Miksi takarivi ryntää?
Simo Heliövaaran väitöskirja antaa ensi kertaa teoreettisen selityksen hätäuloskäynnin tukkeutumiselle.
Väitöstyön peliteoriaan perustuvia algoritmeja käytetään jo rakennusten turvallisuussimuloinneissa.
Helmikuussa 2003 Great White -rockbändin keikka West Warwickin pikkukaupungissa USA:n itärannikolla päättyi katastrofiin. Vanha puurakenteinen keikkapaikka paloi maan tasalle muutamissa minuuteissa. Sisällä olleista 460 ihmisestä vain 130 pääsi ulos ehjin nahoin. 100 kuoli, 230 loukkaantui. Paikalla olleen toimittajan kuvaamasta videosta käy ilmi, miten klubin pääuloskäynti tukkeutui ihmisten paineesta.
– Tätä kutsutaan Faster is slower -ilmiöksi. Kun ihmiset yrittävät poistua mahdollisimman nopeasti, kitkavoimat oviaukossa kasvavat, eikä kukaan pääse etenemään, kertoo evakuointitilanteiden tietokonesimulaatioista väitellyt Simo Heliövaara.
Joskus ahdas uloskäynti voi tukkeutua myös ilman näkyvää hätätilannetta, kuten kävi kesällä 2010 Saksan Duisburgissa järjestetyssä Love Parade -festivaalilla. Festivaaliareenana toimineelle ratapihalle oli arvioiden mukaan saapunut jopa yli miljoona vierasta. Tilaisuus sai traagisen lopun, kun alueelle johtaneessa ahtaassa tunnelissa 21 ihmistä tallautui hengiltä ja sadat loukkaantuivat.
Paniikki ei selitä
Julkisuudessa tällaisten onnettomuuksien selitys on usein väkijoukossa syntynyt paniikki ja järjenvastainen toiminta. Tutkijoita tällainen yksinkertaistus ei tyydytä.
– Tutkimusten mukaan ihmiset toimivat hätätilanteissa rationaalisesti, Heliövaara vahvistaa.
Jättimäisissä ihmisjoukoissa yksilöiden rationaalinen toiminta saattaa kuitenkin muuttua tragediaksi. Pyörteiseksi muuttuvassa ihmisvirrassa joku menettää tasapainonsa ja katastrofi on valmis. Rakennusten suunnittelijat haluavat tietää, miten estää tällaiset tilanteet ennalta.
Aalto-yliopiston systeemianalyysin laitoksen tutkijat kiinnostuivat aiheesta vuonna 2005, kun VTT:n paloturvallisuustutkijat kävivät esittelemässä työtään. Tekes oli luvannut rahoitusta VTT:n evakuointisimulaattorin jatkokehitykseen, ja mukaan haluttiin uusia kumppaneita.
– Me teimme mallinnuspuolta, Helsingin yliopiston sosiaalipsykologit pohtivat ihmisten käyttäytymistä poistumistilanteissa, Heliövaara kertoo.
VTT:n käyttämät simulointimallit kuvasivat hyvin väkijoukon liikettä yksinkertaisissa tilanteissa, esimerkiksi kapean uloskäynnin lävitse. Vaikeampi pala simuloinnille olivat sen sijaan reitinvalintatilanteet, joissa piti mallintaa ihmisten joukkokäyttäytymistä ja päätöksentekoa. Tähän tarvittiin Aallon systeemianalyysin laboratorion tutkimusosaamista. Systeemianalyysin tutkijoiden leipälaji on peliteorian osaaminen.
Peliteoria avain reitinvalintaan
Peliteorian avulla voidaan analysoida tilanteita, joissa ihmiset tekevät valintoja, jotka vaikuttavat muiden pelaajien hyvinvointiin. Näin on asia esimerkiksi tulipalotilanteessa, kun pitää päättää minkä uloskäynnin valitsee.
Ensimmäiset peliteoriaa hyödyntävät reitinvalintamallit syntyivät jo Heliövaaran diplomityössä. Väitöstyössä algoritmeja on kehitetty edelleen. Parannetut algoritmit huomioivat esimerkiksi sen, tuntevatko poistujat reitin ennestään. Tutkijat havaitsivat, että hätätilanteessa suositaan tuttua reittiä, vaikka se olisi pidempi.
– Perinteiset paloturvallisuusmääräykset poistumisteiden koosta ja määrästä eivät ota huomioon sitä, ovatko reitit sellaisia, että ihmiset käyttäisivät niitä hätätilanteissa.
Sen takia monissa rakennuskohteissa vaaditaan nykyisin tarkempi turvallisuusanalyysi.
– Esimerkiksi Helsingin Musiikkitalon turvallisuusarvioinnissa on käytetty ohjelmistoamme.
Vuonna 2005 alkanut tutkimustyö on kantanut hedelmää. Suurin osa väitöskirjan algoritmeista on jo liitetty osaksi FDS+Evac-ohjelmistoa.
– Nyt voimme simuloida monipuolisemmin erilaisia tilanteita. Uusien algoritmien ansiosta ohjelmisto esimerkiksi mallintaa entistä paremmin, miten ihmiset jakautuvat eri uloskäynneille hätätilanteissa, Heliövaara kertoo.
Väitöstyön toistaiseksi siteeratuin tutkimuspaperi on kokeellinen tutkimus, jossa tutkittiin 50 opiskelijan joukon poistumisreitin valintaa.
– Siihen on viitattu aika paljon. Moni tutkija käyttää sitä kehittämiensä mallien validoimiseen, Heliövaara kertoo.
Todellisella datalla testataan, että luodut simulointimallit todella kuvaavat ihmisten käytöstä tositilanteissa.
Myös Heliövaaran kehittämät algoritmit ovat käyneet läpi vastaavan happotestin. Tässä traagiset videotallenteet ovat olleet alan tutkimukselle kullan arvoisia.
Heliövaaran mallien validoinnissa on hyödynnetty dataa niin Rhode Islandin yökerhopalosta, Love Paraden tunnelionnettomuudesta kuin Mekassa pyhiinvaeltajien kuolemiin johtaneista yleisökaaoksista.
Tiede selittää tukoksen
Uloskäyntien kohtalokkaiden tukkeutumisten perusfysiikka ymmärretään jo hyvin. Kun ihmiset yrittävät poistua mahdollisimman nopeasti, kitkavoimat oviaukossa kasvavat niin suuriksi, että ihmisvirta pysähtyy. Tilannetta pahentaa entisestään takaa tulevien paine. Mutta miksi tällainen tilanne syntyy?
Aallon tutkijat löysivät kysymykseen vastauksen liitutaulun äärellä keväällä 2010. Heliövaara ja professori Harri Ehtamo olivat jo vuoden yrittäneet formuloida peliteoreettiseen muotoon yksinkertaista tilannetta, jossa iso joukko ihmisiä pyrkii ahtaan oviaukon läpi.
– Eräänä iltapäivänä Harrin työhuoneessa, liitutaulun äärellä, saimme ajatuksen viimein lopulliseen muotoon, Heliövaara muistelee.
Peliteoriassa etsitään niin sanottua Nashin tasapainoa, jossa kukaan pelaajista ei pysty strategiaansa muuttamalla enää parantamaan omaa tilannettaan. Jos tuhannet ihmiset säntäävät kohti oviaukkoa, kaikki pelaavat toisiaan vastaan. Heliövaara ja Ehtamo oivalsivat, että evakuointitilanteessa vastapelurit ovat sinua lähinnä olevat ulos pyrkijät.
– Rakensimme yksinkertaisen päivitysmallin, jossa tarkkaillaan lähinaapurien toimintaa ja päivitetään omaa toimintaa sen perusteella.
Mallissa on mahdollista joko odottaa kärsivällisesti vuoroaan tai sännätä eteenpäin. Kun liitutaululla hahmoteltu simulointimalli saatiin matemaattiseen muotoon, tutkijat havaitsivat simuloinnin kuvaavan ihmisten havaittua käyttäytymistä erinomaisen hyvin ja iteroituvan tasapainotilaan no-peasti.
– Kun olosuhteet käyvät simulaatiossa uhkaaviksi, takana olevat ihmiset kokevat, että he eivät ehdi ajoissa, elleivät ohita edellä olevia. Heille tulee insentiivi lähteä työntämään.
Simulointi paljastaa, miten suurin osa takarivissä olijoista työntää, kun lähellä oviaukkoa taas odotetaan vuoroa kärsivällisesti. Kollektiivinen paine johtaa lopulta oviaukon tukkeutumiseen.
Vuonna 2013 julkaistu tieteellinen artikkeli on ensimmäinen tieteellinen selitys sille, miksi yksilöiden näkökulmasta rationaalinen toiminta johtaa kollektiivisiin katastrofeihin.
– Tuo paperi on kyllä henkilökohtainen suosikkini väitöstyön artikkeleista, tieteellisessä mielessä elegantti. Se, millainen vaikutus sillä on alan tutkimukseen, jää vielä nähtäväksi.
FDS+Evac-simulointiohjelmistolla mallinnetaan hätätilanteita |
FDS+Evac on Open source -simulointiohjelmisto, jota käytetään laajalti rakennusten toiminnallisen paloturvallisuuden testaamiseksi jo suunnitteluvaiheessa. VTT:n ja Aallon tutkijoiden yhteistyönä kehittämä ohjelmisto on laajennus USA:n National Institute of Standards and Technology (NIST) -tutkimusorganisaation kehittämään Fire Dynamics Simulator (FDS) -tulipalomallinnusohjelmistoon. Evakuointisimulointimalli yhdistelee klassista mekaniikkaa, virtauslaskentaa ja havaintoja ihmisten joukkokäyttäytymisestä. Simuloinnissa jokaisella ihmisellä on yksilölliset ominaisuudet, koko, massa ja kävelynopeus sekä oma liikeyhtälö, jota päivitetään jatkuvasti. |
Tutkijasta investointipankkiiriksi |
Aallon tutkija Simo Heliövaara teki aikamoisen urahypyn vuonna 2011, kun hän vaihtoi tutkijan työn investointipankkiirin – Muutama vanha kollega systeemianalyysin laboratoriosta oli siirtynyt rahoitusalalle. Tiesin, että alalla on tehtäviä, joissa voisin hyödyntää vuosien varrella kertynyttä osaamistani. Kun Nordic Investment Bank kaipasi tutkijaosaamista, Heliövaara päätti tarttua tilaisuuteen. Nykytyö on simulointia sekin. – Simuloimme, mitä riskejä luottoportfolioomme sisältyy. Luomme ison joukon tulevaisuuden skenaarioita ja katsomme miten paljon voimme hävitä milläkin todennäköisyydellä, Heliövaara kertoo. Nordic Investment Bank antaa lainoja, jotka tukevat kestävää kehitystä sekä Pohjoismaiden ja Baltian kilpailukykyä. Pankin 15 miljardin lainakanta tekee työstä vastuullista, sijoituspäätökset kun nojaavat tutkijoiden laskelmiin. Uusi työ ja perheeseen syntynyt lapsi hidastivat väitöskirjan viimeistelyä, mutta tammikuussa 2014 tuli viimein valmista. Vaikka evakuointisimuloinnit ovat tältä erää historiaa, Heliövaara pitää edelleen yhteyttä systeemianalyysin tutkijoihin. – Uudet tohtoriopiskelijat ovat jatkamassa työtäni. He tekevät kiinnostavia juttuja. Toiveena on, että väitöskirjassa kehitetyt algoritmit löytävät tiensä FDS+Evac-ohjelmiston lisäksi myös muihin maailmalla käytettäviin simulointimalleihin. Myös tiedekärpänen on puraissut pysyvästi. – Tieteellinen julkaiseminen kiinnostaa kyllä jatkossakin. Onhan se palkitsevaa, kun muut käyttävät juttuja, joita olen julkaissut. Mutta tulevaisuudessa tutkimusaiheeni liittyvät varmaankin pankki- ja rahoitusasioihin. |
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina? |
