Diskrete Modellierung von Verkehrs- und Personendynamik aus einer technischen Perspektive

Transportation systems are to be designed and implemented for a safe and efficient usage. In the past decades, vehicular traffic systems and pedestrian dynamics have emerged as two new interdisciplinary research fields. Although seemingly different, in both cases, human factors play a significant role; in addition, both vehicular traffic and pedestrian dynamics can be modelled from a same discrete perspective and they can be formulated on similar background geometries. The current dissertation presents a couple of discrete modelling methods in this aspect. Chapter 1 gives a brief discussion in general about macroscopic modelling in the two fields. Important terms in the two fields are explained as well. In Chapter 2, two cellular automaton models for the simulation of vehicular traffic are mentioned, on the same discrete geometry, we present a new deductive model for the simulation of vehicular traffic with multiple lanes and additional safety distance control, this model is accompanied by detailed calibration information. Chapter 3 deals with the topic of pedestrian dynamics. In macroscopic methods, pedestrians are mostly treated as particles with neglectable sizes, in our microscopic modelling, however, an exclusive personal space for the pedestrians is considered. In correspondence to this, a new balancing mechanism and a local navigation method based on continuous density are proposed to describe the interaction among the pedestrians. Further considerations have been given to the underlying geometries. Common cellular automaton models are defined on square grids, in comparison, we offer an approximation scheme of the so-called path-oriented coordinate systems. By this means, irregular geometric settings which we sometimes encounter in real-world situations can be formulated. At the same time, such systems can be later embedded into larger and more complex simulation systems defined on regular grids. In Chapter 4 we consider the problem of pedestrian trajectory generation and give two possible solutions. The first one is a photogrammetric method endeavoured to extract spacial information from conventional video data with the help of additional reference points in the scene, this method is essentially an optimization problem respecting the given reference points. In fact, the empirical data used for the model calibration in section 3.1.6 have been obtained by using this method. The second method refers to the so-called three-dimensional Time-Of-Flight data. Automatic detection of pedestrians as moving objects is realized and this method can be deployed for the purpose of automatic passenger counting in public transportation. With automatic processing of pedestrian trajectories, enormous amount of manual effort can be saved; on the other hand, trajectory information concerning real pedestrians in various scenarios can be very useful or even indispensable for the calibration of any existing simulation model in this field. In Appendix, the structure and usage of the related computer programs will be explained.Die vorliegende Arbeit präsentiert einige Modellierungsansätze für Verkehrsdynamik und Personendynamik aus der mikroskopischen Kategorie. Verkehrsdynamik und Personendynamik sind zwei in den letzten Jahrzehnten neu entstandene interdisziplinäre Forschungsgebiete, die zwar unterschiedliche Themen behandeln, aber auch gewisse Gemeinsamkeiten aufweisen: Erstens unterliegen beide bestimmten von Menschen definierten Verhaltensregeln; zweitens können sowohl Verkehrsdynamik als auch Personendynamik aus technischer Sicht auf sehr ähnlichen geometrischen Strukturen mikroskopisch modelliert werden. Derartige geometrische Strukturen werden für die hier vorgestellten Methoden verwendet. Diese Arbeit ist in vier Teile gegliedert. In Kapitel 1 wird nach einer kurzen Einführung in makroskopische Modellierung einige wichtige Begriffe erkläutert, die in allen gängigen Methoden eine zentrale Bedeutung haben. In Kapitel 2 werden zuerst zwei bekannte Zellulärer-Automat-Modelle für Verkehrsdynamik beschrieben. Als Erweiterung auf diskreten Geometrien wird ein neuer Ansatz für mehrspurigen Straßenverkehr vorgestellt, begleitet von ausführlichen Kalibrierungsdetails. Kapitel 3 behandelt die Thematik der Personendynamik. Hier wird der nicht mehr reduzierbare Raumanspruch der einzelnen Personen als Teilnehmer in einem interaktiven System besonders beachtet, während jene in makroskopischen Ansätzen üblicherweise als Partikeln gesehen werden (also nur über vernachlässigbare Volumina verfügen, was der Realität widerspricht). Mit Hilfe eines neuen Balancierungsmechanismus und einer lokalen Navigation, die nach einem kontinuierlichen Dichteschätzer aufgebaut ist, wird es ermöglicht, realitätsnahe Simulationsergebnisse zu produzieren.Mikroskopische Modellierung von Personendynamik ist zum Teil auch auf Modelle der zellulären Automaten zurückzuführen. In diesem Kapitel werden sowohl reguläre Geometrien, darstellbar durch die üblichen Rechteckgitter, als auch irreguläre Geometrien behandelt. Die Letzteren können auf den sogenannten Pfad-orientierten Koordinatensystemen approximiert werden. Dabei wird eine Lösung für die Simulation auf nicht regulären Geometrien angeboten, welche sich wiederum in ein größeres System mit einer regulären Struktur einbetten lässt. In Kapitel 4 stellen wir zwei Verfahren zur automatischen Generierung von Trajektorien vor: Das erste ist eine photogrammetrische Methode für die Gewinnung von räumlichen Informationen aus konventionellen Videodaten mit Hilfe von vordefinierten Referenzpunkten. Diese Methode ist als Lösung eines Optimierungsproblems mit den von den Referenzen angegebenen Hilfsvariablen zu verstehen. Die in Abschnitt 3.1.6 verwendeten empirischen Daten wurden in der Tat mittels dieser Methode gewonnen. Das zweite Verfahren kann für die dreidimensionalen, sogenannten Time-Of-Flight (TOF)-Daten verwendet werden. Unsere auf TOF basierende Methode kann auch für die automatische Fahrgastzählung eingesetzt werden; das Ergebnis ist der Leistung eines zu Vergleichszwecken herangezogenen marktüblichen industriellen Messgeräts leicht überlegen. Mit der automatischen Verarbeitung der Video- bzw. TOF-Daten wird selbstverständlich erheblicher menschlicher Arbeitseinsatz eingespart. Die dabei resultierenden Trajektorien sind für die übliche Kalibrierungsarbeit der unterschiedlichen Modellierungsmethoden sehr nützlich oder gar unerlässlich. Im Nachtrag werden alle hier entwickelten Rechenprogramme vorgestellt und ihre Nutzung wird kurz erläutert