[论文解读] When legs and bodies synchronize: Two-level collective dynamics in dense crowds

Thomas Chatagnon, Mohcine Chraibi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2026

Evacuation and Crowd Dynamics被引用 0

一句话总结

该论文提出一个最小的两级行人模型，将上半身与双腿耦合以捕捉超密集人群中的平衡驱动动力学，产生密度波和手性振荡作为涌现的群体行为。

ABSTRACT

Ultra-dense crowds, in which physical contact between people cannot be avoided, pose major safety concerns. Nevertheless, the underlying dynamics driving their collective behaviours remain poorly understood. Existing dense crowd models, mostly two-dimensional and contact-based, overlook biomechanical mechanisms that govern individual balance motion. In this study, we introduce a minimal two-level pedestrian model that couples upper body and legs dynamics, allowing us to capture transitions between balanced and unbalanced states at the individual scale. Whereas previous models fail to achieve it, this coupling gives rise to emergent collective behaviours observed empirically, such as self-organized waves and large-scale rotational motion within the crowd. The model bridges basic individual biomechanical concepts and macroscopic flow dynamics, offering a new framework for modelling and understanding collective motions in ultra-dense crowds.

研究动机与目标

• 理解超密集人群中由生物力学平衡机制驱动的群体动力学的动机
• 提出一个耦合上半身与腿部的两层模型，以捕捉与平衡相关的不稳定性
• 展示由局部相互作用产生的涌现现象，如密度波和手性振荡

提出的方法

• 为每个行人定义一个包含上半身和腿部的两层模型
• 使用线性松弛的平衡/失衡动力学，具有速率lambda_b和lambda_u以及速度v_b和v_u
• 在上半身之间和腿部之间使用短程斥力势V和V_ell
• 包含上半身的阻尼，阻尼率为lambda
• 描述腿部的平衡恢复速度为v_b，及上半身的失衡速度为v_u
• 通过总动能E、局部速度相关性C等序参数来分析系统

实验结果

研究问题

• RQ1 个体层面的平衡-失衡耦合是否在不进行微调的情况下产生宏观的密集人群模式？
• RQ2 在现实参数下，提出的两层耦合是否会产生密度波和手性振荡等涌现现象？
• RQ3 相互作用势与平衡参数如何影响超密集人群中的相变？

主要发现

• 模型产生多种集体状态：晶化、密度波、手性振荡和无序相
• 密度波以对角线传播的模式出现，具有较高的速度相关性和中等动能
• 手性振荡表现为全局一致的圆周运动，相关性高、能量低
• 相图显示由失衡率lambda_u和平衡/失衡速度v控制的跃迁，密度波与手性振荡出现在不同区域
• 主导机制是平衡/失衡动力学，而非短程斥力相互作用的具体形式