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Institut für Wirtschaft und Verkehr Lehrstuhl für Verkehrsmodellierung und -ökonometrie Martin Treiber [email protected] 1 Measuring and Modelling Crowd Flows - Fusing Stationary and Tracking Data Martin Treiber TGF 15, Nootdorp, Holland

Fusing Stationary and Tracking Data faculteit/Afdelingen/Transport...Rennsteig Half Marathon 2012 at finish . 27 Institut für Wirtschaft und Verkehr Lehrstuhl für Verkehrsmodellierung

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Institut für Wirtschaft und Verkehr Lehrstuhl für Verkehrsmodellierung und -ökonometrie

Martin Treiber [email protected]

1

Measuring and Modelling Crowd Flows - Fusing Stationary and Tracking Data

Martin Treiber TGF 15, Nootdorp, Holland

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Rennsteiglauf (a German Marathon)

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Inline-skating event (Dresden)

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Pedestrian streams at the Hajj

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“Stationary Detector Data” (SDD)

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►Each athlete has an RFID chip ►When passing the starting line, the start time will be recorded ►When passing stations (refreshments), split times are taken ►At the finish, the final time is recorded

=> Passage times (and some socioeconomic data and the starting wave) are known at fixed locations xDet_i

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Speed distributions (Vasaloppet 2012)

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►Between stations 1 and 2: Gaussian

►Between stations 2 and 3: the slowest wave 10 is not Gaussian: evidence for congestion!

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“Floating Athlete Data” (FAD)

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November 1, 2015

“Floating Athlete Data” II

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Simulation approach I: dedicated, fully microscopic multilane model

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►Time: about 1 minute ►Time: about 10 minutes

Movsim.org

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Simulation approach II: macroscopic hybrid dispertion-transport-LWR model

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►Fast athletes remain fast, and slow remain slow: dispersion-transport equation instead of diffusion-transport equation ►Speed distribution of each block k is Gaussian:

►If traffic demand (athletes per second) exceeds the local capacity, traffic breaks down and congested traffic is described by a LWR model with a triangular fundamental diagram

►In jams, everybody is equal – there are no longer block differences

Bottleneck 2 (gradient)

Bottleneck 1 (bridge)

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Simulation approach III: effectively 1d microscopic model: IDM with flow-conserving bottlenecks

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Pedestrian stop-and-go traffic in the IDM

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bottleneck

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Determining the flow-conserving bottleneck: characteristics of the track

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►Vertical profile

►Width profile

►Local capacity

Detector station S1 S2

S3 S4

S5 S6

S7

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Model-based jam detection/prediction using the LWR with diagonal fundamental diagram

►3 parameters: select three from V0, c, T, rhomax , and Qmax ►Usage I: Congested component of the macroscopic hybrid crowd-flow model ►Usage II: Real-time jam detection and short-term prediction

=> check on vehicular flow data: proof of robustness => apply to pedestrian/athlete SDD and FAD generated by the IDM: proof of concept for the application to crowd flow

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Real-time determination/short-term prediction of the upstream jam front

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►Flow (and density):

►Congested flow and density:

►Front propagation:

►Jam dissolution:

►Estimation method:

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Schematic dynamics

- LWR with triangular FD

Shockwave formula: c12=(Q1-Q2)/(ρ1-ρ2) plus propagation velocities V0 and c

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Application to vehicular traffic flow: calibrating the parameters

- parameters: Qmax, V0, and c - objective function: 1-norm of positional errors of front

Data: only one-minute flows from stationary detectors

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Validation: Apply calibrated model to another congestion on the other direction

Congestion on the A5-South with LWR prediction as calibrated by the A5-North jam of the previous slides

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Application to an athlete crowd flow, e.g., Marathon, cross-country ski, inline skating

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IDM

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Calibration using six FA trajectories

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V0 = 9 km/h c = - 4.5 km/h Qmax = 2300/h

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Validation to another simulated jam

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V0 = 9 km/h c = - 4.5 km/h Qmax = 2300/h

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Dynamic calibration 1 using the second FA trajectory

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V0 = 9 km/h c = - 4.0 km/h Qmax = 2300/h

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Dynamic calibration 2

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V0 = 9 km/h c = - 4.0 km/h Qmax = 2350/h

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Dynamic calibration 3

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V0 = 9.5 km/h c = - 4.2 km/h Qmax = 2420/h

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Conclusions

Unidirectional crowd flow (running, cross-country skiing, and

inline-skating) including jam formation can be simulated macroscopically by a simple dispersion-transport-LWR model and microscopically by the reparameterized IDM with flow-conserving bottlenecks

The complete LWR model with tridiagonal FD and location-

dependent local capacity can be applied to detect and short-term predict jam fronts of crowd and vehicular flow by using two stationary counting detectors

The detection algorithm can be calibrated in real-time by

Floating-Athlete (FA) trajectories e.g., taken by smartphones. A few athletes/vehicles per hour is sufficient

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Passage time distributions: Dispersion-transport model

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Rennsteig Half Marathon 2012 at finish

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Passage time distributions (Vasaloppet 2012)

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►Between stations 1 and 2: skewness >0

►Between stations 2 and 3: evidence for congestion!

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Traffic demand as predicted by the dispersion-transport model

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►Partial flow and density of block k at distance x and time t after the start of this block:

►Total demand and density (free flow):

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Breakdown to congested traffic

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►Local capacity:

►Breakdown condition:

►The bottleneck location x=xB is the position where the breakdown condition is satisfied for the first time:

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II What Can a Traffic Flow Modeler Do?

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►1. Optimize the spatial configuration of the starting field

„block“ configuration

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Thank you for your attention!

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www.verkehrsdynamik.de

www.movsim.org

www.traffic-simulation.de

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Overview

“Traffic Jams” in Mass Sports Events

What Can a Traffic Flow Modeler Do?

A Macroscopic Model

Simulation of Three Events

Discussion

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II What Can a Traffic Flow Modeler Do?

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►1. Optimize the spatial configuration of the starting field, partII

No blocks (athletes can take positions by self-assessment)

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Institut für Wirtschaft und Verkehr Lehrstuhl für Verkehrsmodellierung und -ökonometrie

Martin Treiber [email protected]

III. Modelling

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►Unidirectional and lane-based: Vehicular traffic, cross-country skiing (classic style)

►Unidirectional and non-lane-based: Vehicular traffic in developing countries (mixed traffic), cross-country skiing (skating style), running, inline skating, pedestrian traffic with a definite target

►Neither unidirectional nor lane-based: Pedestrian traffic in city centers

micro, macro

Geometrical Class Model Class

micro, macro

only micro!

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Institut für Wirtschaft und Verkehr Lehrstuhl für Verkehrsmodellierung und -ökonometrie

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Jizerska Padesatka (Czech Republic)

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Optimize the temporal course of action in the starting phase

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►simultaneous mass start

Wave 2: Delay 5 minutes

Wave 3: Delay 10 minutes

Wave 4: Delay 15 minutes

Wave 5: Delay 20 minutes

►Block/wave start