title: Operational Navigation of Agents and Self-organization Phenomena in Velocity-based Models for Pedestrian Dynamics
Creators: name: Xu, Qiancheng
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2022

description: While moving in space, pedestrians often adjust their direction of movement and/or their speed to avoid collisions with others and obstacles. This steering process is influenced by physical factors from the environment, as well as psychological factors of pedestrians such as motivation. Therefore, when modeling the movement of pedestrians especially for reproducing self-organization phenomena, it is important to consider these factors. This cumulative dissertation includes four publications related to velocitybased models for pedestrian dynamics. Three of them study the navigation of pedestrians and related self-organization phenomena, and the remaining one is an applied study related to the control measures adopted by German supermarkets during the COVID-19 pandemic. Velocity-based models consider pedestrians as particles also called agents and describe their movement at the operational level, by means of firstorder differential equations. Velocity-based models, contrary to cellular automata, are continuous in space. Moreover, the new position of pedestrians is determined directly by a velocity function instead of an integrating of acceleration in force-based models. In publication I, a velocity-based model that considers several basic behaviors of pedestrians is proposed and validated with the fundamental diagram of unidirectional pedestrian flow. Besides, the effect of agents’ shape on the overall dynamics is studied. Although this basic model is able to guarantee the volume exclusion and reproduce the fundamental diagram of unidirectional pedestrian flow, it does not perform well in complex scenarios, where self-organization phenomena occur. Therefore, in publication II and III, the previously developed basic model is used to quantitatively study clogging in bottleneck scenarios and lane-formation in bidirectional flow scenarios, respectively. In addition, in publication III, an anticipation mechanism is introduced into the basic model to describe lane-formation in bidirectional flow scenarios more realistically. Based on the analysis in publications II and III, a new structure of the model for pedestrian dynamics is proposed in the outlook chapter of this dissertation. Finally, in publication IV, the velocity-based model is used to evaluate the effectiveness of control measures adopted by German supermarkets during the COVID-19 pandemic in 2020.
description: Wenn sich Fußgänger in Menschenmengen bewegen, passen sie oft ihre Bewegungsrichtung und/oder ihre Geschwindigkeit an, um Kollisionen mit anderen Personen und Hindernissen zu vermeiden. Beeinflusst wird dieser Lenkvorgang durch physikalische Faktoren aus der Umgebung, aber auch durch psychologische Faktoren des Fußgängers wie die Motivation. Daher ist es bei der Modellierung der Bewegung von Fußgängern insbesondere zur Reproduktion von Selbstorganisationsphänomenen wichtig, diese Faktoren zu berücksichtigen. Diese kumulative Dissertation umfasst vier Veröffentlichungen zu geschwindigkeitsbasierten Modellen für die Fußgängerdynamik. Drei dieser Veröffentlichungen untersuchen die Navigation von Fußgängern und damit verbundene Selbstorganisationsphänomene, während die vierte eine angewandte Studie zu den Kontrollmaßnahmen deutscher Supermärkte während der COVID-19-Pandemie. Geschwindigkeitsbasierte Modelle betrachten Fußgänger als Teilchen, auch die Agenten genannt werden, und beschreiben ihre Bewegung auf operativer Ebene mit Hilfe von Differentialgleichungen erster Ordnung. Geschwindigkeitsbasierte Modelle sind im Gegensatz zu zellulären Automaten im Raum kontinuierlich. Außerdem wird die neue Position von Fußgängern direkt durch eine Geschwindigkeitsfunktion bestimmt, anstatt die Beschleunigung in kraftbasierte Modelle zu integrieren. In der Publikation I wird ein geschwindigkeitsbasiertes Modell, das grundlegende Verhaltensweisen von Fußgängern berücksichtigt, vorgestellt und mit dem Fundamentaldiagramm des unidirektionalen Fußgängerflusses validiert. Außerdem wird der Einfluss der Agentenform auf die Gesamtdynamik untersucht. Dieses vereinfachte Modell ist in der Lage, den Volumenausschluss zu gewährleisten und das Fundamentaldiagramm des unidirektionalen Personenstrom zu reproduzieren, stößt jedoch in komplexen Szenarien, in denen Selbstorganisationsphänomene auftreten, an seine Grenzen. Daher wird in den Publikationen II und III das zuvor entwickelte Modell verwendet, um die Verstopfung in Engpassszenarien bzw. die Spurbildung in bidirektionalen Strömungsszenarien quantitativ zu untersuchen. Darüber hinaus wird in der Publikation III ein Antizipationsmechanismus in das Modell eingeführt, um die Spurbildung in bidirektionalen Strömungsszenarien realistischer zu beschreiben. Basierend auf der Analyse in den Publikationen II und III wird im Ausblick dieser Dissertation eine neue Struktur des Modells für die Fußgängerdynamik vorgeschlagen. Schließlich wird in der Publikation IV das geschwindigkeitsbasierte Modell verwendet, um die Wirksamkeit der Kontrollmaßnahmen deutscher Supermärkte w¨ahrend der COVID-19- Pandemie im Jahr 2020 zu bewerten.