Das Unglück bei der Loveparade in Duisburg im Juli 2010 zeigte es wieder einmal auf dramatische Weise: Wo viele Menschen auf einem Haufen zusammenkommen, ist die Gefahr groß. Steigt die Personendichte, droht sich das harmloses Gedränge und Geschiebe plötzlich zu einem gefürchteten Crowd Quake auszuwachsen. Wie bei einem Erdbeben durchlaufen Schockwellen die Massen, Menschen werden meterweit durch die Luft getragen. Doch wo verläuft die kritische Grenze, ab der das Verhalten unkontrollierbar wird? Und welche Maßnahmen helfen bei der Prävention?

Die besten Antworten auf solche Fragen geben Computersimulationen. Seit Jahren spielen Forscher mit ihnen wieder und wieder die Evakuierung eines Gebäudes, Schiffs oder Veranstaltungsgeländes durch, verändern Parameter, wie die Breite der Türen, lassen die Software erneut laufen – bis sie eine Vorstellung davon bekommen haben, wann ein kleiner Zwischenfall zur großen Katastrophe führen würde.

Ausweichen statt abstoßen
© PNAS / Mehdi Moussaid
(Ausschnitt)
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Das Problem dabei: Die Datenlage ist extrem dünn. Woher kann man wissen, dass die Simulation die Wirklichkeit abbildet? Versuchspersonen durch enge Gänge zu hetzen, um ihr Verhalten in Extremsituationen zu beobachten, kommt nicht in Frage. Die Vorhersagen ihrer Modelle gleichen Wissenschaftler wie Dirk Helbing von der ETH Zürich daher mit Daten aus weniger brenzligen Szenarien ab. Beispielsweise ließ der Forscher gemeinsam mit seinen Kollegen Mehdi Moussaïd und Guy Theraulaz, beide von der Université Paul Sabatier in Toulouse, seine Freiwilligen durch Gänge laufen, mal mit, mal ohne Hindernis in der Mitte. Dabei erfassten sie permanent die Position der Passanten und schickten später virtuelle Fußgänger durch die im Computer nachgebildeten Gänge. Original und Simulation lassen sich dann auf Übereinstimmungen und Unterschiede analysieren.

Psychische Dimension

Um jedoch auch das Verhalten im Extremfall untersuchen zu können, genügt es nicht, aus diesen Daten hochzurechnen. Eine Psychologie des Fußgängers muss her, forderten daher jüngst der ETH-Forscher Helbing und seine Kollegen [1]. Dann lasse sich der Sprung von der zügigen, aber geordneten Evakuierung hin zur panikartigen Flucht am ehesten schaffen. In ihrem neuen Modell bestimmt der Computer daher für jeden einzelnen Passanten, wohin und wie schnell sich ein Mensch bewegen würde. Bislang seien Wissenschaftler vor solchen Ansätzen zurückgeschreckt, so der Forscher. Sie galten als unbeherrschbar und zu rechenintensiv. Nun aber kann Helbing mitteilen: "Das kognitive Modell ist wesentlich einfacher!"

Viele der herkömmlichen Ansätze betrachten das Individuum in Analogie zu leblosen Partikeln, die äußeren Kräften unterworfen sind. Auf diese Weise lassen sich Gleichungen wiederverwenden, die beispielsweise bei der Simulation von Flüssigkeitsströmen erprobt wurden. Modelle auf der Grundlage von so genannten Zellautomaten unterteilen dabei den Raum in ein Gitternetz von Zellen, auf denen sich immer genau ein Fußgänger befinden kann. Ein Satz von Regeln legt fest, ob sich die Person im nächsten Zeitschritt der Simulation in ein angrenzendes Feld bewegt oder verharrt [2].

Psychologie steckt in diesem Fall implizit in "Kraftfeldern": Sie machen zum Beispiel eine Bewegung in Richtung Ausgang wahrscheinlicher als eine in die entgegengesetzte Richtung. Befindet sich dagegen auf dem Nachbarfeld eine andere Person, wirkt zwischen beiden eine abstoßende Kraft – schließlich will man auch in Wirklichkeit den anderen meist nicht zu nahe kommen.

Durch geschickte Wahl der Einflussgrößen entstehen auch bei solchen Modellen die charakteristischen Bewegungsmuster, die Forscher in der Realität beobachteten: Treffen zwei Fußgängerströme aufeinander, organisiert sich die Masse beispielsweise früher oder später in zwei Bahnen mit entgegengesetzter Laufrichtung. Befindet sich dazwischen eine Engstelle, kommt es zu Oszillationen, bei denen mal Menschen von der einen Seite passieren und dann von der anderen. Auch kritische Gebäudeteile, die im Fall einer Evakuierung zur Gefahr werden dürften, lassen sich so identifizieren.

Zwei simple Regeln steuern den Passanten

Doch das Wuseln solcher vom freien Spiel der Kräfte getriebenen Zombies hat nur wenig äußere Ähnlichkeit mit dem Verhalten konkreter Fußgänger. Helbing und Kollegen haben nun genau zwei simple kognitive Regeln identifiziert, denen ihre simulierten "Agenten" folgen müssen, um in den meisten Fällen ein hinreichend realistisches Bewegungsmuster zu erzeugen: Im Verbund bewirken die beiden Regeln, die sich in Form einfacher Gleichungen ausdrücken lassen, dass Fußgänger mehr oder weniger gerade auf ihr Ziel zulaufen und Hindernissen ausweichen, indem sie erahnen, wo sich Lücken zwischen ihren Mitpassanten auftun werden.

Gefahr im Verzug
© PNAS / Mehdi Moussaid
(Ausschnitt)
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Damit lassen die Forscher die Annahme früherer Modelle, dass sich Fußgänger gegenseitig abstoßen, fallen: In ihrem Modell suchen die einzelnen Agenten aktiv nach dem freien Weg, auch wenn sie das in die Nähe eines anderen bringt. Ein Paradigmenwechsel, schreiben Helbing und Kollegen.

Als Ergänzung dazu bekam ihr Modell noch eine physikalische Komponente. Sie wird relevant, wenn das Personenaufkommen so groß wird, dass die Menschen aneinanderstoßen. Die Kraftübertragung erfolgt dann ähnlich wie bei der Simulation eines Billardspiels nach den einfachen Regeln aus dem Physikunterricht. Helbing und Kollegen gelingt es auf diese Weise, auch ein Crowd Quake abzubilden. Die "Intentionen" des einzelnen simulierten Fußgängers, der dann zum Spielball der Druckwellen wird, haben in solchen Situationen kaum noch Bedeutung. Allerdings ist das Verhalten der Passanten für ihre Entstehung relevant: Ähnlich wie beim "Stau-aus-dem-Nichts" auf der Autobahn, bremsen Fußgänger in Situationen großer Enge zu spät – die Zeitverzögerung pflanzt sich entgegen der Bewegungsrichtung fort und löst dort zunächst Stop-and-Go-Situationen aus. An kritischen Stellen entstehen schließlich die gefürchteten Turbulenzen.

Simulieren, bevor es zu spät ist

Ob die zwei simplen Heuristiken auf absehbare Zeit genügen werden, ist allerdings fraglich. Denn mit steigender Computerpower steigen auch die Ansprüche an solche Simulationen. Längst ist nicht mehr ihr einziger Zweck, vor dem Bau eines Hauses oder Veranstaltungsgeländes Gefahrenstellen zu identifizieren oder baurechtliche Richtlinien zu begründen. Stattdessen möchte man in Zukunft Sicherheitskräften während der Evakuierung oder in anderen kritischen Situationen die nötigen Mittel an die Hand geben, besorgniserregende Zusammenballungen zu vermeiden.

Ein Forschungsprojekt, das sich genau dieser Aufgabe verschrieben hat, ist das Hermes-Projekt am Forschungszentrum Jülich. Unter Federführung von Armin Seyfert haben sich hier Experten im Bereich Fußgängersimulation zusammengetan, um einen digitalen Assistenten für Massenveranstaltungen zu entwickeln. Ihr Ziel: 15 Minuten in die Zukunft zu blicken.

Geht es nach ihren Plänen, sollen zum Beispiel Fußballstadien in absehbarer Zeit mit automatischen Personenzählern ausgestattet werden.Deren Ergebnisse würden dann zusammen mit den Daten des örtlichen Sicherheitsmanagementsystems in einen Computer gespeist, der auf dieser Grundlage eine Simulation schneller als in Echtzeit laufen lässt. Im Ernstfall könnten Ordner oder Polizei eingreifen, bevor es zu einer bedrohlichen Situation kommt.

Kluge Routenplanung

Auch Seyfried und Kollegen experimentieren mit virtuellen Fußgängern, die schlauer sind als leblose Objekte – in mancher Hinsicht sogar noch schlauer als die des Teams um Helbing. Um dem menschlichen Verhalten in der Wirklichkeit so nahe wie möglich zu kommen, ließen die Forscher nicht nur bereits ein paar Blöcke im Fußballstadion unter kontrollierten Bedingungen räumen, sondern feilen auch an raffinierten Wegfindungsroutinen für ihre virtuellen Agenten. Dabei berücksichtigen sie unter anderem Personen, die sich im Gebäude gut auskennen und den schnellsten Weg suchen, solche die nur nach dem kürzesten Weg suchen und schließlich solche, die den anderen nur hinterherrennen. Im Endeffekt ist es so möglich, dass simulierte Fußgänger von einem einmal eingeschlagenen Weg abweichen, zum Beispiel weil der nächstliegende Ausgang verstopft ist [3]. Strategische Überlegungen dieser Art enthält das Zwei-Heuristiken-Modell Helbings noch nicht. Den Pfad, den ein Agent zum Erreichen seines Ziels einschlägt, dürfte es aber genauer abbilden.

Gedränge an Engstelle
© Paul Torrens
(Ausschnitt)
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Die Simulationen von Paul Torrens zeichnen sich nicht nur durch eine umfangreiche Modellierung des einzelnen Passanten aus, sondern auch durch eine ansprechende grafische Aufbereitung – im Normalfall genügt es jedoch, die Fußgänger als simple Kreise darzustellen.
Das Ende der Fahnenstange ist damit jedoch noch lange nicht erreicht. Manche Forscher, wie der US-amerikanische Geowissenschaftler Paul Torrens von der University of Maryland in Bethesda treiben den Realismus auf die Spitze. Seine virtuellen Passanten stattet er nicht nur mit allen denkbaren kognitiven Regeln aus, denen echte Fußgänger folgen könnten, sondern verleiht ihnen auch unterschiedliche Persönlichkeiten, so dass sich ihr Verhalten in Extremsituationen unterscheidet. Gleichzeitig entwickelt er Methoden, wie Computer aus aufgezeichneten Bewegungsprofilen der Menschen in einem Gebäude oder einer Stadt die entscheidenden Muster extrahieren können. So könnten Forscher eine zweite Methode gewinnen, mit der sich die Ergebnisse ihrer Simulationen validieren lassen.

Wenn Fußgänger ausschreiten

Die Pläne eines Paul Torrens gehen dabei noch einmal über das hinaus, was Fußgängersimulationen üblicherweise leisten sollen: Er beabsichtigt, auch Interaktionen zwischen Menschengruppen abzubilden. Wenn gewaltbereite Demonstranten mit der Polizei zusammenstoßen, wird es schnell unübersichtlich – ein Umstand, dem seine Simulation von Ausschreitungen Abhilfe schaffen sollen. Für solche Anwendungen ist eine genaue psychologische Modellierung gewiss unersetzlich. Ob sie dagegen auch für die Analyse eines Massenunglücks notwendig ist, bleibt fraglich: Hier wird erst die weitere Untersuchung simplerer Modelle zeigen, welche zusätzlichen Informationen überhaupt nützlich wären.

Vollends offen ist bei alldem auch, ob verbesserte Modelle in Zukunft Unglücke wie auf der Duisburger Loveparade verhindern werden: Bei gut geplanten Veranstaltungen dürfte schon mit jetzigen Methoden und Richtlinien ein geordneter Ablauf auch in Extremsituationen machbar sein. Ihre zerstörerische Kraft entfalten außer Kontrolle geratene Menschenmassen – das zeigt die Erfahrung – vor allem dort, wo niemand damit rechnet.