== WP-I3: Weiterentwicklung des Multiagentenmodells: intelligente Wegfindung und Verhalten von Fußgängern, Evakuierungssimulationen, und agentenbasierte Fahrzeugemissionen (Schnittstelle zu MATSim) || === Projektziele: || Während der ersten Phase von MOSAIK wurde ein Multiagentensystem (MAS) für Fussgänger in städtischen Umgebungen entwickelt. Dieses soll im Arbeitspaket WP-I3.1 mit einem Verkehrsagentensystem (VAS) verbunden werden um Fahrzeuge, bzw. deren Emissionen explizit zu simulieren. In einem ersten Schritt wird das VAS wird an das externe Agentensystem MATSim (WP-I2) gekoppelt und erhält von diesem Informationen über Bewegungsmuster und Emissionsraten (Punktquellen). In einem zweiten Schritt wird das VAS direkt an das Straßennetzwerk in PALM-4U gekoppelt und wird eine autonome (d.h. von MATSim unabhängige) Wegfindung unter Berücksichtigung des Straßennetzes erlauben um idealisierte Simulationen von Verkehrsemissionen durchführen zu können (z.B. für verschiedene Flottenzusammensetzungen in einer Straßenschlucht mit Standardemissionesraten). Mittelfristig ist geplant, das so entwickelte VAS an ein Fahrzeugmodell zu koppeln, so dass die verkehrsinduzierte Turbulenz vom Modell aufgelöst werden kann. Die Entwicklung des Fahrzeugmodells ist Bestandteil von einem laufenden DFG Vorhaben (MA 6383/3-1), so dass hier Synergieeffekte in den nächsten 2-3 Jahren zu erwarten sind. Die Aufgabe von WP-I3.2 ist die Kopplung des MAS an das Straßennetz, das bereits in PALM-4U für die Demostädte (Berlin, Hamburg, Stuttgart) basierend auf OpenStreetMaps Daten abgebildet wird und aktuell für Default-Verkehrsemissionen Verwendung findet. Das Konzept der „social forces“, welches im MAS verwendet wird, soll dazu für Straßen weiterentwickelt werden. Straßen – in Abhängigkeit von ihrer Klassifizierung – wirken dabei als abstoßene Kraft auf die Agenten. Dadurch werden diese dazu im Normalfall dazu gezwungen sich auf den Bürgersteigen zu bewegen. Informationen aus OpenStreetMaps zu Fußgängerüberwegen und Ampeln werden verwendet um durchlässige Bereiche zu definieren, an denen Agenten Straßen überqueren können. Das MAS soll in WP-I3.3 hinsichtlich demographischer Daten erweitert werden. Dies betrifft im Wesentlichen die Gehgeschwindigkeit. Demographische Eingangsdaten und Bewegungsmuster (in Form von Start-Ziel-Matrizen) für die gesamte Bevölkerung von Berlin und Stuttgart werden von MATSim (WP-I2) bereitgestellt und als Eingangsdaten für das MAS dienen. Es werden Testsimulationen für ein Hitzewellenszenario durchgeführt und biometeorologische Kenngrößen für einzelne Agenten berechnet und analysiert um den demographischen Effekt auf diese Kenngrößen herauszufiltern. Die finale Version des MAS wird den Modul C Partnern für praktische Anwendungen bereitgestellt. Die individuelle Belastung von Agenten bezüglich Luftschadstoffen wird in Zusammenarbeit mit WP-I1 zum MAS hinzugefügt. Anschließend wird das MAS für verschiedene Testfälle in sogenannten Notfallszenarien angewendet. Das MAS wird dabei in einem umgekehrten Modus benutzt, d.h., die Agenten flüchten auf dem schnellsten Weg von einer definierten Gefahrenquelle (Feuer, Explosion, toxische Schadstoffquelle). PALM-4U wird dazu die Luftströmung und damit die Ausbreitung von toxischen Substanzen bereitstellen, welche die Agenten auf ihrem Fluchtweg von der Gefahrenquelle beeinträchtigen können. Gleichzeitig werden die Agenten durch soziale Kräfte beeinflusst (z.B. niedrigere Gehgeschwindigkeit bei hoher Agentendichte); und sie werden dabei ggfs. den Schadstoffen ausgesetzt. Solche Simulationen haben einen sehr praxisrelevanten Charakter, da existierende Fluchtwegkonzepte in Städten evaluiert bzw. verbessert werden können, etwa bei Sportveranstaltungen oder großen Konzertevents. Die Anwendbarkeit wird zusätzlich mit externen Partnern aus Modul B beurteilt werden (Prof. Ament, Prof. Leitl, Universität Hamburg). || === Aufgabenstellung || WP-I3.1: Entwicklung eines Verkehrsagentensystems und Kopplung and MATSim WP-I3.2: Kopplung des Multiagentenmodells mit dem Straßennetz WP-I3.3: Berücksichtigung demographischer Daten und Bewegungsmuster WP-I3.4: Kopplung an Luftchemie und Evakuierungssimulationen || === Projektstruktur: || Dieses Arbeitspaket wird von der LUH in Zusammenarbeit mit der TU Berlin (Prof. Kai Nagel) durchgeführt || === Zu liefernde Ergebnisse: || DL1 (Monat 12): Verkehrsagentenmodell ist implementiert und an MATSim gekoppelt DL2 (Monat 21): Multiagentenmodell ist an Straßennetz gekoppelt DL3 (Monat 27): Multiagentenmodell ist bereit zur Verwendung von Modul C für die Demostädte DL4 (Monat 29): Schadstoffbelastung von Agenten ist implementiert DL5 (Monat 36): Evakuierungssimulationen wurden durchgeführt || === Bisheriger Fortschritt: || Das Multi-Agenten-System (MAS) für Fußgänger in städtischen Umgebungen, das im Rahmen der ersten Förderphase von MOSAIK entwickelt wurde, wird verwendet, um realistische Bewegungspfade von Fußgängern zu erzeugen. [[BR]] Es wurde eine Verbesserung zur Darstellung der Fußgänger entwickelt: Die neue demografische Zusammensetzung der Bevölkerung ermöglicht einen realistischeren Ansatz der Bewegungsdynamik, basierend auf Alter, Geschlecht, Größe, Gewicht, Aktivitäten usw. (z. B. bewegen sich ältere Menschen und Kinder langsamer, Größe und Gewicht der Kinder sind geringer).[[BR]] Eine weitere Verbesserung berücksichtigt die Bewegungen der Fußgänger auf spezifisch definierten Fußwegen, wobei zunächst angenommen wird, dass nur 2 Gitterzellen um alle Gebäude herum für Gehwege verwendet werden sollen (unter Verwendung der Minkovski-Summe zwischen dem polygonalen Gebäude und der Form der Seitenwege). Im Anschluss können, basierend auf der "street_types"-Definition im static_driver, einige dieser Wege mit Fahrzeugen geteilt werden. Schließlich werden Kreuzungen hinzugefügt um unterschiedliche, verfügbare Wege zu verbinden. Das neue Navigationsnetz enthält nur Informationen über die für Agenten verfügbaren Gebiete, wodurch sie versuchen nicht "wie wild umher" zu laufen.[[BR]] Es gibt allerdings noch einige Einschränkungen des MAS: • Agenten können "wild herumlaufen", wenn der statische Treiber keine Informationen über "street_type", "crossroads",etc. enthält. In dem Fall kann das neue Navigationsnetz nicht generiert werden und nur die Gebäude werden als Hindernisse gesehen. • Die zusätzliche Arbeit bei der Bewegung bergauf wird ignoriert. • Es gibt kein Feedback von bzw. keine Interaktion mit der Umgebung (Sonne bzw. Schatten, Luftverschmutzung). • Agenten messen keine chemischen Verbindungen oder Aerosole. Diese Erweiterung wurde allerdings bereits vorbereitet. Der MAS-Quellcode wird als Grundlage für ein neues „Vehicle Agent System“ (VAS)-Modul verwendet, um MATSim-Ausgabedaten (d.h. Emissionen und Bewegungspfade) mit PALM-4U zu koppeln. Dazu wurde ein neues Interface MATSim-PALM-4U erstellt, das die Bewegungspfade und Verkehrsemissionen der Fahrzeuge aus der MATSim-Ausgabe ausliest und in PALM-4U einbindet. Da der Zeitschritt der Fahrzeuge aus den MATSim-Ausgabedateien (1 Sekunde) oft größer sein kann ist als der Modellzeitschritt von PALM-4U, wird das neue VAS-Modul ein Interpolations- und Akkumulationsverfahren der Fahrzeugemissionen für jede Gitterzelle von PALM-4U enthalten.[[BR]] Der Interpolationsalgorithmus bestimmt jede Zelle, die von den fahrenden Fahrzeugen innerhalb des PALM-4U-Gitters passiert wird und berechnet dann den Zeitanteil, den die Fahrzeuge in jeder einzelnen Gitterzelle verbracht haben. Auf Grundlage dieses Zeitanteils werden die Emissionen der Fahrzeuge für jede von ihnen besuchte Gitterzelle bestimmt. Der Algorithmus behandelt auch Sonderfälle, in denen sich die Fahrzeuge genau auf den Gitterlinien (horizontal oder vertikal) und an den Rändern des Gebiets bewegen. Es gibt einige Annahmen bzw. Modifikationen für den Algorithmus, so dass: - die Fahrzeuge, die sich innerhalb des Gebiets genau auf den Gitterlinien bewegen, ihre Emissionen immer auf ihrer linken Seite freisetzen. - die Fahrzeuge, die sich an den Rändern der Gebiete bewegen, setzen unabhängig von ihrer Bewegungsrichtung immer Emissionen innerhalb des Gebietes frei. Auch die Fußgängerbewegungen der MATSim-Ausgabe wurden in dem neuen Interface berücksichtigt: Jede Ausgangs- und Zielposition der Fußgänger sowie Start- und Endzeit der Bewegungen der Agenten werden in PALM-4U aufgenommen. Anschließend führt das Hauptmodell das MAS-Modul mit den neuen Agenten für die vorgegebene Simulationszeit aus. || === Referenzliteratur: || '''Hershberger, J., Snoeyink, J.,''' 1994. An O(nlogn) implementation of the Douglas-Peucker algorithm for line simplification, SCG '94 Proceedings of the tenth annual symposium on Computational geometry, 383-384. '''Helbing, D., Molnar, P.,''' 1995, Social force model for pedestrian dynamics. Physical Review E, 51(5), 4282. '''Karamouzas, I., Skinner, B., Guy, S.J.,''' 2014, Universal Power Law Governing Pedestrian Interactions, Physical Review Letters, 113, 238701. || === Kontaktdaten: || maronga[at]meteo.uni-hannover.de raasch[at]meteo.uni-hannover.de matei[at]meteo.uni-hannover.de