A unified tooling framework for pedestrian simulation

Abstract

Die mathematische Modellierung des Bewegungsverhaltens von Fußgängern findet vielfältige Anwendung, unter anderem in den Bereichen Architektur, Panikanalyse, Verkehrskontrolle, Stadtplanung, Einzelhandel und Unterhaltung. Fußgängermodellierung entwickelte sich zu einem breiten Forschungsfeld mit einer Vielzahl unterschiedlicher Ansätze und Grundkonzepte. Softwaretools zur Analyse und Simulation von Fußgängern in einer gegebenen örtlichen Umgebung sind kommerziell und prototypisch verfügbar. Im Zusammenhang mit IT-Sicherheit kann Fußgängersimulation die Planung von Infrastruktur und Umfeld hinsichtlich physischer Sicherheit und Kriminalitätsvorbeugung unterstützen.<br />Bestehende Softwareprodukte bieten ganzheitliche und hochintegrierte Lösungen, die den Entwurf von Simulationsszenarien, die Durchführung von Simulationen und Berechnungen, sowie die Visualisierung und Analyse der Ergebnisse umfassen. Während diese Anwendungsstruktur den Vorteil von konsistenter Benutzbarkeit einzelner Programme bringt, verhindert sie die Wiederverwendung von Szenariodaten mit anderen Simulationsmodellen aufgrund von proprietären Schnittstellen und eng gekoppelten Implementierungsteilen. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen alternativen Ansatz, bei dem die Erzeugung von Eingabedaten entkoppelt erfolgt, um ein flexibleres Framework für eine vereinheitlichte Definition von Fußgängerszenarien zu entwickeln.<br />Das Framework besteht aus zwei Teilen, erstens der Spezifikation einer generischen Schnittstelle zur Beschreibung der von einem Simulationsmodell geforderten Parametrisierung sowie zur Definition von Szenario-Instanzen die dieser Parametrisierung entsprechen, und zweitens einem Softwarewerkzeug zur Erstellung von Simulationsszenarien gemäß dieser Schnittstelle. Die Schnittstellenspezifikation basiert auf einem verallgemeinerten Modell von Szenario-Eingabedaten, das aus einer Analyse bestehender Modelle abgeleitet wird. Nach der Entwicklung einer Kategorisierung von Modellierungsansätzen in der Literatur werden ausgewählte Modelle vorgestellt und mit Schwerpunkt auf die Struktur der Ein- und Ausgabedaten verglichen. Die Umsetzung der Schnittstelle in XML wird mit Hilfe von UML-Diagrammen erklärt. Als zweiter Teil des Frameworks wird der Scenario Builder vorgestellt, eine Java-Implementierung von Benutzerbarkeits-Konzepten für den praktischen Einsatz der entwickelten Schnittstelle.<br />

Mathematical models of walking behaviour of pedestrians find application in numerous areas including architecture, panic analysis, traffic control, urban design, retail industry or entertainment.<br />Pedestrian modelling evolved into a broad field of research with approaches following various different base concepts. Commercial and prototypical software tools exist to enable analysis and simulation of pedestrians in a given environment. In the context of IT security, pedestrian simulation can support the evaluation of environmental design with respect to physical security and crime prevention.<br />Existing software solutions provide highly integrated components used to design simulation scenarios, run simulations or calculations and visualize or analyse the results. Though this application structure supports a consistent user experience, it prohibits the reuse of scenario definitions with different simulation models due to proprietary interfaces or tightly coupled implementations. This thesis follows an alternative approach of decoupled scenario creation, attempting to develop a more flexible tooling framework for unified definition of pedestrian scenarios.<br />The framework consists of two parts, first the specification of a generic interface used to describe the parameterization of scenarios expected by a simulation model and to specify scenario instances following that parameterization, and second a software tool supporting the creation of simulation scenarios conforming to that interface. The interface specification is developed based on a generic model of scenario input data, which is derived from an analysis of existing models. A categorization of modelling approaches is given, followed by reviews of selected proposals in literature providing a broad coverage of the problem field. The technical realization of the interface in XML is discussed using UML class diagrams. A Java implementation, the Scenario Builder, is presented as the second framework part, a software tool realizing user interface concepts that enable practical adoption of the proposed interface.