Spatial layout design must consider not only ease of movement for pedestrians under normal conditions, but also their safety in panic situations, such as an emergency evacuation in a theatre, stadium or hospital. Using pedestrian simulation statistics, the movement of crowds can be used to study the consequences of different spatial layouts. Previous works either create an optimal spatial arrangement or an optimal pedestrian circulation. They do not automatically optimise both problems simultaneously. Thus, the idea behind the research in this thesis is to achieve a vital architectural design goal by automatically producing an optimal spatial layout that will enable smooth pedestrian flow. The automated process developed here allows the rapid identification of layouts for large, complex, spatial layout problems. This is achieved by using Cellular Automata (CA) to model pedestrian simulation so that pedestrian flow can be explored at a microscopic level and designing a fitness function for heuristic search that maximises these pedestrian flow statistics in the CA simulation. An analysis of pedestrian flow statistics generated from feasible novel design solutions generated using the heuristic search techniques (hill climbing, simulated annealing and genetic algorithm style operators) is conducted. The statistics that are obtained from the pedestrian simulation is used to measure and analyse pedestrian flow behaviour. The analysis from the statistical results also provides the indication of the quality of the spatial layout design generated. The technique has shown promising results in finding acceptable solutions to this problem when incorporated with the pedestrian simulator when demonstrated on simulated and real-world layouts with real pedestrian data.

Traffic safety has traditionally been measured by analyzing historical accident data, which is a reactive method where a certain number of accidents must occur in order to identify the safety problem. An alternative safety assessment method is to use proximal safety indicators that are defined as measures of accident proximity, which is considered a proactive method. With this method it is possible to detect the safety problem before the accidents have happened. To be able to detect problems in traffic situations in general, microscopic simulation is commonly used. In these models it may be possible to generate representative near-accidents, measured by proximal safety indicator techniques. A benefit of this would be the possibility to experiment with different road designs and evaluate the traffic safety level before reconstructions of the road infrastructure. Therefore has an investigation been performed to test the possibility to identify near-accidents (conflicts) in a microscopic simulation model mimicking the Traffic Conflict Technique developed by Hydén (1987). In order to perform the investigation a case study has been used where an intersection in the city center of Stockholm was studied. The intersection has been rebuilt, which made it possible to perform a before and after study. For the previous design there was a traffic safety assessment available which was carried out using the Traffic Conflict Technique. Microscopic simulation models representing the different designs of the intersection were built in PTV Vissim. In order to evaluate and measure the traffic safety in reality as well as in the microscopic simulation models, a traffic safety assessment was performed in each case. The traffic safety assessment in field for the present design was carried out as a part of this thesis. The main focus of this thesis was the road safety for vulnerable road users. The method to identify conflicts in the simulation model has been to extract raw data output from the simulation model and thereafter process this data in a Matlab program, aiming to mimic the Traffic Conflict Technique. The same program and procedure was used for both the previous and the present design of the intersection. The results from the traffic safety assessment in the simulation model have been compared to the results from the field study in order to evaluate how well microscopic simulation works as an evaluation tool for traffic safety in new designs. The comparison shows that the two methods of conflict identification cannot replace each other straight off. But with awareness of the differences between the methods, the simulation model could be used as an indication when evaluating the level of traffic safety in a road design.

Esta dissertação apresenta uma análise sobre a modelagem de travessias de pedestres. Os simuladores de tráfego recentemente incorporaram modelos de pedestres, porém, as habilidades e limitações para a representação dos comportamentos em travessias não foram analisadas e apresentadas na literatura. Esta dissertação é composta por três artigos, nos quais são apresentados: (i) caracterizações dos comportamentos de pedestres e motoristas em travessias, (ii) análises dos modelos que representam o comportamento em travessias, (iii) a metodologia desenvolvida para coleta de dados de travessias, (iv) a calibração dos modelos de movimentação de pedestres, aceitação de brechas e da decisão dos pedestres sobre desrespeitar semáforos em travessias semaforizadas de pedestres e (v) uma análise da habilidade e limitações dos modelos para representar os atrasos de pedestres em travessias semaforizadas. Observou-se que a representação dos comportamentos em travessias depende de diversos modelos, que representam a escolha de rotas dos pedestres, movimentação, aceitação de brechas, decisão dos motoristas sobre dar preferência em travessias e decisão dos pedestres sobre obedecer aos semáforos. Os modelos de aceitação de brechas de pedestres utilizados, por exemplo, são baseados nos modelos desenvolvidos para representar interseções não semaforizadas de veículos e simplificam consideravelmente os comportamentos de pedestres e motoristas. As dificuldades para coletar dados de pedestres em travessias é um dos fatores que limitam o desenvolvimento de novos modelos. Nesta dissertação foi desenvolvida uma metodologia semiautomática, na qual os pedestres e veículos são rastreados com softwares livres, que facilita a obtenção de dados. As coletas de dados desenvolvidas permitiram a calibração dos modelos do VISSIM para representar uma travessia semaforizada com múltiplas faixas de tráfego, onde a maioria dos pedestres não obedece ao semáforo. Apesar de que parâmetros como as velocidades desejadas e brechas mínimas aceitas pelos pedestres predefinidas nos modelos foram inadequadas para a simulação da travessia, a calibração da movimentação, aceitação de brechas e decisão sobre desrespeitar os semáforos permitiu que o atraso médio de pedestres fosse representado adequadamente. As principais limitações dos modelos estão associadas à representação do comportamento oportunista, como no caso dos pedestres que desrespeitam os semáforos, analisados nesta dissertação. / This dissertation presents an analisys about pedestrians’ crossings modeling. Traffic simulators recently incorporated pedestrians’ models, however, the hability and limitations to represent conflicts in pedestrians’ crossings have not been analysed and presented on the literature. This dissertation is composed by three articles that present: (i) characterizations of pedestrians as motorist behaviors on crossings, (ii) analisys of models that represent the behavior on crossings, (iii) a methodology developed for collecting data from crossings, (iv) a calibration of pedestrian movement, gap acceptance and the decision about disrespecting siganilzation on signalized pedestrian crossings and (v) an analysis of the hability and limitations of the models in representing pedestrian’s delays. It is observed that the representations of the behaviors on pedestrian crossings depend on several models that represent the route choice, movement, gap acceptance, motorist yielding and the decision os pedestrians about obeying the signalization. The models used on simulation correspond, generally, for deterministic models that simplify pedestrians and motorists’ behavior. Pedestrians’ gap acceptance models, for example, were based on models developed to represent vehicle’s unsignilized intersections. Difficulties in pedestrians’ data collection are one factor that limits the development of new models. On this dissertation, a semi-automatic methodology was developed, on which pedestrians and vehicles are tracked with free software that facilitates data obtainment. The collected data allowed the calibration of VISSIM models to represent a signalized pedestrian crossing with multiple traffic lanes where most pedestrians do not obey the siganization. Altough default parameters as desired speed and minimum rear gap accepted by pedestrians were inadequate for the crossing simulation, the calibration of movement, gap acceptance and the decision about disrespecting the signalization allowed the representation of adequate average delays. The main limitations of the models are associated to the representation of opportunistic behavior, as pedestrians disrespecting sigalizations, analyzed on this dissertation.

O modelo apresentado neste trabalho, denominado SimPed, foi concebido para fornecer uma boa representação da interação entre pedestres e uma abordagem realista para a interação entre pedestres e veículos em ambiente urbano. O modelo apresenta uma estrutura híbrida, combinando conceitos baseados em campo de força e as abordagens baseadas regra. Pedestres e veículos são representados por agentes e os atributos das infraestruturas são definidos através de camadas estruturais. Este trabalho, apresenta também, o desenvolvimento de dois modelos preliminares ao SimPed. O primeiro modelo apresenta conceitos básicos de movimento de pedestres. O segundo refere-se aos problemas de geração de rotas dos pedestres. O modelo SimPed é um novo modelo de movimentação de pedestres, que considera a interação entre veículos e pedestres. A fim de verificar a aplicabilidade prática do SimPed, este trabalho apresenta três testes de simulação. O primeiro teste preocupa-se com a capacidade do modelo para representar a interação entre os pedestres. O segundo analisa uma travessia de pedestres, e foi concebido para investigar a influência do campo de força dos pedestres no desempenho do tráfego de veículos. O terceiro teste se preocupa com a representação da aceitação de gaps pelos pedestres. Neste teste os valores dos gaps obtidos na simulação são comparados com valores de gaps obtidos a partir de uma coleta de dados de vídeo em um local de travessia de pedestres. Os testes indicam que o modelo SimPed fornece bons fundamentos para uma representação de qualidade do processo de travessia dos pedestres. / The model presented in this work, named as SimPed, has been devised to provide a sound representation of interaction among pedestrians and a more realistic approach for interaction between pedestrians and vehicles. The model presents a hybrid structure, combining force field and rule based approaches. Pedestrians and vehicles assume an agent based representation and the attributes of the infrastructure are defined by several structural layers. This work presents the development of 2 preliminary models and the SimPed model. The first model concerns about basic concepts of pedestrians’ movement. The second one concerns about the pedestrians’ path generation problem. The SimPed model is a new pedestrian’s movement model with vehicle and pedestrians interaction capabilities. In order to verify the practical applicability of the SimPed, this work presents three simulation tests. The first test concerns the capacity of the model to represent interaction among pedestrians. The second analyses a pedestrian crossing environment, and was devised to investigate the influence of the force-based parameter on traffic performance. The third simulation test is concerned with pedestrians´ gap acceptance representation. In this test gap acceptance values obtained from simulation are compared with gap values obtained from a video data collection of pedestrians at a crossing facility. The tests indicate that the model structure and its calibration resources provide good grounds for sound representations of realistic conditions.

A simulação de pedestres representados como humanos virtuais em um mundo sintético é de grande interesse em áreas como cinema, arquitetura e jogos. Esta atividade pode ser definida como navegação em ambientes virtuais e envolve principalmente a especificação do ambiente, a definição da posição inicial do agente, assim como sua posição final (ou objetivo). Tendo estes parâmetros definidos, um algoritmo de planejamento de movimento, ou de caminhos, em particular, pode ser usado para encontrar uma trajetória a ser seguida por ele. Entretanto, em um mundo real, se considerar-se várias pessoas, todas na mesma posição inicial e procurando atingir o mesmo objetivo, cada uma seguirá por um caminho diferente. Ou seja, para uma mesma tarefa, a estratégia utilizada por cada pessoa para alcançar seu objetivo vai depender de sua constituição física, personalidade, humor e raciocínio. Levando em consideração estas questões, este trabalho apresenta um estudo sobre planejamento de movimento para pedestres. Como resultado prático foi desenvolvido um planejador que fornece trajetórias suaves e variadas. As trajetórias são dependentes de características individuais de cada agente, que podem ser alteradas dinâmicamente. O método adotado é baseado na utilização de campos potenciais gerados pela solução numérica de problemas de valores de contorno envolvendo a equação de Laplace (funções harmônicas) e o problema de Sturm-Liouville. Campos potenciais gerados desta forma produzem caminhos suaves e são livres de mínimos locais. O comportamento de cada agente é determinado pela alteração de seu campo potencial individual, gerado a cada passo da simulação. Dessa forma, é possível alterar dinamicamente o padrão da trajetória e ao mesmo tempo evitar colisões com obstáculos móveis (demais agentes na simulação). Por outro lado, os comportamentos gerados podem tanto ser usados de forma isolada, como combinados em movimentos complexos. Assim, é possível utilizar funções que definem trajetórias ou quantificar um desvio à esquerda ou à direita quando o agente avista um obstáculo a sua frente. A implementação do método, incluindo técnicas para controlar a velocidade e orientação do agente, e situações de simulação como comportamentos em corredores e regiões abertas, são apresentadas e discutidas. / The simulation of pedestrians represented as virtual humans in a synthetic world is of great interest in areas as cinema, architecture and games. This activity can be defined as navigation in virtual environments and involves mainly the specification of the environment, the definition of the agent’s initial position as well as its target position in the world (also called goal). By setting these parameters, a motion planning algorithm, or a path-planning algorithm in particular can be used to find a trajectory to be followed by it. However, in a real world, if we consider several persons (all in the same initial position) trying to reach the same target position, each individual path followed will be different. That is, for the same task, the strategy used by each person to reach their goal will depend on their physical constitution (body type), personality, mood and reasoning. Taking these questions into consideration, this work presents a study about motion planning for pedestrians. As a practical result, a planner which supplies smooth and varied trajectories was developed. The trajectories are also depending on the individual characteristics of each agent, which can be dynamically changed. The method adopted is based on the use of potential fields generated by numerical solutions of boundary value problems involving the equation of Laplace (harmonic functions) and the problem of Sturm- Liouville. Potential fields generated in this manner produce smooth and local minima free trajectories. The behavior of each agent is determined by the alteration of its individual potential field which is generated to each step of the simulation. Thus, it is possible to dynamically modify the standard of the trajectory and at the same time to prevent collisions with mobile obstacles (other agents in the simulation). On the other hand, the produced behaviors can be used isolatedly or combined in complex moves. Therefore, it is possible to use a function that defines a trajectory. It is also possible to quantify a detour to the left or to the right when the agent sights an obstacle ahead. The implementation of the method, including speed control techniques and agent’s orientation, and situations like simulation of behaviors in corridors or open regions, will be presented and argued.

Nós refinamos o planejador introduzindo uma nova forma para o núcleo da equação que permite facilmente lidar com terrenos não-homogêneos. Isto é obtido através de mudanças locais na concavidade/convexidade do potencial, criando regiões com altas ou baixas preferências de navegação. Nós integramos esta nova equação ao planejador hierárquico, surgindo uma ampla variedade de aplicações. Nossa proposta contribui para diversas áreas incluindo a navegação de agentes, pathfinding em jogos, simulação de multidões, e a navegação de robôs. Nossas publicações reforçam a relevância e robustez do método proposto. / In this work, we propose a new solution to agent navigation based upon boundary value problems (BVP), called Configurable Flows, to control steering behaviors of characters in dynamic environments. We use a potential field formalism that allows synthetic actors to move negotiating space, avoiding collisions, and attaining goals while producing very individual paths. The individuality of each character can be set by changing its inner field parameters leading to a broad range of possible behaviors without jeopardizing its performance. BVP Path Planners generate potential fields through a differential equation whose gradient descent represents navigation routes from any point of the environment to a goal position. Resulting paths are smooth and free from local minima. In spite of these advantages, these kind of planners consumes a lot of time to produce a solution. Our approach combines a BVP Path Planner with the Full Multigrid Method, which solves elliptic partial differential equations using a hierarchical strategy. The proposed planner enables real-time performance in large environments. Results show that our proposal spends less than 1% of the time needed to compute a solution using the original BVP planners in several environments. We refine our Path Planner by introducing a new form of the core equation that permits to easily cope with terrain inhomogeneities. This is accomplished by locally changing the concavity/ convexity of the potential, and then creating regions with higher or lower navigation preferences. As the potential field requires several steps to converge, this approach can be expensive computationally. To overcome this problem, we integrate this novel core equation to the hierarchical planner, emerging a wide variety of applications. We believe our proposal can contribute to several areas of research including agent navigation, pathfinding for games, crowd simulation and robotics. Our publications reinforce the relevance of the proposed method.

A simulação de pedestres representados como humanos virtuais em um mundo sintético é de grande interesse em áreas como cinema, arquitetura e jogos. Esta atividade pode ser definida como navegação em ambientes virtuais e envolve principalmente a especificação do ambiente, a definição da posição inicial do agente, assim como sua posição final (ou objetivo). Tendo estes parâmetros definidos, um algoritmo de planejamento de movimento, ou de caminhos, em particular, pode ser usado para encontrar uma trajetória a ser seguida por ele. Entretanto, em um mundo real, se considerar-se várias pessoas, todas na mesma posição inicial e procurando atingir o mesmo objetivo, cada uma seguirá por um caminho diferente. Ou seja, para uma mesma tarefa, a estratégia utilizada por cada pessoa para alcançar seu objetivo vai depender de sua constituição física, personalidade, humor e raciocínio. Levando em consideração estas questões, este trabalho apresenta um estudo sobre planejamento de movimento para pedestres. Como resultado prático foi desenvolvido um planejador que fornece trajetórias suaves e variadas. As trajetórias são dependentes de características individuais de cada agente, que podem ser alteradas dinâmicamente. O método adotado é baseado na utilização de campos potenciais gerados pela solução numérica de problemas de valores de contorno envolvendo a equação de Laplace (funções harmônicas) e o problema de Sturm-Liouville. Campos potenciais gerados desta forma produzem caminhos suaves e são livres de mínimos locais. O comportamento de cada agente é determinado pela alteração de seu campo potencial individual, gerado a cada passo da simulação. Dessa forma, é possível alterar dinamicamente o padrão da trajetória e ao mesmo tempo evitar colisões com obstáculos móveis (demais agentes na simulação). Por outro lado, os comportamentos gerados podem tanto ser usados de forma isolada, como combinados em movimentos complexos. Assim, é possível utilizar funções que definem trajetórias ou quantificar um desvio à esquerda ou à direita quando o agente avista um obstáculo a sua frente. A implementação do método, incluindo técnicas para controlar a velocidade e orientação do agente, e situações de simulação como comportamentos em corredores e regiões abertas, são apresentadas e discutidas. / The simulation of pedestrians represented as virtual humans in a synthetic world is of great interest in areas as cinema, architecture and games. This activity can be defined as navigation in virtual environments and involves mainly the specification of the environment, the definition of the agent’s initial position as well as its target position in the world (also called goal). By setting these parameters, a motion planning algorithm, or a path-planning algorithm in particular can be used to find a trajectory to be followed by it. However, in a real world, if we consider several persons (all in the same initial position) trying to reach the same target position, each individual path followed will be different. That is, for the same task, the strategy used by each person to reach their goal will depend on their physical constitution (body type), personality, mood and reasoning. Taking these questions into consideration, this work presents a study about motion planning for pedestrians. As a practical result, a planner which supplies smooth and varied trajectories was developed. The trajectories are also depending on the individual characteristics of each agent, which can be dynamically changed. The method adopted is based on the use of potential fields generated by numerical solutions of boundary value problems involving the equation of Laplace (harmonic functions) and the problem of Sturm- Liouville. Potential fields generated in this manner produce smooth and local minima free trajectories. The behavior of each agent is determined by the alteration of its individual potential field which is generated to each step of the simulation. Thus, it is possible to dynamically modify the standard of the trajectory and at the same time to prevent collisions with mobile obstacles (other agents in the simulation). On the other hand, the produced behaviors can be used isolatedly or combined in complex moves. Therefore, it is possible to use a function that defines a trajectory. It is also possible to quantify a detour to the left or to the right when the agent sights an obstacle ahead. The implementation of the method, including speed control techniques and agent’s orientation, and situations like simulation of behaviors in corridors or open regions, will be presented and argued.

Esta dissertação apresenta uma análise sobre a modelagem de travessias de pedestres. Os simuladores de tráfego recentemente incorporaram modelos de pedestres, porém, as habilidades e limitações para a representação dos comportamentos em travessias não foram analisadas e apresentadas na literatura. Esta dissertação é composta por três artigos, nos quais são apresentados: (i) caracterizações dos comportamentos de pedestres e motoristas em travessias, (ii) análises dos modelos que representam o comportamento em travessias, (iii) a metodologia desenvolvida para coleta de dados de travessias, (iv) a calibração dos modelos de movimentação de pedestres, aceitação de brechas e da decisão dos pedestres sobre desrespeitar semáforos em travessias semaforizadas de pedestres e (v) uma análise da habilidade e limitações dos modelos para representar os atrasos de pedestres em travessias semaforizadas. Observou-se que a representação dos comportamentos em travessias depende de diversos modelos, que representam a escolha de rotas dos pedestres, movimentação, aceitação de brechas, decisão dos motoristas sobre dar preferência em travessias e decisão dos pedestres sobre obedecer aos semáforos. Os modelos de aceitação de brechas de pedestres utilizados, por exemplo, são baseados nos modelos desenvolvidos para representar interseções não semaforizadas de veículos e simplificam consideravelmente os comportamentos de pedestres e motoristas. As dificuldades para coletar dados de pedestres em travessias é um dos fatores que limitam o desenvolvimento de novos modelos. Nesta dissertação foi desenvolvida uma metodologia semiautomática, na qual os pedestres e veículos são rastreados com softwares livres, que facilita a obtenção de dados. As coletas de dados desenvolvidas permitiram a calibração dos modelos do VISSIM para representar uma travessia semaforizada com múltiplas faixas de tráfego, onde a maioria dos pedestres não obedece ao semáforo. Apesar de que parâmetros como as velocidades desejadas e brechas mínimas aceitas pelos pedestres predefinidas nos modelos foram inadequadas para a simulação da travessia, a calibração da movimentação, aceitação de brechas e decisão sobre desrespeitar os semáforos permitiu que o atraso médio de pedestres fosse representado adequadamente. As principais limitações dos modelos estão associadas à representação do comportamento oportunista, como no caso dos pedestres que desrespeitam os semáforos, analisados nesta dissertação. / This dissertation presents an analisys about pedestrians’ crossings modeling. Traffic simulators recently incorporated pedestrians’ models, however, the hability and limitations to represent conflicts in pedestrians’ crossings have not been analysed and presented on the literature. This dissertation is composed by three articles that present: (i) characterizations of pedestrians as motorist behaviors on crossings, (ii) analisys of models that represent the behavior on crossings, (iii) a methodology developed for collecting data from crossings, (iv) a calibration of pedestrian movement, gap acceptance and the decision about disrespecting siganilzation on signalized pedestrian crossings and (v) an analysis of the hability and limitations of the models in representing pedestrian’s delays. It is observed that the representations of the behaviors on pedestrian crossings depend on several models that represent the route choice, movement, gap acceptance, motorist yielding and the decision os pedestrians about obeying the signalization. The models used on simulation correspond, generally, for deterministic models that simplify pedestrians and motorists’ behavior. Pedestrians’ gap acceptance models, for example, were based on models developed to represent vehicle’s unsignilized intersections. Difficulties in pedestrians’ data collection are one factor that limits the development of new models. On this dissertation, a semi-automatic methodology was developed, on which pedestrians and vehicles are tracked with free software that facilitates data obtainment. The collected data allowed the calibration of VISSIM models to represent a signalized pedestrian crossing with multiple traffic lanes where most pedestrians do not obey the siganization. Altough default parameters as desired speed and minimum rear gap accepted by pedestrians were inadequate for the crossing simulation, the calibration of movement, gap acceptance and the decision about disrespecting the signalization allowed the representation of adequate average delays. The main limitations of the models are associated to the representation of opportunistic behavior, as pedestrians disrespecting sigalizations, analyzed on this dissertation.

Esta dissertação busca identificar aspectos carentes de melhorias na modelagem de pedestres. A modelagem do comportamento de pedestres se inicia pelo entendimento de seu processo decisório, entendendo como ele se desloca, realiza escolha de rotas, interage com outros pedestres, veículos, obstáculos, etc. Os modelos de simulação de pedestres estão hoje aptos a representar de forma bastante realista o deslocamento dos mesmos, entretanto, a simulação conjunta com veículos apresenta ainda alguns aspectos fracos devido as grandes diferenças de abordagem na modelagem dos dois modos. A representação da travessia de pedestres nos modelos de simulação tradicionais apresenta limitações que podem impactar nos resultados gerados pelos simuladores. Este trabalho enumera diversos comportamentos de pedestres decorrentes da interação com veículos, no momento da travessia, que geralmente não estão presentes nos simuladores. Uma vez identificados estes comportamentos, uma pesquisa foi realizada com usuários do sistema viário, com idades entre 22 e 60 anos, para avaliar o quanto estes comportamentos são frequentes e importantes na estimativa de tempos de viagem dos pedestres. O comportamento indicado pelos entrevistados como mais impactante nos tempos de viagem foi o de “busca por brecha em caminhada”, onde o pedestre percorre trechos na lateral da via, enquanto observa possíveis brechas na corrente de tráfego para realizar sua travessia. O referido comportamento foi então modelado e agregado a um modelo de simulação de pedestres. Os resultados mostraram que a inclusão do novo comportamento provoca redução significativa dos tempos médios de viagem dos pedestres e que a simulação pode ser mais condizente com o comportamento real de pedestres em diversos ambientes urbanos. Para representar o comportamento de um pedestre em um ambiente urbano, é preciso também estudar como ele escolhe suas rotas. No processo de escolha de rotas, o pedestre é influenciado por diversos fatores, como hábitos pessoais, o número de cruzamentos, níveis de poluição e de ruído, segurança, abrigo de condições climáticas ruins, e estimulação do ambiente. Para representar o comportamento de escolha de rota dos pedestres, foi desenvolvido um modelo que considera a interação entre pedestres como uma impedância alterando a rota do pedestre. O estudo foi inspirado por equações de forças de atrito, considerando que pedestres tendem a evitar passar próximo de outros pedestres com elevada velocidade relativa. Para escolher uma rota o pedestre realiza uma ponderação entre a impedância e a distância a ser percorrida. O modelo foi capaz de reproduzir comportamentos emergentes da interação entre os agentes, permitindo concluir que as equações de forças de atrito adotadas nesta modelagem podem ser uma abordagem válida na representação da escolha de rotas de pedestres, podendo também ser uma forma indireta de avaliação de atrasos. / This dissertation aims to identify aspects in need of improvement in modeling pedestrians. The modeling of pedestrian behavior begins by understanding their decision making process, understanding how people move, make route choice, interact with other pedestrians, vehicles, obstacles, etc. Simulation models of pedestrians are able to represent the way they move quite realistically, however, the combined simulation of pedestrians and vehicles still presenting some poor aspects due to the wide differences in the modeling approach of the two modes. The pedestrian road crossing representation in the traditional simulation models has limitations that may impact on the results generated by the simulators. This dissertation lists several behaviors arising from the interaction of pedestrians with vehicles at road crossing situations, which are generally not present in the simulators. Having identified these behaviors, a survey was conducted with pedestrians, aged between 22 and 60 years old, to evaluate how these behaviors are frequent and important to estimate travel times. The behavior indicated by the interviewees as more impactful in the travel times was the “search for a gap while walking”, describing the pedestrian that walks laterally to the road, in the sidewalk, at the same time that is trying to cross the road, looking for gaps in the traffic stream. Such behavior was modeled and then aggregated at a simulation model of pedestrians. Results showed that the inclusion of the new behavior causes significant reduction in average travel time for pedestrians and that the simulation can be more consistent with the actual behavior of pedestrians in different urban environments. To represent a pedestrian behavior in an urban environment, it is also necessary to study how he chooses their route. At the route choice process, the pedestrian is influenced by several factors, such as personal habits, the number of road crossings, levels of pollution and noise, safety, shelter from bad weather, and other stimulation of the environment. In order to represent the pedestrians route choice behavior was devised a model that considers the interaction between pedestrians as an impedance to alter pedestrians route. The study is inspired by friction forces equations, considering that pedestrians avoid passing near other pedestrians with high relative velocity. To choose a route a pedestrian consider a balance between the impedance and the path length. The model is able to reproduces emergent behavior between agents, allowing the assumption that friction equations adopted in this modeling may provide a suitable approach to route choice behavior and can also be used as an indirect measure of pedestrians delay.

Nós refinamos o planejador introduzindo uma nova forma para o núcleo da equação que permite facilmente lidar com terrenos não-homogêneos. Isto é obtido através de mudanças locais na concavidade/convexidade do potencial, criando regiões com altas ou baixas preferências de navegação. Nós integramos esta nova equação ao planejador hierárquico, surgindo uma ampla variedade de aplicações. Nossa proposta contribui para diversas áreas incluindo a navegação de agentes, pathfinding em jogos, simulação de multidões, e a navegação de robôs. Nossas publicações reforçam a relevância e robustez do método proposto. / In this work, we propose a new solution to agent navigation based upon boundary value problems (BVP), called Configurable Flows, to control steering behaviors of characters in dynamic environments. We use a potential field formalism that allows synthetic actors to move negotiating space, avoiding collisions, and attaining goals while producing very individual paths. The individuality of each character can be set by changing its inner field parameters leading to a broad range of possible behaviors without jeopardizing its performance. BVP Path Planners generate potential fields through a differential equation whose gradient descent represents navigation routes from any point of the environment to a goal position. Resulting paths are smooth and free from local minima. In spite of these advantages, these kind of planners consumes a lot of time to produce a solution. Our approach combines a BVP Path Planner with the Full Multigrid Method, which solves elliptic partial differential equations using a hierarchical strategy. The proposed planner enables real-time performance in large environments. Results show that our proposal spends less than 1% of the time needed to compute a solution using the original BVP planners in several environments. We refine our Path Planner by introducing a new form of the core equation that permits to easily cope with terrain inhomogeneities. This is accomplished by locally changing the concavity/ convexity of the potential, and then creating regions with higher or lower navigation preferences. As the potential field requires several steps to converge, this approach can be expensive computationally. To overcome this problem, we integrate this novel core equation to the hierarchical planner, emerging a wide variety of applications. We believe our proposal can contribute to several areas of research including agent navigation, pathfinding for games, crowd simulation and robotics. Our publications reinforce the relevance of the proposed method.