A Cognition-Emotion-Personality Framework for Modeling Human-Like Awareness and Behavior in Emergency Evacuations

Probleemstelling
Traditionele agent-gebaseerde evacuatiemodellenalen vaak op vereenvoudigende aannames die hun vermogen beperken om de complexe, heterogene en niet-optimale gedragingen te reproduceren die bij echte noodsituaties worden waargenomen. Veelvoorkomende beperkingen omvatten de aanname dat agenten beschikken over perfecte gebeurtenisbewustheid, volledige kennis van de locatie van uitgangen en volledig rationele besluitvormingscapaciteiten. Deze geïdealiseerde scenario's falen in het vastleggen van kritieke real-world fenomenen zoals pre-evacuatievertragingen, verwarring, desoriëntatie, door paniek veroorzaakte letsels en de verspreiding van angst. Bijgevolg is er behoefte aan een verenigd kader dat cognitieve, emotionele, sociale en persoonlijkheidsgestuurde mechanismen integreert om menselijk gedrag onder onzekerheid realistischer te modelleren.

Methodologie
Het artikel stelt een uitgebreid agent-gebaseerd evacuatiekader voor dat voortbouwt op en het ESCAPES-simulatieplatform modificeert. De methodologie introduceert een verenigd cognitief-behavioraal model waarbij agenten interne staten bezitten die hun perceptie, besluitvorming en fysieke interacties dynamisch beïnvloeden. De kerncomponenten van het kader omvatten:

1. Dynamische Gebeurtenisbewustheid: In plaats van discrete niveaus gebruikt het kader een continu Event Certainty Level (ECL) in het bereik [0, 1]. Agenten accumuleren bewijs door directe omgevingsperceptie (het zien van de brand) of sociale interactie met buren. Evacuatie wordt getriggerd wanneer de ECL van een agent een individuele specifieke drempelwaarde overschrijdt, wat de heterogeniteit in reactiviteit op risico's vastlegt.
2. Geheugengebaseerde Uitgangskennis: Kennis van uitgangen wordt gemodelleerd als een gestructureerd, dynamisch proces dat onderhevig is aan acquisitie, vergeten en herinnering. Agenten houden een set uitgangsvermeldingen bij met attributen voor de status van de kennis, tijdelijk vergeten, belangswicht en de laatste visuele bevestiging. Vergeten is probabilistisch, beïnvloed door het angstniveau van de agent, de tijd sinds het laatste visuele contact en het type agent (bijv. personeel versus een voor het eerst bezoeker).
3. Continue Angst- en Paniekmodellering: Angst wordt gerepresenteerd als een continue variabele [0, 1], gedreven door meerdere bronnen: blootstelling aan brand, informatieve onzekerheid en stagnatie (gebrek aan vooruitgang). Paniek ontstaat als een hoog-intensieve staat wanneer angst een kritieke drempelwaarde overschrijdt. In tegenstelling tot eerdere modellen waar angst primair de snelheid beïnvloedt, koppelt dit kader angst direct aan perceptuele degradatie, geheugenbelemmering, verlies van motorische controle en het ontstaan van fysieke botsingen, vallen en vertrapping.
4. Persoonlijkheidsgestuurde Modulatie (Neuroticisme): Het kader integreert het OCEAN-persoonlijkheidsmodel, met specifieke focus op de eigenschap Neuroticisme. In plaats van nieuwe gedragsregels te definiëren, fungeert Neuroticisme als een modulerende factor die systematisch invloed uitoefent op angstgeneratie, escalatiesnelheden, de vatbaarheid voor emotionele besmetting en de duur/effectiviteit van paniekherstel.
5. Sociale Besmetting en Interactie: Informatie en angst verspreiden zich via lokale interacties. De invloed van een buur hangt af van hun zekerheidsniveau en de bron van hun informatie (direct versus indirect). Emotionele besmetting wordt gemodelleerd als een geleidelijk convergentieproces dat wordt gemoduleerd door het Neuroticisme van de ontvangende agent.

Belangrijkste Bijdragen
Het artikel identificeert de volgende primaire bijdragen:

• Verenigd Kader: Integratie van gebeurtenisbewustheid, uitgangskennis, emotionele dynamiek en persoonlijkheid in een coherent model dat perceptie, cognitie, emotie en gedrag koppelt.
• Continue Representaties: Transitie van discrete naar continue domeinen voor Event Certainty en angstniveaus, wat vloeiendere updates van overtuigingen en gedragsveranderingen mogelijk maakt.
• Dynamische Geheugenmodellering: Introductie van een gestructureerde representatie van uitgangskennis die acquisitie scheidt van herinnering, waarbij stress-geïnduceerd tijdelijk vergeten en heterogene geheugenrobuustheid op basis van ervaring van de agent expliciet worden gemodelleerd.
• Gegradueerde Sociale Invloed: Een continu mechanisme voor kennis- en angstoverdracht waarbij de sterkte van de invloed varieert op basis van de zekerheid en het type informatie van de bron.
• Multi-component Angstmodel: Decompositie van angst in brand-geïnduceerde, onzekerheid-geïnduceerde en stagnatie-geïnduceerde componenten, gecombineerd via een dominantieregel om de emotionele staat te bepalen.
• Persoonlijkheid als Modulatie: Implementatie van Neuroticisme als een modulerende laag die de angstversterking, de gevoeligheid voor besmetting en de hersteldynamiek beïnvloedt, waardoor heterogene emotionele reacties mogelijk zijn zonder discrete gedragscategorieën.
• Fysieke Gevolgen van Paniek: Expliciete modellering van hoe paniek de motorische controle en perceptie degradeert, wat leidt tot emergente menigtefenomenen zoals vallen, vertrapping en letsels.

Experimentele Resultaten
Het kader werd geëvalueerd via zes gecontroleerde simulatie-experimenten in een gebouwindeling met twee kamers met 30 agenten per run (30 runs per configuratie). De belangrijkste bevindingen zijn:

• Baseline Vergelijking: Vergeleken met een alwetende, rationele baseline, resulteerde het voorgestelde cognitief-emotionele model in aanzienlijk lagere evacuatie-efficiëntie, vertraagde evacuatiebeslissingen en de opkomst van realistisch gedrag zoals verwarring, informatiezoeken en het volgen van leiders.
• Ruimtelijke Vertrouwdheid: Een hogere ruimtelijke vertrouwdheid (Personeel versus Eerste Keer Bezoekers) correleerde met hogere evacuatiepercentages, minder verwarring en minder letsels. Interessant genoeg leidde hoge vertrouwdheid in sommige gevallen tot een lagere gemiddelde gebeurteniszekerheid omdat personeel snel evacueerde, waardoor de sociale informatieverspreiding naar anderen werd verminderd.
• Geheugenrobuustheid: Het verhogen van de ervaring van personeel (gemodelleerd via lagere vergetelheidskansen) verminderde lineair de incidentie van verwarring en cognitieve verlamming.
• Besluitvormingsdrempels: Hogere evacuatiedrempels (die voorzichtige individuen vertegenwoordigen) leidden tot vertraagde reacties, lagere evacuatiepercentages en een toename van sterftecijfers.
• Angstdynamiek: Het inschakelen van angst- en paniekmechanismen verminderde de evacuatie-efficiëntie aanzienlijk en introduceerde fysieke gevaren (vallen, vertrapping, letsels) die afwezig waren in simulaties zonder angst.
• Impact van Neuroticisme: Hogere Neuroticisme-niveaus versterkten systematisch de angst, versnelden de onset van paniek, verhoogden de frequentie van vertrapping en vallen, en verminderden de algehele evacuatie-efficiëntie en veiligheidsresultaten.

Significantie en Claims
Het artikel claimt dat het voorgestelde kader een realistischere representatie biedt van menselijk gedrag tijdens evacuaties door de interne staten (cognitie, emotie, persoonlijkheid) systematisch te koppelen aan observeerbare menigdynamiek. Het demonstreert dat het integreren van deze psychologische factoren niet louter beschrijvend is, maar de evacuatie-uitkomsten fundamenteel verandert, wat leidt tot verminderde efficiëntie en de opkomst van complexe fenomenen zoals vertragingen, verwarring en fysieke letsels.

De auteurs benadrukken dat het kader de systematische studie van de interacties tussen cognitie, emotie, persoonlijkheid en menigdynamiek mogelijk maakt. Zij erkennen beperkingen, waarbij zij opmerken dat het huidige model geen pro-sociale gedragingen (bijv. het helpen van vreemden) of het volledige spectrum van het OCEAN-persoonlijkheidsmodel expliciet vastlegt, en dat de kwantitatieve uitkomsten afhangen van parameterkalibratie. De kwalitatieve trends die in de experimenten werden waargenomen, ondersteunen echter de validiteit van de modelleringsbenadering bij het vastleggen van de heterogeniteit en complexiteit van menselijke reacties onder stress in de echte wereld. Dit werk positioneert zich als een incrementele stap naar meer realistische evacuatiemodellering, waarbij de kloof tussen vereenvoudigde fysieke modellen en de complexe realiteit van menselijk gedrag wordt overbrugd.