Universität zu Köln

Rzezonka, Jonas ORCID: 0000-0001-7178-3231 (2023). Analysis of the microscopic structure of pedestrian bottleneck flow based on experiments and simulations. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Improving the understanding of pedestrian crowd dynamics is a growing field with essential contributions from many areas of science utilizing empirical data and mathematical models. Simulations of pedestrian systems are an important method for empirically investigating many scenarios that would be difficult or unethical to study. They can improve the understanding of the pedestrians' interactions with other pedestrians and their environment by focusing on minimal models that can reproduce observed phenomena. Especially the observation of self-organization effects is of interest in that regard. Many of these phenomena in pedestrian dynamics are not unique to the system and are observed in related fields like granular materials, colloids, and active matter. Microscopic phenomena in pedestrian dynamics are partially analyzed by utilizing measures from these related fields. The presented work introduces methods from solid-state physics and granular matter to quantify the spatial order of pedestrian systems. The focus is on bottleneck flow when a crowd has to pass a spatially restricted area (e.g., a door leading to a hall), a crucial scenario in pedestrian dynamics and the flow of granular matter. Several collective effects are observed in this simple scenario. However, the dynamics are not well understood. This can lead to controversies about the origin of observed phenomena, especially in an interdisciplinary field. In a situation where the corridor width leading to the bottleneck is variable, empirical studies found a surprising behavior. The density in narrower corridors decreases, even though a wider corridor allows for more space where pedestrians could distribute. Additionally, lane formation emerges in narrow corridors. It was argued that this is an example of social norms influencing the dynamics of pedestrians. However, the hypothesis is missing convincing evidence. From a physical standpoint, this thesis investigates the phenomenon using a microscopic velocity-based model using simple interactions. To obtain a better understanding of the models' interactions, the scenario of a bottleneck with a wide area in front is further analyzed regarding the spatial order, utilizing the measures and methods used in the study of granular materials. Experimental data and agent-based simulations are analyzed using velocity-based and force-based models. The comparison of the experimental data to the simulations shows that the simulated systems have a higher degree of spatial order, while the experimental data behaves closer to a fluid. A further investigation of simulated systems with a large number of agents and variation in the interactions reveals a rich behavior in the modeled systems, exhibiting increased spatial order, partial jamming, influencing the clogging probability, and a general transformation of the bulk shape in front of the bottleneck.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Dynamik von Fußgängerströmen ist von zunehmendem Interesse, mit neuen Beiträgen aus verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, wie der Physik, den Ingenieurswissenschaften und der Sozialpsychologie. Die Beiträge basieren auf empirischen Daten sowie mathematischer Modelle und numerische Simulationen. Insbesondere Simulationen von Fußgängersystemen sind wichtig zur Untersuchung von Situationen, deren experimentelle Umsetzung schwierig oder unethisch wären. Zusätzlich können Modelle helfen, das Verständnis von Fußgängerinteraktionen mit anderen Fußgängern und ihrer Umwelt zu verbessern, indem sie sich auf minimale Wechselwirkungen fokussieren, die die beobachteten Phänomene reproduzieren können. Besonders interessant sind Beobachtung von emergenten Selbstorganisations-Effekten. Fußgängersysteme zeigen eine Reihe dieser Effekte, welche jedoch nicht zwingend systemimmanent sind und auch in anderen Bereichen wie granularer Materie, Kolloiden und aktiver Materie beobachtet werden. Messgrößen, die im Bereich der Fußgängergynamik zum Einsatz kommen, um mikroskopische Phänomene zu analysieren, stammen teils aus diesen verwandten Bereichen. Die vorliegende Arbeit führt Methoden aus den Bereichen Festkörperphysik und granularer Materie ein, um die räumliche Ordnung von Fußgängersystemen zu quantifizieren und analysieren. Der Fokus liegt hierbei auf der Bewegung von Fußgängerströmen durch einen Engpass (sogenannte Bottlenecks), wenn eine Menschenmenge sich durch einen räumlich begrenzen Bereich bewegen muss (z.B. der Eingang in eine Eventhalle). Bottlenecks sind ein wichtiges Szenario im Bereich der Fußgängerdynamik und granularer Materie. In diesem relativ einfachen System können mehrere kollektive Effekte beobachtet werden, die Dynamik ist jedoch noch nicht gut verstanden. Ein tieferes Verständnis der Ursachen ist insbesondere bei Anwendungen in interdisziplinären Fragestellung wichtig. In Experimenten, bei denen die Breite des zum Engpass führenden Korridors variiert wurde, wurden überraschende Phänomene beobachtet. In schmalen Korridoren, die zu dem Bottleneck führen, ist die Dichte geringer im Vergleich zu einem weiten Korridor, obwohl dort mehr Platz in der Nähe des Bottlenecks ist, auf dem sich Fußgänger verteilen könnten. Zusätzlich kommt es in den schmalen Korridoren zu einer Spurenbildung (sogenannte lane formation). In vorangegangenen Studien wurde argumentiert, dass dies ein Beispiel für den Einfluss sozialer Normen auf die Dynamik von Fußgängern ist, jedoch fehlen der Hypothese überzeugende Beweise. Um den Ursprung der beobachteten Phänomene besser zu verstehen, wird in der vorliegenden Arbeit die Situation aus physikalischer Sicht, anhand eines mikroskopischen, geschwindigkeitsbasierten Modells mit einfachen Interaktionen untersucht. Damit Wechselwirkungen in Modellen besser verstanden werden können, wird im weiteren Verlauf der Arbeit das Bottleneck-Szenario in der Hinsicht auf die räumliche Ordnung der Fußgänger in experimentellen Daten und geschwindigkeits- und kraft basierten Modellen untersucht. Dabei werden vor allem Methoden zur Untersuchung der räumlichen Struktur granularer Materie verwendet. Der Vergleich von Modellen und experimentellen Daten zeigt, dass sich in den Modellen eine höhere Ordnung der simulierten Fußgänger bildet, während sich die experimentellen Daten ähnlich zu einer Flüssigkeit verhalten. Zur Untersuchung, welchen Einfluss die Wechselwirkungen in den Modellen auf die Struktur haben, werden Bottlenecksysteme mit einer großen Anzahl an Agenten simuliert, um Randeffekte zu minimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Wechselwirkungen die räumliche Struktur und Dynamik des Systems maßgeblich verändern. Zusätzlich wird die Wahrscheinlichkeit für Blockaden im System (sogenannte Clogs) beeinflusst und die allgemeine Form der Ansammlung von simulierten Fußgängern. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rzezonka, Jonas jrzezonka@gmail.com orcid.org/0000-0001-7178-3231 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-655439
Date:	1 May 2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Statistical physics English Pedestrian dynamics English Granular matter English Pedestrian simulations English Microscopic structure English Bottleneck English Pedestrian experiments English
Date of oral exam:	2 February 2023
Referee:	Name Academic Title Schadschneider, Andreas Prof. Dr. Krug, Joachim Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/65543