki, Yukari Abe, Makiko Mita, and Katsuhiro Nishinari
  • Organizer: 17th Condensed Matter days
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非マルコフ完全非対称単純排他過程の流量の近似式 (2021)
  • Author(s): 柳澤大地
  • Organizer: RIMS共同研究（公開型）「可積分系数理の諸相」
  • Invited