Фiзично-iнформоване нейромережеве моделювання нелокальної динамiки натопу для сценарiїв евакуацiї
Анотація
We investigate a nonlocal continuum model of crowd dynamics using a physics-informed neural network approach. The crowd is described by a system of nonlinear conservation laws in which the flux incorporates advection, diffusion, and nonlocal interaction terms accounting for density-dependent motion and limited perception of surrounding agents. Nonlocal effects are modeled through spatial convolutions with smooth kernels, enabling agents to respond to averaged density gradients rather than purely local information. The governing system of partial differential equations is solved using a physics-informed neural network known as PINN, which approximates the solution over the entire space–time domain while enforcing the physical constraints through automatic differentiation. The nonlocal interaction terms are implemented in a stable discrete convolution form, ensuring numerical robustness during training. The approach is demonstrated on the interaction of two pedestrian groups moving in opposite directions in a one-dimensional corridor. The results exhibit the formation and propagation of density fronts, the gradual merging of flows, and the emergence of stable mixed zones. A characteristic feature of the solution is the partial interpenetration of the groups without rigid collisions, reflecting realistic collective motion. To validate the method, the PINN solution is compared with a reference finite-difference scheme based on a Rusanov flux. Qualitative agreement is observed in front structure and mixing dynamics, while quantitative deviations in key characteristics remain
within a few percent. A systematic parameter study shows that the PINN-based solution remains stable under variations of advection velocity, diffusion coefficient, and nonlocal interaction radius, in contrast to the finite-difference scheme, which exhibits strong stability limitations. These results demonstrate that PINN provides a robust and physically consistent tool for modeling nonlinear nonlocal crowd dynamics.
Завантаження
Посилання
L.F. Henderson, "The Statistics of Crowd Fluids," Nature, 229(5284), 381–383 (1971). https://doi.org/10.1038/229381a0
L.F. Henderson, "On the fluid mechanics of human crowd motion," Transportation Research, 8, 509–515 (1974), https://doi.org/10.1016/0041-1647(74)90027-6
N. Bellomo, and C. Dogbe, "On the Modeling of Traffic and Crowds: A Survey of Models, Speculations, and Perspectives," SIAM Review, 53(3), 409 (2011). https://doi.org/10.1137/090746677
R.L. Hughes, "A continuum theory for the flow of pedestrians," Transportation Research Part B: Methodological, 36(6), 507-535 (2002). https://doi.org/10.1016/s0191-2615(01)00015-7
R.M. Colombo, and M. Lécureux-Mercier, "Nonlocal Crowd Dynamics Models for Several Populations," Acta Mathematica Scientia, 32(1), 177-196 (2012). https://doi.org/10.1016/s0252-9602(12)60011-3
R.J. LeVeque, Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems, (Cambridge University Press, Cambridge, 2002), https://doi.org/10.1017/CBO9780511791253.
J. P. Boyd, Chebyshev and Fourier Spectral Methods, (Dover Publications, Mineola, NY, 2001).
M. Raissi, P. Perdikaris, and G. E. Karniadakis, "Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations," Journal of Computational Physics, 378, 686–707 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.10.045.
A. D. Jagtap, E. Kharazmi and G. E. Karniadakis, "Conservative physics-informed neural networks on discrete domains for conservation laws: Applications to forward and inverse problems," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 365, 113028 (2020). https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113028.
S. Wang, Y. Teng, and P. Perdikaris, "Understanding and mitigating gradient pathologies in physics-informed neural networks," Journal of Computational Physics, 449, 110768 (2021). https://doi.org/10.1137/20m1318043.
R.J. LeVeque, and J. Randall, Numerical Methods for Conservation Laws, (Birkhäuser Verlag, Basel, 1992).
Авторське право (c) 2026 А. Наумовець, П. Кузнецов, В. Черкашин, А. Гах

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).



