Universität zu Köln

Krüchten, Cornelia von (2019). Development of a cognitive and decision-based model for pedestrian dynamics. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Research on pedestrian dynamics is always an interplay between empirical and experimental observations and theoretical modelling and simulations. Thereby, pedestrian models are not only used for theoretically reproducing empirical data, but also to better analyse and understand the mechanisms and behavioural aspects that underlie pedestrian dynamics. The model approach that is presented in this work assumes pedestrian motion to result from cognitive and decision-based processes. The model is set in continuous space, but discrete time and therefore belongs to a model class whose potential has been rarely investigated yet. However, compared to other model classes that are widely used in pedestrian dynamics, this approach is highly advantageous considering fidelity and simplicity in its structure. A pedestrian is considered as an autonomous entity that gains information on the surrounding by visual perception and anticipation. On this basis, the agent takes a decision on its movement for the next time step. The main focus during the development of the approach was on modelling the interaction and collision avoidance with other agents. Particularly for the collision avoidance, stochastic procedures are used in order to consider uncertainties of human decisions explicitly which makes the modelling approach more realistic. As simulation results show, the new approach is able to reproduce characteristic effects of pedestrian motion very well. For typical scenarios that have been used as test cases the simulated results fit well, at least qualitatively but often even quantitatively, to experimental data. Especially, important macroscopic effects, particularly collective phenomena, are observed in the results that are reproduced by modelling individual interaction of a single pedestrian with others. During the development of the model its parameters were specifically adjusted for the single scenarios, considering the empirical data basis. In addition, several cognitive mechanisms were supplemented. By this means, it is possible to identify and understand the important intrinsic properties and motivations of a pedestrian. Furthermore, this provides the opportunity to gain insight into how cognitive and decision-based approaches can model pedestrian behaviour as realistically as possible.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Erforschung von Fußgängerdynamik ist stets ein Zusammenspiel aus empirischen und experimentellen Beobachtungen und theoretischer Modellierung und Simulationen. Dabei sind Modelle nicht nur eine theoretische Reproduktion empirischer Daten, sondern eine wichtige Informationsquelle, um die Mechanismen und Verhaltensweisen, die der Fußgängerdynamik zugrunde liegen, zu analysieren und zu verstehen. In dieser Arbeit wird ein neuer Modellansatz vorgestellt, der die Bewegungen von Fußgängern als Resultat kognitiver und entscheidungsbasierter Prozesse auffasst. Das Modell ist raumkontinuierlich, aber zeitdiskret und gehört damit zu einer Modellklasse, deren Potential bisher wenig untersucht wurde, die aber im Vergleich mit den üblicherweise verwendeten Klassen große Vorteile in Bezug auf Genauigkeit und strukturelle Einfachheit hat. Ein Fußgänger wird als eine autonome Einheit betrachtet, die mittels visueller Wahrnehmung und Antizipation Informationen über ihre unmittelbare Umgebung sammelt, und auf dieser Grundlage über ihre Bewegung im nächsten Zeitschritt entscheidet. Ein Hauptaugenmerk in der Modellentwicklung lag auf der Modellierung der Interaktion und Kollisionsvermeidung mit anderen Agenten. Unter anderem an dieser Stelle wird insbesondere auf stochastische Prozeduren zurückgegriffen, die die Unsicherheiten und Unwägbarkeiten menschlicher Entscheidungen berücksichtigen und dabei helfen, den Modellansatz realistischer zu machen. Wie die Simulationsergebnisse zeigen, ist der neue Ansatz in der Lage, charakteristische Effekte der Fußgängerbewegungen mindestens qualitativ, oft sogar auch quantitativ sehr gut zu modellieren. Im Besonderen können wichtige makroskopische Effekte, speziell kollektive Phänomene, durch die Modellierung von individueller Wechselwirkung eines Einzelnen mit anderen Fußgängern gut reproduziert werden. Während der Modellentwicklung wurden die verwendeten Parameter im Hinblick auf die empirische Datengrundlage situationsspezifisch angepasst und weitere kognitive Prozeduren ergänzt. Damit können zum einen die ausschlaggebenden intrinsischen Eigenschaften und Motive eines Fußgängers besser identifiziert und verstanden werden, zum anderen Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie kognitive und entscheidungsbasierte Modelle realistisches Verhalten für Fußgänger bestmöglich wiedergeben können. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Krüchten, Cornelia von c.vonkruechten@t-online.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-103613
Date:	2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Pedestrian dynamics English Model development English Decision-making English Cognition English Collision avoidance English Single-file motion English Evacuation English Lane formation English
Date of oral exam:	29 October 2019
Referee:	Name Academic Title Schadschneider, Andreas Prof. Dr. Gompper, Gerhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10361