Modelo For¸ca Social

Embora o comportamento humano seja de dif´ıcil modelagem, para situ¸c˜oes relati- vamente menos complexas, modelos estoc´aticos podem ser desenvolvidos se forem restritos `as probabilidades comportamentais encontradas em um grupo populacional grande. Para uma modelagem confi´avel do comportamento de pedestres, ´e essencial ter uma boa estimativa do comportamento do grupo como um todo e n˜ao de cada indiv´ıduo. N˜ao ´e necess´ario, por exemplo, saber qual indiv´ıduo tem certa atitude e sim uma boa estimativa da percentagem dos indiv´ıduos que tem dada atitude [12].

Adiconalmente, para uma boa modelagem, faz se necess´ario que as for¸cas f´ısicas reais de contato entre pedestres e paredes e de pedestres entre si e sejam conside- radas. Estas for¸cas, incluem as ”for¸cas de corpo”, que aparecem em situa¸c˜ao de ”Jamming/Clogging”, por exemplo. Um modelo que considera estas intera¸c˜oes ´e o modelo For¸ca Social, desenvolvido por HELBING [12], [37]. A ideia central do modelo ´e descrever os pedestres como part´ıculas, se a acelera¸c˜ao ´e nula, a part´ıcula mant´em sua velocidade. O modelo ´e descrito em detalhes a seguir.

A mudan¸ca temporal na localiza¸c˜ao de um pedestre i, ri(t) obedece a Equa¸c˜ao

2.5 de movimento descrita abaixo. dri

dt = vi(t) (2.5)

O somat´orio de todas as for¸cas sociais que influenciam o agente i, de massa mi

´e representado pelo termo fi(t) e as pequenas flutua¸c˜oes individuais que refletem

varia¸c˜oes comportamentais n˜ao sistem´aticas s˜ao dadas por ξi(t). Desse modo, as

mudan¸cas de velocidade s˜ao representadas pela equa¸c˜ao de acelera¸c˜ao (Equa¸c˜ao 2.6), que representa uma aproxima¸c˜ao da Equa¸c˜ao de Movimento de Newton.

dvi

dt mi = fi(t) + ξi(t) (2.6) Uma vantagem particular desta abordagem ´e a possibilidade do uso flex´ıvel do espa¸co ocupado pelos agentes, o que requer um tratamento cont´ınuo do movimento. Este ponto ´e crucial para que as observa¸c˜oes emp´ıricas do comportamento dos agen- tes possa ser reproduzida de uma maneira robusta (ou seja, sem ser necess´ario ajustar o modelo para cada situa¸c˜ao e medida em particular).

No modelo de For¸ca Social para agentes, ´e pressuposto que cada indiv´ıduo i est´a tentando se mover numa desejada dire¸c˜ao e0

i, com uma velocidade pretendida v0i,

relaxa¸c˜ao τi (tempo de acelera¸c˜ao no qual um evacuado acelera para a velocidade

desejada, pequenos valores de τi geram grandes acelera¸c˜oes e vice-versa). Desse

modo, o somat´orio das for¸cas sociais fia(t) ´e dado por:

fi(t) = 1 τi (v_i0e0_i − vi) + X j(6=i) fij(t) + X W fiW(t) + ξi(t) (2.7)

Onde os termos fij(t) e fiW(t) denotam as for¸cas repulsivas que descrevem a

tentativa dos agentes de manter uma certa distˆancia de seguran¸ca dos outros agentes e obst´aculos, respetivamente como ilustra a Figura2.6.

Em situa¸c˜oes de grandes multid˜oes, for¸cas de contato adicionais aparecem (Equa¸c˜oes2.13e2.14 apresentadas mais adiante). Tais for¸cas, refletem efeitos atra- tivos entre membros de um mesmo grupo ou outras influˆencias (conforme descrito no item 2.2).

Figura 2.6: For¸cas de intera¸c˜ao entre os obst´aculos - agente e agentes-agentes. As for¸cas de intera¸c˜ao entres os agentes tˆem a seguinte forma:

fij(t) = f (dij(t)) (2.8)

No qual dij = ri − rj ´e o vetor que aponta a distˆancia entre o centro de massa

dos agentes i e j. A dependˆencia das for¸cas de intera¸c˜ao para uma especifica¸c˜ao circular ´e dada conforme a Equa¸c˜ao 2.9:

f (dij) = Aiexp( −dij Bi ) dij ||dij|| (2.9) O parˆametro Ai reflete a for¸ca da intera¸c˜ao e Bi a gama de intera¸c˜oes. No

modelo, ´e considerado que a popula¸c˜ao ´e homogˆenea, ou seja, estes parˆametros s˜ao constantes, calibrados a partir de dados de monitoramento por v´ıdeo.

A tendˆencia psicol´ogica de dois agentes se manterem afastados um do outro quando a distˆancia ´e pequena ´e descrita por uma for¸ca de intera¸c˜ao repulsiva, cha- mada for¸ca social, (fij) conforme apresentado na Equa¸c˜ao2.10 abaixo.

fij = Ai exp( (Rij − dij) Bi )nij[λ + (1 − λi) 1 + cos(ϕij) 2 ] (2.10)

Tal que Rij = Ri+ Rj representa a soma dos raios dos pedestres i e j. O vetor

nij = (ri− rj)/dij representa o vetor da distˆancia entre os agentes i e j normalizado.

O ´ultimo termo da Equa¸c˜ao 2.10 escala a quantidade da for¸ca de acordo com a dire¸c˜ao do agente repulsivo. Um valor de λ < 1 significa que o agente repulsivo a frente do pedestre em quest˜ao tem mais impacto (for¸ca maior) do que aqueles que se encontram atr´as. O ˆangulo ϕij(t) denota o ˆangulo entre a dire¸c˜ao na qual o pedestre

est´a se movendo vi(t)/||vi(t)|| e a dire¸c˜ao −nij do agente que est´a exercendo a for¸ca

de repuls˜ao.

Se um agente toca o outro, a distˆancia dij entre eles ´e menor do que a soma

de seus raios, Rij. Sendo assim, duas for¸cas s˜ao adicionadas ao modelo, a for¸ca de

corpo, Equa¸c˜ao2.11, e a for¸ca de atrito, Equa¸c˜ao2.12, na qual controla o movimento tangencial.

k(Rij − dij) nij (2.11)

K(Rij − dij) ∆ vijt tij (2.12)

O termo tij representa a dire¸c˜ao tangencial entre os pedestres, na qual ´e perpen-

dicular `a nij e ∆ vtijtij = (vj − vi) ´e a diferen¸ca entre as velocidades dos pedestres.

k e K s˜ao constantes do modelo.

Ent˜ao, as for¸cas de intera¸c˜ao entre os pedestres s˜ao dadas por:

fij = Kg(Rij−dij)∆ vijt tij+[Aiexp((Rij−dij)/Bi)(λi+(1−λi)

1 + cos(ϕij)

2 )+kg(Rij−dij)] (2.13) Se n˜ao existir intera¸c˜oes entre os agentes, a fun¸c˜ao g ´e nula. A intera¸c˜ao entre os agentes e as paredes dos objetos ´e similar `a intera¸c˜ao entre os agentes, e ´e conhecida pela formula¸c˜ao apresentada na Equa¸c˜ao2.14:

fiW = [Aiexp((Ri− diW)/Bi) + Kg(Ri− diW))]niW− kg(Ri− diW)(vitiW)tiW (2.14)

A distˆancia entre o agente i e a parede W ´e dada por diW enquanto que o vetor

niW denota a dire¸c˜ao unit´aria perpendicular `a parede em quest˜ao. O vetor tiW ´e a

dire¸c˜ao tangencial entre a parede e o agente.

O fato das equa¸c˜oes deste modelo serem baseadas nas for¸cas f´ısicas reais, que surgem quando h´a forma¸c˜ao de multid˜ao, ´e sua principal vantagem. Isso permite

incluir durante a modelagem os efeitos coletivos (item 2.1.4) t´ıpicos devido ao com- portamento humano observados na dinˆamica de evacua¸c˜ao.