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DySaSTer - SS 2014, WS 2014/2015

Thema: 

DySaSTer - Dynamische Simulation adaptiver Evakuierungs-Szenarien auf dreidimensionalen Terrains

Zeitraum: 

SS 2014, WS 2014/2015

Veranstalter: 

Dr. Frank Weichert, Informatik VII (Graphische Systeme),
OH16, R.121, Tel.: 755 - 6122, E-Mail: frank.weichert@tu-dortmund.de

Daniel Bachmann, Informatik VII (Graphische Systeme),
OH16, R.121, Tel.: 755 - 6126, E-Mail: daniel.bachmann@uni-dortmund.de

Thematik: 

a) Motivation: Rechner-gestützte Simulationen von zielgerichtetem menschlichen Verhalten aufgrund von Umgebungssituationen (kurz als Evakuierungssimulationen bezeichnet) gewinnen zunehmend an Bedeutung [5, 12]. Die Zielsetzung derartiger Simulationen ist die frühzeitige Analyse von Flucht- und Rettungswegen innerhalb von Gebäuden oder öffentlichen Plätzen sowie die Bewertung von Sicherheitskonzepten bei Großveranstaltungen. Bekannte Ereignisse wie die ''Love Parade'' und die ''Costa Concordia'', in denen die durchgeführten Evakuierungsmaßnahmen nicht ausreichend waren und dramatische Folgen hatten, unterstreichen die Relevanz derartiger Untersuchungen. Evakuierungssimulationen versuchen die individuellen Eigenschaften von Personen, wie z. B. Körperproportionen oder die Mobilität aber auch das menschliche (Gruppen-)Verhalten, u. a. Panik, Sozialverhalten, durch mathematische Modelle möglichst umfangreich zu repräsentieren [15]. Ausgehend von gegebenen Szenarien untersuchen diese das zeitabhängige Verhalten von individuellen Personen aber insbesondere von größeren Personengruppen sowie deren Interaktion untereinander. Über adaptive Parametrisierungen kann der Einfuss von veränderlichen Umgebungssituationen, z. B. dem Vorhandensein zusätzlicher Fluchtwege, im Vorfeld realitätsnah analysiert und bewertet werden. Konzepte der Virtuellen Realität erlauben dabei die Analysedaten immersiv zu visualisieren, um Entscheidungsträger möglichst frühzeitig über Schwächen im Evakuierungskonzept zu informieren.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist die Zielsetzung der Projektgruppe der Entwurf und die Implementierung eines Systems zur Simulation von Personenbewegungen und Evakuierungssituationen sowie der Visualisierung dieser innerhalb einer dreidimensionalen virtuellen Realität. Hierzu soll zunächst ein System zur performanten 3D-Visualisierung von urbanen Räumen realisiert werden. Dabei steht es der Projektgruppe frei, ob sie die vorhandene CityGML-Engine des Lehrstuhls (s. Abbildung 1) oder eine eigene Realisierung anstrebt. Entsprechende umfangreiche Datensätze, u. a. über das Vermessungs- und Katasteramt der Stadt Dortmund, stehen zur 3D-Modellierung zur Verfügung. Notwendige Verfahren zur Sichtbarkeits- und Kollisionserkennung sollten dabei im Hinblick auf eine echtzeitfähige Nutzung unter Einsatz der Grafikkarte erfolgen. Des Weiteren soll ein Modell für die eigentliche Simulation realisiert werden, welches das menschliche Verhalten möglichst realistisch abbildet. Nur durch eine adäquate Umsetzung individueller Eigenschaften von Personen und deren Dynamik in der Gruppe ist es möglich, deren Charakteristik in Evakuierungs- und Paniksituationen nachzubilden. So beeinflusst z. B. das Alter eventuell die Bewegungs- und Sehfähigkeit oder Personen einer Familie weisen ein anderes Sozialverhalten auf, wodurch sie sich auch in Paniksituationen nicht voneinander trennen.

CityGML-Engine
Abbildung 1:Exemplarische Darstellungen innerhalb der CityGML-Engine des Lehrstuhls: (a) Visualisierung des Signal Iduna Parks aus Daten im CityGML-Format und (b) texturierte Triangulierung eines Oberflächenmodells für einen Ausschnitt des Campus der TU Dortmund auf Grundlage von LiDAR-Daten.

b) Aufgabenbeschreibung: Aus Sicht der Informatik umfasst das Gesamtkonzept der Projektgruppe zwei wesentliche Aufgabengebiete, die in einem Optimierungs- und Validierungszyklus eingebunden sind. Ein Teilgebiet fokussiert sich dabei auf die Modellierung und echtzeitfähige Visualisierung urbaner Modelle. Das zweite Teilgebiet beinhaltet die Integration eines physikbasierten Modells der Fußgängerdynamik zur Simulation von individuellem und gruppengeprägtem Panikverhalten. Dabei werden die verschiedenen Aufgabengebiete während der gesamten Projektgruppe parallel bearbeitet und übergeordnet sind geeignete Evaluationsszenarien zu identifizieren. Das erste Teilgebiet umfasst folgende Arbeitspunkte:

  • Modellierung dreidimensionaler urbaner Strukturen:Als Datenquellen zur Generierung eines dreidimensionalen Stadtmodells inklusive digitalem Geländemodell (Terrain) stehen Daten des Katasteramtes der Stadt Dortmund im CityGML-Format [11] zur Verfügung. Der Fokus liegt hier auf der Entwicklung geeigneter effizienter Verfahren zur Interpretation des XML-basierten Formates und der Haltung resultierender Daten. Alternativ stehen Punktwolken eines Oberflächenmodells sowie zugehörige Geländemodelle des Dortmunder Stadtgebiets aus LiDAR-Daten (Light Detection And Ranging) und zugehörigen Orthophotos bereit, welche als Höhenkarten zur Rekonstruktion eines 2.5D-Modells verwendet werden können.
  • Echtzeitfähiges 3D-Visualisierung- und Interaktionssystem:Basierend auf dem Modellierungsverfahren soll eine echtzeitfähige Visualisierung [1] für Stadtmodelle entwickelt werden, welches als Basis der Simulationen dient. Die Repräsentation und effiziente Visualisierung des Terrains bedarf dabei gesonderter Betrachtung. Hierzu sind z. B. Quadtree-basierte Verfahren [3] und Algorithmen, die geschachtelte reguläre Gitter nutzen [13] tragfähig. Auch soll die intuitive Navigation innerhalb und Interaktion mit der Szenerie beachtet werden.
  • Sichtbarkeits- und Kollisionserkennung:Im Hinblick auf die spezielle Fragestellung der Simulation von Fußgängern, die sich über das Terrain bewegen, sind geeignete Verfahren zur Kollisionserkennung (z. B. mit dem Terrain) zu realisieren [4]. Die Fußgängerdynamik ist, gerade in Paniksituationen, abhängig von den Sichtverhältnissen der Individuen. Daher sollen effiziente z. B. Ray-Casting-basierte Verfahren zur Sichtbarkeitsberechnung erarbeitet werden.
Das zweite Teilgebiet der Projektgruppe geht von den o. g. Visualisierungsverfahren aus und zielt zum einen auf die Realisierung eines Modells menschlichen Verhaltens im Normal- und Panikfall ab. Zum anderen steht eine effiziente Realisierung dieser Methoden mithilfe der Multicore- Programmierung auf Grafikkarten bzw. homogene Multicoresysteme im Mittelpunkt der Betrachtungen. Hierzu sind folgende Arbeitspunkte umzusetzen:
  • Modellierung der menschlichen Interaktion:Die Realisierung eines physikalischen Modells der menschlichen Interaktion, im vorliegenden Fall die Dynamik von Fußgängern, soll auf Grundlage des Modells von Helbing et al. [6, 7, 8, 9] umgesetzt werden. Dies erfolgt in Analogie zum Verhalten von Flüssigkeiten, Gasen (Fluide) und granularen Medien und wurde u. a. durch Auswertungen von Videoaufnahmen von Fußgängern ermittelt, in denen Muster beobachtet werden konnten, die je nach Situation entsprechende Ähnlichkeiten aufweisen. Basierend auf diesem Modell soll im Rahmen der Projektgruppe eine prototypische Realisierung erfolgen und durch geeignete Erweiterungen an die Anforderungen einer Simulation von Panikverhalten angepasst werden.
  • Modellierung von individuellem und gruppengeprägtem Panikverhalten:Die durch das physikalische Modell vorgegebenen Parameter sollen auf die Modellierbarkeit von Paniksituationen und die Möglichkeit zur Adaption an möglichst beliebige Ausgangsszenarien untersucht werden. Konzeptionell kann dies durch zeit- und situationsabhängige Randbedingungen oder Fallunterscheidungen erfolgen aber auch durch eine adaptive Inkorporation erweiterter Kräfteterme in das physikalische Modell. Zudem würde die Berücksichtigung der Sichtverhältnisse der modellierten Individuen innerhalb des Modells einen neuen Ansatz darstellen, der eine deutliche Steigerung des Realismus zur Folge hätte.
  • Massiv parallele Umsetzung:Zur Realisierung einer möglichst performanten Simulation sind die einzelnen Komponenten auf Parallelisierbarkeit zu untersuchen. Insbesondere soll hierbei GPGPU-Programmierung (General Purpose Computing on GPUs) zum Tragen kommen. Dazu kann entweder CUDA (Compute Unified Device Architecture) [14], eine Programmiersprache für Grafikkarten, oder OpenCL (Open Computing Language), eine Programmiersprache für sowohl Grafikkarten als auch homogene Multicoresysteme, eingesetzt werden [10].
Anhand exemplarischer Szenarien sollen Evaluierungen des Simulationsmodells und des zugehörigen Visualisierungssystems erfolgen. Bei der Umsetzung dieser Anforderungen in ein Softwaresystem sollen verschiedene Entwurfsphasen beachtet [2] und adäquate Werkzeuge (Quellcodeverwaltung, Wiki, Bugtracking) eingesetzt werden. Dieses geht mit der angestrebten modularen Umsetzung einher, welche eine spätere einfache Erweiterung des Systems erlaubt. Während der Fokus der Projektgruppe auf Outdoor-Szenarien liegen soll, können die Konzepte auch um komplexere Indoor-Fragestellungen, eventuell zusammen mit ergänzenden physikalischen Simulationen, z. B. zur Feuer- und Rauchausbreitung, ergänzt werden. Auch die Integration von Konzepten der Stereoprojektion ist zukünftig angedacht. Das gewählte Thema gibt einen engen thematischen Anschluss zu verschiedenen Forschungsarbeiten am Lehrstuhl sowie hoch aktuellen Fragestellungen im Kontext der Geoinformatik und erlaubt damit den Teilnehmenden, sich für eine Reihe von möglichen Abschlussarbeiten am Lehrstuhl zu qualifizieren.

Wünschenswerte Kenntnisse:

  • Eine der Vorlesungen Mensch-Maschine-Interaktion, Eingebettete Systeme, Digitale Bildverarbeitung, Graphische Datenverarbeitung oder vorlesungsäquivalente Kenntnisse [vorausgesetzt]
  • Kenntnisse in einer Programmiersprache, z.B. Java, C++ oder C [vorausgesetzt]

Minimalziele:

Ausgehend von dreidimensionalen urbanen Strukturen soll die Konzeptionierung und Realisierung des Basissystems zur echtzeitfähigen 3D-Visualisierung erfolgen und die Integration eines Modells der menschlichen Interaktion zur Simulation der Fußgängerdynamik. Die Simulation von komplexen Paniksituationen soll als Zielsetzung für die Projektgruppe dienen, sie ist aber keine Pflicht. Das detaillierte Minimalziel erfolgt in Absprache mit den Teilnehmenden in den ersten PG-Sitzungen.

Literatur:

[1]T. Akenine-Moller, T. Moller, and E. Haines. Real-Time Rendering. A. K. Peters, Ltd., Natick, MA, USA, 2nd edition, 2002.
[2]H. Balzert. Lehrbuch der Software-Technik. Spektrum Akademischer Verlag, 1997.
[3]W. H. De Boer. Fast Terrain Rendering Using Geometrical Mipmapping, 2000.
[4]C. Ericson. Real-Time Collision Detection (The Morgan Kaufmann Series in Interactive 3-D Technology) (The Morgan Kaufmann Series in Interactive 3D Technology). Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA, 2004.
[5]R.-Y. Guo and H.-J. Huang. A modified floor field cellular automata model for pedestrian evacuation simulation. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 41(38), 2008.
[6]D. Helbing. A Mathematical Model for the Behavior of Pedestrians. Behavioral Science, 1991.
[7]D. Helbing, I. Farkas, and T. Vicsek. Simulating dynamical features of escape panic. Nature, 407:487-490, 2000.
[8]D. Helbing, I. J. Farkas, P. Molnár, and T. Vicsek. Simulation von Fuÿgängermengen in normalen Situationen und im Evakuierungsfall. 2002.
[9]D. Helbing, P. Molnár, I. J. Farkas, and K. Bolay. Self-organizing pedestrian movement. Environment and Planning B: Planning and Design, 28:361-383, 2001.
[10]Khronos OpenCL Working Group. The OpenCL Specification, 2008.
[11]T. H. Kolbe. Representing and exchanging 3d city models with citygml. In Jiyeong Lee and Sisi Zlatanova, editors, Proceedings of the 3rd International Workshop on 3D Geo-Information, Lecture Notes in Geoinformation & Cartography, page 20, Seoul, Korea, 2009. Springer Verlag.
[12]D. Lee, J.-H. Park, and H. Kim. A study on experiment of human behavior for evacuation simulation. Ocean Engineering, 31(8-9):931-941, 2004.
[13]F. Losasso and H. Hoppe. Geometry clipmaps: terrain rendering using nested regular grids. ACM Trans. Graph., 23(3):769-776, August 2004.
[14]J. Sanders and E. Kandrot. CUDA by Example: An Introduction to General-Purpose GPU Programming. Addison-Wesley Professional, 1 edition, July 2010.
[15]N. Waldau, P. Gattermann, H. Knoflacher, and M. Schreckenberg. Pedestrian and Evacuation Dynamics 2005. Springer-Verlag, 2006.

Rechtliche Hinweise:

Die Ergebnisse der Projektarbeit inklusive der dabei erstellten Software sollen der Fakultät für Informatik uneingeschränkt zur freien Forschung und Lehre zur Verfügung stehen. Darüber hinaus sind keine Einschränkungen der Verwertungsrechte an den Ergebnissen der Projektgruppe und keine Vertraulichkeitsvereinbarungen vorgesehen.