Visual Simulation of Pedestrian Movement Using IoT Sensor Data in a Smart City Digital Twin

Abstract

Managing rapidly growing urban populations and their complex dynamics necessitates innovative, data-driven approaches. While Urban Digital Twins (UDTs) offer potential solutions, many existing systems lack the immersive visualization and dynamic simulation capabilities needed for intuitive insights into pedestrian movement. This thesis explores the integration of advanced 3D visualization and agent-based simulation, informed by Internet of Things (IoT) sensor data, to create a more insightful UDT component for smart cities.

A proof-of-concept was developed using the Unity game engine, leveraging photorealistic 3D terrain models of Tampere, Finland, streamed via Cesium ion, and pathway data from OpenStreetMap. This environment hosted an agent-based pedestrian simulation. Real-world pedestrian count data from Tampere's IoT platform, specifically for a post-event pedestrian flow scenario from Nokia Arena, was used to calibrate the simulation's destination choice parameters via a Simulated Annealing algorithm. Visualization techniques included dynamic street congestion overlays and color-coded agents indicating their movement speed within the digital 3D world.

The results demonstrate that the prototype successfully visualized complex pedestrian flows in an immersive and understandable manner, with stakeholder feedback indicating that the 3D approach significantly aided comprehension. The data-driven calibration effectively reduced the error between simulated and real-world pedestrian distributions. The system effectively highlighted potential chokepoints density patterns in the street network. While the prototype functions primarily as a "digital shadow" with capabilities aligning with experiential and scenario-based UDTs, it showcases a viable method for transforming IoT data into dynamic visual insights. Limitations regarding real-time bi-directional data flow and deployment complexity for continuous operational use were acknowledged.

This research confirms the feasibility of integrating diverse geospatial, IoT, and simulation technologies. It highlights the value of immersive, photorealistic 3D visualization and proposes data-calibrated agent-based modeling for enhancing urban planning, event management, and stakeholder communication in smart city contexts.

Nopeasti kasvavien kaupunkiväestöjen ja niiden monimutkaisen dynamiikan hallinta edellyttää innovatiivisia ja dataan perustuvia lähestymistapoja. Vaikka urbaanit digitaaliset kaksoset tarjoavat potentiaalisia ratkaisuja, monista toteutetuista järjestelmistä puuttuu intuitiivisen ymmärryksen mahdollistava immersiivinen edistynyt visualisointi ja dynaamiset simulaatiotoiminnot. Tämä opinnäytetyö tutkii edistyneen 3D-visualisoinnin ja agenttipohjaisen simulaation yhdistämistä älykaupunkijärjestelmien tueksi, eräänlaisena digitaalisen kaksosen komponenttina, hyödyntäen esineiden internetin (IoT) sensoridataa.

Proof-of-concept -tyyppinen ratkaisu toteutettiin Unity-pelimoottorilla, käyttäen Cesium ionin kautta striimattuja fotorealistisia 3D-maastomalleja Tampereelta, sekä OpenStreetMapista peräisin olevia jalankulkuväylien tietoja. Tähän ympäristöön toteutettiin agenttipohjainen jalankulkuliikenteen simulaatio. Simulaation kalibrointiin käytettiin Tampereen IoT-alustalta kerättyä jalankulkijadataa, Nokia Arenalla järjestetyn tapahtuman jälkeisessä purkautumistilanteessa. Kalibrointi toteutettiin Simulated Annealing -algoritmin avulla säätämällä simulaation parametreja. Visualisointitekniikoihin kuului muun muassa katujen dynaaminen ruuhkaindikaattori sekä nopeuden mukaan värikoodatut jalankulkija-agentit.

Työn tulokset osoittavat, että prototyyppi onnistui esittämään monimutkaista jalankulkuliikennettä immersiivisellä ja ymmärrettävällä tavalla. Sidosryhmiltä saadun palautteen perusteella 3D-lähestymistapa paransi merkittävästi liikkumisen ja systeemin hahmottamista. Dataan perustuva kalibrointi pienensi tehokkaasti simuloidun ja todellisen jalankulkijajakauman välistä eroa. Järjestelmä demonstroi kykyä tuoda esiin mahdollisia kaupunkirakenteen pullonkauloja ja väentiheyden ruuhkapisteitä. Vaikka prototyyppi toimii ensisijaisesti "digitaalisena varjona", joka vastaa kokemuksellisia ja skenaariopohjaisia digitaalisen kaksosen sovelluksia, se esittää toimivan lähestymistavan IoT-datan muuntamiseksi dynaamiseksi visuaaliseksi analytiikaksi. Määritelmänmukaisen täyden digitaalisen kaksosen toteuttamisen rajoitteiksi todettiin muun muassa reaaliaikaisen kaksisuuntaisen tiedonsiirron ja jatkuvan operatiivisen käytön tekninen kompleksisuus.

Työ vahvistaa ajatusta siitä, että paikkatieto-, IoT- ja simulaatioteknologioiden yhdistäminen on toteuttamiskelpoinen ratkaisu urbaanien digitaalisten kaksosten kehityksessä. Se korostaa immersiivisen, fotorealistisen 3D-visualisoinnin ja datakalibroidun agenttipohjaisen mallintamisen arvoa kaupunkisuunnittelun, tapahtumien hallinnan ja sidosryhmäviestinnän kehittämisessä älykaupunkikontekstissa.