simuleren

Het is een indrukwekkend gezicht: het marcheren van soldaten. Rij aan rij, precies aan de pas. Een grote inspanning die veel training vereist. Voor een computer is dit echter kinderspel, de echte uitdaging is om iedereen door elkaar heen te laten lopen, ieder met een doel, een snelheid en een richting en zonder tegen elkaar op te botsen.

Onderzoeker Dr. Roland Geraerts van de Universiteit Utrecht ontwikkelde software waarmee simultaan de bewegingen van tot 80.000 objecten in realtime kunnen worden gesimuleerd. Deze software wordt bijvoorbeeld gebruikt om te kijken of de verwachte mensenmassa op Koninginnedag op een ordentelijk manier kan worden ontvangen in Amsterdam. Maar dat is niet de enige toepassing.

Waarom mensenmassa’s simuleren?
Er zijn een aantal redenen om mensenmassa’s te simuleren. Redenen die trouwens door recente gebeurtenissen, zoals de LoveParade in Duisburg, nog extra onderstreept worden. Hier zorgde een te kleine tunnel naar een festivalterrein voor 21 doden en 510 gewonden. In dit geval kunnen simulaties gebruikt worden om een ramp te voorkomen. Op belangrijke vragen geven simulaties een veilig en verantwoord antwoord. Kan een vergunning worden afgegeven? Zijn er voldoende in- en uitgangen? En kan het terrein de massa mensen aan?

Chaos
Een andere reden om simulaties te gebruiken is om in kaart te brengen hoe druk het ergens kan worden. Vanuit veiligheidsperspectief zou een organisator of een vervoerder alternatieve routes kunnen aangeven of kunnen wachten met het sturen van bepaalde groepen mensen. Liever even een paar minuten wachten dan het creëren van een chaos. Ook voor ontwerpers en architecten is het goed om te weten of hun ontwerpen de stroom bezoekers, klanten of medewerkers kunnen verwerken, nog voor de eerste paal de grond in gaat.

Rood en blauw passeren elkaar, maar moeten door dezelfde smalle opening. Gaat dit lukken of niet? Simulaties geven antwoord op dit soort vragen.

Rood en blauw passeren elkaar, maar moeten door dezelfde smalle opening. Gaat dit lukken of niet? Simulaties geven antwoord op dit soort vragen.

Gamen
Als laatste zijn er de toepassingen in de gamewereld. Wanneer gameontwikkelaars in staat zijn om op een realistische manier groepen soldaten, bewoners of zombies te simuleren, dan levert dit een betere gameplay op. Ook in films – die steeds vaker met een computer worden gemaakt – kan de software voor realistische scènes zorgen. De simulatie wordt dan gecombineerd met de animatie en rendering software.

Hoe werkt het dan?
Allereerst is het van belang om te snappen dat de beweging van een bepaald individu een gevolg kan hebben op een totaal andere plaats. Dit concept, ook wel bekend als het butterfly-effect of chaos-theorie, maakt dat een computer alle bewegingen moeten doorrekenen voor alle gesimuleerde individuen om de optimale paden te berekenen. In de praktijk is dat helaas niet mogelijk, omdat in een game slechts een klein percentage van de CPU-kracht beschikbaar is voor de simulatie terwijl de game wel real-time moet blijven.

Crowdsimulatie op het Domplein, gemaakt door  de studenten Jordy Boot en Christian Boer.

Crowdsimulatie op het Domplein, gemaakt door de studenten Jordy Boot en Christian Boer.

Modelleren van de begaanbare ruimte
Waar kan iemand wel lopen en waar niet? Het is logisch dat een mens niet door gebouwen loopt. Daarnaast wil iemand op bepaalde plekken liever niet lopen. Bij een ravijn is het verstandig om een veilige afstand tot aan het ravijn aan te houden. Er zijn weinig mensen die het ravijn opzoeken. In het algemeen zijn beloopbare plekken in een aantal terreintypes op te delen. Voetgangers geven de voorkeur aan het voetpad of gras, terwijl auto’s zich liever voortbewegen over de straat. Toch moet het mogelijk zijn dat de auto’s in bepaalde situaties over het voetpad kunnen rijden, bijvoorbeeld als een stuk van de weg afgezet is. Terreintypes kunnen ook dynamisch veranderen. Kijk maar naar olifantenpaadjes in het park, gemaakt door mensen die een sluiproute nemen door de struiken of over het gras. Allemaal elementen die meegenomen moeten worden. Om een game of simulatie snel te maken, moeten alle beloopbare gebieden en hun terreintypes in kaart worden gebracht.

De software van UU maakt een precieze beschrijving van de begaanbare ruimte, niet alleen in het 2D-vlak maar ook over meerdere verdiepingen in een 3D-omgeving. Handig om bijvoorbeeld een evacuatie van een gebouw te simuleren of te berekenen hoe een voetbalstadion zich het snelste met mensen kan vullen. Daarnaast kan ook de hoogte worden meegenomen zodat bijvoorbeeld kinderen ergens wel onder door kunnen en volwassenen niet.

Zo is het mogelijk om op station Utrecht Centraal de stromen reizigers te simuleren. Dit is juist nu enorm relevant, omdat er op dit moment ook renovaties gaande zijn die het niet mogelijk maken om de normale routes te volgen.

In deze video ziet u hoe de modellen helpen om oplossingen te bieden voor problemen.

Dynamische updates
Als een obstakel (zoals een gebouw, brug of auto) aan een (game)omgeving wordt toegevoegd of verwijderd, dan hebben we te maken met een dynamische verandering van de omgeving. Zo gebeuren er dingen die de paden in de begaanbare ruimte veranderen, bijvoorbeeld wanneer een weg wordt afgesloten vanwege gevaar. Bij een verbouwing kan een simulatie belangrijke input geven over hoe de renovatie moet worden aangepakt. Bij een calamiteit kan in realtime worden bekeken hoe mensenstromen gaan lopen of moeten worden omgeleid.

Schaalbaar
Het systeem kan tot 80.000 individuele ‘karakters’ simuleren. Een karakter is trouwens niet alleen een mens. Alles dat beweegt, kan worden gesimuleerd. Een karakter kan een eigen pad hebben. Bijvoorbeeld kinderen zijn gek op het lopen langs railingen of klimmen op hoge muurtjes. Nog maar even afgezien van de aantrekkingskracht van een regenplas! Daarbij moet een simulatie om kunnen gaan met verschillende typen karakters zoals een monster, paard, of tank. Snelheid, doel en profiel zijn individueel instelbaar.

Botsen
Normale mensen willen ook niet tegen andere mensen botsen en zullen daarbij beslissingen maken op basis van de omgeving. Gaan we linksom of rechtsom? Ieder gedrag heeft invloed, dus ook het elkaar ontwijken. Dit kan leiden tot een vertraging of opstopping in de mensenstroom. Een eenvoudig model dat in de praktijk goed werkt is de volgende. Elk persoon berekent met welke andere personen een mogelijke botsing gaat plaatsvinden als iemand in hetzelfde tempo en in dezelfde richting blijft lopen. Wanneer dit betekent is, kan de route iets aangepast worden door langzamer of sneller te lopen of door de richting een beetje bij te draaien. Wanneer elk persoon op deze manier anticipeert, ontstaan er weinig botsingen.

Een multifunctioneel model
Het model dat de software van de begaanbare ruimte maakt, laat niet alleen zien welke paden en bewegingsmogelijkheden er zijn, maar biedt ook informatie over ‘line of sight’. Deze informatie kan gebruikt worden om bijvoorbeeld de bewegwijzering op de beste manier aan te brengen.

Een volwassene zal de blauwe lijn volgen, maar wat doet een kind?

Een volwassene zal de blauwe lijn volgen, maar wat doet een kind?

NCS4
De software van de UU wordt trouwens niet alleen in academische kringen gebruikt. In Nederland gebruikt het bedrijf InControl het om groepen mensen te simuleren voor bouwbedrijven en vervoersbedrijven. Recent is InControl gekozen als bedrijf om met de software van de Universiteit Utrecht voor de Amerikaanse National Center for Spectator Sports Safety and Security (NCS4) een simulatie en trainingsomgeving voor stadions te ontwikkelen.

Technologie
De ontwikkeling van deze gametechnologie is al begonnen in het Gate (Games for Training and Entertainment)-project. In het COMMIT-project ‘Virtual Worlds for Wellbeing’ is de ontwikkeling verder gegaan met deze nieuwe versie als gevolg. De software draait goed op hedendaagse hardware. Een demoversie is te downloaden via http://www.staff.science.uu.nl/~gerae101/ecm/. Ook binnen de richting Gametechnologie op de UU wordt druk gewerkt. Meer hierover op: http://www.gametechnologie.nl.

Iedere dag in een massa
Zonder we het realiseren zitten we regelmatig in een crowd. Bijvoorbeeld als we op een druk treinstation staan, tijdens grote evenementen als festivals of Koninginnedag of als we een voetbalwedstrijd bezoeken. Op zulke momenten willen we veilig zijn en snel ons doel bereiken. Ongelukken of catastrofes zijn nooit te voorkomen, maar de gevolgen ervan kunnen door middel van simulatiesoftware wel worden beheerst, door bijvoorbeeld bij de vergunningsverlening een simulatieanalyse te doen of te eisen van de organisator.

Het Engelse spreekwoord ‘Better Safe Than Sorry’ moet wel aangepast worden door deze nieuwe software. Het wordt nu ‘Better Simulated And Safe, Than Sorry’!