Foto: Rvongher

Virtuelle Realität und Simulationen bei Evakuierungsszenarien

Räumung in 3-D

Ob Feuer in einem Gebäude, eine Panik bei einer Massenveranstaltung oder die Havarie eines Kreuzfahrtschiffes, überall versuchen Menschen sich in der Regel schnellstens in Sicherheit zu bringen. Das Verhalten solcher Personenströme bei der Planung von Objekten und Veranstaltungen ausreichend zu berücksichtigen, ist dabei eine der großen Herausforderungen für die Verantwortlichen. Immer häufiger kommen daher Evakuierungssimulationen zum Einsatz, die bei der Erstellung von Brandschutz- und Sicherheitskonzepten helfen können. W&S gibt einen Überblick.

Im Ernstfall kommt es bei der Evakuierung von Menschen auf jede Sekunde an. Um ein Objekt oder ein Gelände möglichst schnell verlassen zu können, sind entsprechende brandschutz- und sicherheitsrelevante Aspekte wie Entfluchtungszeiten bereits in der Planungsphase zu berücksichtigen. Dabei stellen gerade architektonisch anspruchsvolle Bauwerke oder Konstruktionen Ingenieure und Brandschutzplaner vor große Herausforderungen, wenn es um die entsprechenden Nachweise zur Sicherheit geht. Diese sollen nicht nur Architekten und Brandschutzplaner unterstützen, sondern können auch Veranstalter und Betreiber von Objekten helfen, ausgereifte Sicherheitskonzepte für die Evakuierung zu entwickeln und Mitarbeiter entsprechend zu trainieren und einzuweisen.

Analyse im Vorfeld

In der Planungsphase werden Risikoanalysen durchgeführt, die mit bestimmten vorgegebenen Ereignissen Szenarien durchspielen, beispielsweise mit blockierten Fluchtwegen, und diese hinsichtlich des Risikos für die Menschen bewerten. In Äquivalenzanalysen wird untersucht, wie sich ein in Bezug auf den Brandschutz regelkonformes Konzept zu einem von diesen Normen abweichendem verhält.

Als Datengrundlage dienen in der Regel die Pläne der Brandschutzbüros beziehungsweise CAD-Zeichnungen. Die Berechnung der Evakuierung läuft dann in der Regel anhand von 2D Modellen etagenweise ab. Die Visualisierung spielt dabei letztlich eine Nebenrolle, denn die Simulation erfasst alle relevanten Daten für die Analyse. So kann etwa festgehalten werden, welche definierten Punkte zu welchem Zeitpunkt von wie vielen virtuellen Personen (Agenten) passiert worden sind, was für die Planung von Aus- und Eingängen sowie Rettungswegen wichtig ist.

Beispiel Kreuzfahrtschiff

Die Havarie der Costa Concordia 2012 hat gezeigt, dass Unglücke bei allem Stand der Technik auch auf modernen Kreuzfahrtschiffen möglich sind. Unabhängig von den konkreten Ereignissen, die zum Unglück führten, ist festzuhalten, dass gerade große komplexe Schiffe, die mehrere Tausend Menschen auf vergleichsweise kleinem Raum beherbergen, ein klar durchdachtes Evakuierungskonzept vorweisen müssen. Um die Planer und Konstrukteure solcher Schiffe zu unterstützen, setzt das Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD Konstruktionsdaten in ein virtuelles 3D Modell um. Die Daten stammen von mit dem Institut kooperierenden Werften.

Solche Modelle sollen künftig nicht nur Planung und Entwurf unterstützen, sondern das reale Schiff über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg begleiten, um etwa Umbauten oder technische Modernisierungen am virtuellen Modell zu planen und durchführen. Die Weitergabe der Daten von den Werften an die Reeder unter anderem für Trainingszwecke ist noch nicht die Regel, sondern geschieht im Moment nur in Ausnahmefällen.

Hier ist das Ziel, die Modelle zu vereinfachen, sodass die Werften keine Sorge haben müssen, dass vertrauliche Konstruktionsdaten nach außen gelangen. Die wichtigen Aspekte dürfen beim Vereinfachen nicht verloren gehen.

Der Vorteil für die Reeder liegt in der praktischen Erprobung von Evakuierungsabläufen, auf die die Besatzungen geschult werden müssen. Die virtuelle Darstellung läuft auf Standard-PCs mit gehobener Grafikarte und unter Anbindung der Simulationssoftware. So kann die Besatzung sehen, wie sich die Personen im Ereignisfall aller Wahrscheinlichkeit nach verhalten werden und diese Abläufe entsprechend trainieren.

Personenströme darstellen

Mit Hilfe der Ergebnisdaten der Simulationssoftware „Aeneas“ lassen sich die Personenströme grafisch in 3-D darstellen. Ziel ist es, vor allem festzustellen, ob die Agenten sich ihren Weg entlang der geplanten Rettungswege zu den festgelegten Evakuierungspunkten bahnen können. So lässt sich beim Verfolgen der Personen sehen, ob etwa Notausgangstüren und Zugänge die erforderliche Breite aufweisen und wie lange es dauert, bis alle Agenten die ihnen zugewiesenen Punkte erreicht haben.

Dabei kann auch eine „Ego-Perspektive“ gewählt werden, die es dem Nutzer erlaubt, sich quasi in den Passagier oder das Besatzungsmitglied „hineinzuversetzen“ und den Ablauf aus dieser Perspektive mit zu verfolgen. Dipl.-Inf. Benjamin Mesing, Maritime Graphics, Fraunhofer IGD: „Der Anwender kann sich aber auch parallel zur laufenden Simulation durch das Schiff oder Gebäude bewegen und testen, inwieweit er anhand der angedachten Rettungswege seinen Weg zur Sammelstelle oder zum Evakuierungspunkt findet.“ So kann anschaulich überprüft werden, ob Notausgänge entsprechend gekennzeichnet sind oder ob andere wegführende Hilfsmittel so eingeplant sind, dass die Personen sie im Ernstfall auch wahrnehmen könnten. „Damit das funktioniert, müssen sich im virtuellen Modell die Türen öffnen lassen, und Hindernisse, seien es Wände oder andere undurchlässige Bereiche, dürfen sich nicht durchqueren lassen“, so Mesing. Gerade das „Hineinschlüpfen“ in unterschiedliche Perspektiven, beispielsweise in ein Kind, liefert wertvolle Informationen, was und wie viel Personen in einer Menschenmenge überhaupt noch um sich herum sehen können.

Ziel: Echtzeit

Im Moment lässt die komplexe Datenlage noch keine Berechnungen in Echtzeit verlässlich zu, also das aktive Beeinflussen von Faktoren während des Simulationsablaufs, die dann wiederum unmittelbare Reaktionen der Agenten zur Folge haben. Doch langfristig ist es denkbar, dass die Simulationen auch solche komplexen Vorgänge abbilden können. Dazu gehören beispielsweise die Rauchentwicklung oder aktive Löschmaßnahmen, die Einfluss auf das Verhalten der zu evakuierenden Personen nehmen. Auch das Übernehmen einer Rolle etwa als Besatzungsmitglied, das bestimmte Aktionen durchführt, die die anderen Agenten um sich herum beeinflusst, wäre zu Trainingszwecken sicherlich hilfreich.

Mit dem Teilprojekt Power-VR Rescue spannt das Fraunhofer IGD auch die Brücke zum Einsatz von Augmented Reality. Es setzt virtuelle Techniken im Ausrüstungsbereich ein, sodass der Reeder anhand eines Prototyps neue Rettungsmittel bewerten kann, und zwar direkt im Kontext seines vorhandenen Schiffes. Diese Technologie wird auch weiter helfen, Besatzungsmitglieder in ihrer Ausbildung zu unterstützen oder auch Passagieren, etwa über Smartphone, den schnellsten beziehungsweise geeignetsten Rettungsweg aufzuzeigen.

Möglichst viel üben

Um eine Simulation wirkungsvoll nutzen zu können, ist es wichtig, möglichst viele Szenarien im Zusammenhang mit Ereignissen durchzuspielen. Dass dabei nicht nur solche für die reine Evakuierung im Ernstfall relevant sein können, zeigt das Beispiel des Unglücks der Love Parade in Duisburg 2010. Ursache war hier ein Rückstau der ankommenden Besucher im Straßentunnel, der zugleich als Ausgang diente. Bei den Evakuierungsszenarien waren vom Veranstalter nur die gesetzlich geforderte Räumung unter anderem über diesen Ausgang berücksichtigt worden, nicht aber der gleichzeitige Zustrom in der Gegenrichtung. „Eine Lehre aus dem Unglück sollte daher sein, dass in den Simulationen Alltagspersonenflüsse berücksichtigt werden, auch wenn die Richtlinien dies zur Zeit noch nicht explizit fordern“, erläutert Tim Meyer-König, Traffgo GmbH.

Inwieweit Simulationen unter Live-Einflüssen zusätzlichen Erkenntnisgewinn bringen, bleibt indes abzuwarten. Das Beispiel der Düsseldorfer LTU-Arena hat durchwachsene Ergebnisse erzielt. Dort wurden 2009 im Rahmen des Projektes „Hermes“ anhand von 300 Probanden die reale Verteilung der Besucher während der Spiele und Veranstaltungen bestimmt und die Evakuierung analysiert. Die Daten dieser Besucherströme bilden die Grundlage für den „Evakuierungsassistenten“, der quasi in Echtzeit Hilfestellung für Räumungen bieten soll.

Dabei hat sich aber gezeigt, dass es schwierig ist, die Fülle an Faktoren und Parametern, die sich aus dem Besucherverhalten ergeben, in verlässliche und nutzbringende Daten umzusetzen. Denn wenn der Computer aus dem aktuellen Verhalten mehrere Szenarien entwirft, die alle unterschiedlich etwa hinsichtlich der Dauer sind, ist der Erkenntnisgewinn für die Verantwortlichen, die im Ernstfall zügig entscheiden müssen, eher gering. Hinzu kommen die hohen Kosten für ein solches Projekt, was die Verantwortlichen angesichts des eher fraglichen Mehrwerts zusätzlich abschreckt.

Evakuierungs- und Räumungssimulationen können als Grundlage dienen, das für Besucher geforderte Sicherheitsniveau zu schaffen. Virtuelle Umgebungen können darüber hinaus Probleme nicht nur optisch nachvollziehbar machen, sondern auch für Ausbildungszwecke genutzt werden. Allerdings gibt es derzeit auch Grenzen für den Einsatz solcher Simulationen, denn wie Fachleute kritisieren, können sie nicht die Komplexität menschlichen Verhaltens in Extremsituationen mit berücksichtigen.

Die Vorhersagbarkeit dürfte sich damit auf absehbare Zeit auf die Prognose konventioneller Räumungen beschränken. Zu diesem Zweck bieten die Simulationen schon heute wertvolle Hilfestellungen.

(HL)