Využití virtuální reality pro kalibraci modelů evakuace

Hromadná doprava v evropském kontextu tradičně reprezentuje významnou součást celkových přepravních objemů a z pohledu udržitelnosti dopravy bude její důležitost s ohledem na počet přepravených cestujících dále narůstat, byť aktuálně dochází v této oblasti k jistému útlumu z důvodu trvající celosvětové pandemie způsobené šířením nemoci COVID-19. Z dlouhodobé perspektivy je však současná dopravní infrastruktura spíše na hraně své kapacity jak z pohledu využití dostupných tras, tak z pohledu obsazenosti vozů nebo odbavovací kapacity nádraží a stanic.

Zvyšující se koncentrace osob v klíčových přepravních uzlech má kromě zhoršení kvality cestování i mnohem závažnější důsledky v podobě nárůstu rizik, která se zásadně projeví především v případě mimořádné situace a následné evakuace cestujících, a která výrazně nabývají na intenzitě především v podmínkách přetížených drážních budov nebo přepravních vozů. Riziko zranění nebo úmrtí osob v průběhu evakuačního procesu, který se vymkl kontrole, může být často vyšší než riziko plynoucí ze samotné mimořádné situace. Z tohoto důvodu je klíčové se dlouhodobě zaměřit na problematiku evaluace bezpečnostních plánů a jejich optimalizace do podoby, která zajistí hladký průběh mimořádných událostí s ohledem na výlučné zabezpečení ochrany zdraví osob a majetku. Při tvorbě těchto návrhů a jejich následné evaluaci jsou stále častěji využívány technologie využívající prvky umělé inteligence (UI) či virtuální reality (VR). Právě jejichž propojení a případná aplikace v oblasti posuzování bezpečnosti budov je předmětem následujícího textu.

Na UI založené agentní modely (ABEMS; agent-based evacuation modeling) pohybu osob umožňují simulovat a vizualizovat variabilitu konkrétního návrhu evakuačního plánu, a to jak z pohledu samotné geometrie pohybu osob v budově, tak s ohledem na průběh krizových scénářů zohledňujících krizové aspekty situace. Navíc v kombinaci se současnými statistickými metodami umožňují tyto agentní simulace vytvářet predikce a řešit teoreticky neomezené množství mimořádných situací, kde je zpravidla výstupem podrobný scénář evakuačního procesu.

Stejně jako u jiných matematických modelů je i u agentního modelování pohybu osob kvalita výstupů modelu přímo závislá na kvalitě vstupů, které jsou do modelu zadány. U pohybu osob v prostředí obecně, a v případě lidského evakuačního chování obzvláště, je zpravidla obtížné získat datové vstupy pro agentní modely v potřebné kvalitě, je-li to vůbec vzhledem k povaze studované struktury (veřejné budovy, nádraží) možné. Toto je dáno jednak etickým hlediskem, kdy není dost dobře možné věrohodně napodobit situaci bezprostředního ohrožení života studovaných osob v mimořádné situaci, tak technickými a finančními aspekty studií zkoumajících evakuační chování člověka v reálném kontextu (dostupnost studovaných budov, logistická rovina, omezení provozu aj.). U nově vznikajících staveb je navíc nutné jejich bezpečnost hodnotit ještě v rámci projekční fáze, kdy samotná posuzovaná budova fyzicky neexistuje, a jakýkoliv empiricky založený experiment zkoumající její bezpečnostní aspekty není možné provést. V tomto ohledu se velice slibně jeví moderní technologie virtuální reality, které teprve v posledních letech dosáhly nezbytné technické úrovně, dostupné cenové relace a uživatelské podpory, a mají tak potenciál tyto mimořádné situace zprostředkovat ve věrohodném (fidelity) vizuálním podání. Prospektivně také nabízí řadu dalších možností, protože se v blízké budoucnosti profiluje zprostředkování dalších senzorických vjemů (především haptických a olfaktorických). Evakuační experimenty prováděné ve virtuálním prostředí tak představují lákavou alternativu nákladných, těžko dostupných a potenciálně nebezpečných reálných experimentů, a to nejen v rovině psychologického či technologického výzkumu, ale také v inženýrské praxi s reálným přesahem procesu návrhu veřejných budov (Veling et al., 2016).

PROBLEMATIKA KALIBRACE AGENTNÍCH MODELŮ OSOB

V obecné rovině je spolehlivost evakuačních agentních modelů definována na základě procesu jejich verifikace, validace a kalibrace. Verifikace představuje proces určující přesnost matematické stránky modelu. Jedná se o technický proces, kdy jsou teoreticky vypočtené hodnoty porovnávány s hodnotami, které generuje model formou provedení simulace (např. rychlost pohybu za dané situace). Tato definice je v odborných kruzích všeobecně uznávána a přímo existuje specifický soubor úloh, na základě, kterých lze verifikaci modelu provést (Ronchi et al., 2013). Na druhé straně validace žádnou obecně přijímanou definici nebo soubor úloh nemá. Validaci lze nicméně považovat za proces, který určí, do jaké míry daný model věrohodně reprezentuje studovanou situaci v realitě. Zásadním faktem zůstává, že proces validace použitý pro jeden konkrétní scénář nelze obecně aplikovat pro scénář jiný (Lord et al., 2005; Galea, 1997) a vždy je nutné kvantifikovat validační parametry pro každý konkrétní model a jeho reálnou předlohu. Kalibrace je pak nedílnou součástí samotné tvorby modelu, kdy se jedná o parametrizaci modelu podle konkrétní situace, pro kterou je tvořen, tj. například z pohledu složení populace, známé rychlosti pohybu osob apod. Stejně jako validace je také proces kalibrace unikátní pro každý model a není možné jej zobecnit.

Aby bylo vůbec možné výše zmíněné procesy u agentních modelů provést, je potřeba definovat jejich základní veličiny. Na základě předchozího výzkumu (Gwynne et al., 2012a) bylo identifikováno pět základních parametrů evakuačních modelů:

1. Doba před pohybem.
2. Rychlost pohybu.
3. Využití východů.
4. Dostupnost a výběr trasy.
5. Stav dopravního toku.

Tyto jednotlivé parametry je nicméně pro případnou aplikaci potřeba změřit v kontextu reálného prostředí. Reálný situační kontext však nemusí být vždy k dispozici, ať už z důvodu provozního vytížení dané lokality (např. dopravního uzlu), finančních a logistických nákladů, nebo skutečnosti, že studované prostředí vůbec neexistuje (projekční fáze výstavby). V tomto bodě se začíná teoretická rovina diskutované problematiky rychle vzdalovat od inženýrské praxe. Pro výzkumné účely je zpravidla možné nalézt lokalitu, která vyhovuje danému výzkumnému záměru (Schröder, 2017), v inženýrské praxi nicméně takovýto postup možný není, protože cílová lokalita je konkrétně vymezená a definovaná, nebo je v některých případech stále ve stavu projektové dokumentace. Právě v těchto situacích přichází na řadu využití dostupných poznatků a dat z odpovídajících studií a experimentů (Lovreglio, 2019; Thomson, 2015), jejichž přenositelnost je však často diskutabilní a data zpravidla dostačují pouze pro účely kalibrace utvářených modelů. V tomto ohledu je to právě technologie virtuální reality, která nabízí dostupnou, praktickou a efektivní možnost, jak potřebná data získat i v případech, kdy je cílová budova nebo lokalita teprve v projekční fázi, nebo kdy je reálné provedení evakuačního experimentu z bezpečnostních nebo organizačních důvodů komplikované.

PROBLEMATIKA EXPERIMENTŮ VE VIRTUÁLNÍM PROSTŘEDÍ

V posledních letech frekventovaně diskutovaná imerzivní virtuální realita (iVR), která nabízí možnost tvorby a využití virtuálních prostředí (VE; virtual environments) pro rozmanité účely výzkumu i aplikace, je zpravidla prezentována prostřednictvím helem či hlavových displayů (v angličtině označováno HMD; head-mounted display), neboli tzv. brýlí pro virtuální realitu. Tato technologie v kombinaci se sofistikovanou a stále propracovanější vizuální grafikou virtuálních prostředí poskytuje vysokou míru realismu scény, přesvědčivou věrohodnost, a značnou míru zanoření (presence/immersion) do virtuálního obsahu, což je dále podporováno kontrolovatelným stupněm interaktivity. V oblasti výzkumu i aplikace potom tato rozhraní umožňují neinvazivní, levný a efektivní sběr dat o chování člověka v kontextu, který sice připomíná realitu, ale je kompletně vygenerovaný počítačem. Navíc VR nabízí možnost automatického logování aktivity účastníků výzkumu (např. měření behaviorální aktivity, eye-trackingu aj.). Na základě předchozích výzkumů je možné se domnívat, že VR aktivuje mozkové mechanismy podobné těm, které se demonstrují v reálném světě (Alcaniz et al. 2009; Paradis et al., 2019), a je tedy možné tuto technologii využít pro validní výzkum člověka v těžko dostupných kontextech. Kromě tohoto lze provádět VR měření v budovách, které jsou v projektové fázi (Ugwitz et al., 2021) nebo u těžko simulovatelných podmínek (šíření požáru či toxinů (Kinateder et al., 2014; Arias et al., 2021). Závěry vyvozené z těchto vysoce realistických VR experimentů mohou být přeneseny jako vstupní parametry do oblasti agentního modelování, a to i přes skutečnost, že měření ve virtuální realitě nese některá rizika – např. nevolnost či únava navozená delší expozicí virtuální scény prostřednictvím HMD (Agić et al., 2020).

Výše zmiňované behaviorální projevy člověka, které jsou demonstrovány při virtuálním evakuačním chování, představují klíčovou oblast výzkumu na pomezí virtuální reality a agentního modelování. Experimentální empirická studie realizovaná týmem projektu Kognitivní psychologie a prostorová syntaxe ve virtuálním prostředí pro agentní modely (Kubíček et al., 2020) byla primárně zaměřena identifikaci rozdílů projevů participantů v reálném a virtuálním prostředí a sekundárně na ověření možností využití získaných výsledků pro optimalizaci agentních modelů projektovým týmem. Výsledky naznačují srovnatelnost velké části projevů člověka v reálném a virtuálním prostředí.

Výsledky pilotního experimentu je možné shrnout jako slibné vzhledem k pozorované ekvivalenci mezi klíčovými behaviorálními procesy u reálného a virtuálního měření (Kubíček et al., 2020) a jako takové naplňují očekávaný potenciál využití virtuální reality pro tvorbu behaviorálního modelu chování osob a jeho využití v agentních modelech evakuace. Experiment zároveň poukázal na některá úskalí, která bude nutné v dalším rozvoji problematiky překonat.

Závěry studie Kubíček et al. (2020) poskytují výsledky využitelné pro optimalizaci agentních modelů v následujících oblastech:

• Evakuační čas – představuje problematickou veličinu zejména z pohledu rozdílné metafory pohybu a definování rychlosti pohybu v reálném i virtuálním prostředí, přičemž samotná rychlost pohybu má v tomto případě na celkový evakuační čas zásadní dopad. V provedeném experimentu (Kubíček et al., 2020) byla zvolena konstantní rychlost pohybu virtuálního avatara, proto bylo také vybráno nejvíce typické ovládací rozhraní pro běžného participanta, tedy klávesnice a počítačová myš. Dle původního očekávání tak výsledky v této kategorii nejsou přímo srovnatelné a jakékoliv rozdíly nalezené mezi reálnou a virtuální podmínkou v oblasti celkového evakuačního času v tomto případě přímo vyplývají z technických limitů navrženého experimentálního rozhraní.
• Reakční čas na alarm – výsledky experimentu naznačují, že reakční doba zjištěná ve virtuálním prostředí je do značné míry shodná s dobou naměřenou v reálném prostředí a je proto využitelná pro kalibrace agentních modelů pěších a pro tvorbu behaviorálních modelů pohybu osob v evakuačním kontextu.
• Trajektorie pohybu – v případě evakuace jde o zásadní veličinu, která reflektuje případné nejasnosti v návrhu evakuační trasy vedoucí k bloudění evakuovaných osob, případně upozorní na situace, kdy se evakuované osoby drží nežádoucího chování jako např. využití neznačené trasy a východu pouze na základě skutečnosti, že touto trasou do budovy přišly (tzv. retracing – viz dále), kdy ale zcela ignorují evakuační značení, a tudíž žádoucí evakuační trasy. Důsledky odchýlení od žádoucí trajektorie pohybu může být v některých případech fatální. Získaná data naznačují, že virtuální prostředí je schopno měření tohoto fenoménu – tzn. trajektorie pohybu – reprodukovat (včetně možných zastávek) a nabízí tak možnost zásadně vylepšit stávající behaviorální modely o konkrétní pohybové vzorce. Vzhledem ke skutečnosti, že současné modely jsou zpravidla založené na volbě nejkratší nebo nejrychlejší trasy a zcela opomíjí skutečnost, že evakuované osoby mohou zabloudit nebo jít jinou delší trasou, levné, efektivní a validní virtuální měření reprezentuje stěžejní technologii pro zachycení klíčových aspektů lidského chování v kontextu evakuace.
• Strategie retracingu – volba východu nemusí být často založená na logickém závěru (tj. např. následování evakuačního značení či vizuální dostupnost), a proto stávající modely chování osob často selhávají v praxi. Experiment naznačuje, že tendence k volbě východů z budovy se v reálném a virtuálním prostředí rámcově shodují a z této perspektivy je tedy možné usoudit, že na základě virtuálních měření je žádoucí kalibrovat behaviorální modely chování osob pro stavební praxi.
• Rozhodovací čas – v rámci modelu je agent nucen činit řadu rozhodnutí vyplývajících z kontextu situace, přičemž právě délka rozhodovacího procesu je důležitou součástí behaviorálního modelu, neboť v některých případech může tvořit podstatnou část doby evakuace, nebo může hrát významnou roli např. v případě dynamického šíření požáru. V rámci experimentu bylo zjištěno, že v předem definovaných rozhodovacích situacích rozložení rozhodovacích časů participantů ve virtuálním a reálném prostředí odpovídá, a představuje tedy metriku přímo uznatelnou a využitelnou pro tvorbu či optimalizaci evakuačních a behaviorálních modelů.

Uvedená témata a návrh optimalizací agentů jsou rozpracována v následující kapitole.

BEHAVIORÁLNÍ MODEL POHYBU OSOB NA ZÁKLADĚ VR PROSTŘEDÍ

S ohledem na výše uvedené poznatky z provedeného experimentu lze konstatovat, že na základě VR experimentů je s relativně mírnými logistickými, finančními a technologickými výdaji možné vytvořit validní behaviorální model, který lze do simulačního nástroje následně implementovat ve formě hustot pravděpodobností sledovaných jevů (tj. např. čas před pohybem, doba čekání nebo rozhodování, volba trasy, volba východu atd.). Jako příklad zde uvádíme behaviorální model pro jednoho agenta (tabulka 1) ve srovnání s výchozím přístupem, u kterého nejsou k dispozici empirická data pro cílovou lokalitu.

Z uvedeného souhrnu (tabulka 1) je patrné, že tvorba behaviorálního modelu na základě uživatelských studií ve VR povede k výraznému upřesnění predikcí o reálném chování osob v kontextu evakuace. Korigované modely obecně vykazují daleko větší variabilitu výsledných evakuačních časů, kdy zejména maximální hodnoty představují klíčové závěry v procesu hodnocení bezpečné maximální kapacity budovy. Například empiricky kalibrovaní agenti, kteří se snaží jít stejnou trasou kterou do budovy přišli (retracing) (B1, C1), budou dosahovat výrazně delších evakuačních časů než agenti, kteří žádoucím způsobem sledují evakuační značení. V případě volby konkrétního východu pak může dojít např. k hromadění osob na neočekávaném místě, zahlcení některých východů a také ke komplikacím při zásahu HZS. V případě obvyklého modelu chování jsou pak tyto fenomény zcela opomenuty a je dosaženo nereálně krátkých (ideálních) evakuačních časů.

ZÁVĚR

Závěrem lze shrnout, že dosavadní výsledky o využití virtuálních experimentů pro účely agentního modelování ukazují vitální a slibný trend, a zároveň ve světle nedávného technologického pokroku nabízí možnosti pro inženýrskou praxi, které byly dříve nerealizovatelné. Simulační experimenty prováděné ve virtuálním prostředí mají potenciál dramaticky změnit dosavadní inženýrskou praxi tvorby evakuačních modelů a na nich založených predikcí o prostorovém uspořádání budov, protože do nedávné doby bylo obtížné anebo přímo nemožné získat adekvátní empirická data pro cílové lokality a pro konkrétní řešené situace (například formou rozsáhlých evakuačních cvičení). To bylo dáno zejména významnými logistickými nároky takových událostí (omezení provozu), vysokými finančními náklady a v případě projekční fáze pak neexistencí posuzovaných cílových struktur. Virtuální prostředí a data z nich získaná v kombinaci s jinými nástroji běžně používanými v projekční praxi (zejména BIM) však mohou poskytnout relativně levnou, efektivní a s ohledem na možnosti využití v podstatě univerzální platformu, na které bude možné získávat základní behaviorální data pro libovolnou budovu či strukturu, případně různé návrhy a varianty její cílového řešení. Tento přístup má potenciál proniknout do inženýrské praxe hned na několika úrovních, přičemž nejzásadnější je možnost zisku spolehlivých a robustních empirických dat o chování osob v prostředí bez nutnosti složitých a nákladných logistických opatření.

Ing. Jiří Apeltauer, Ph.D.
Ing. Ondřej Uhlík
doc. Mgr. Tomáš Apeltauer, Ph.D.
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta stavební

doc. RNDr. Petr Kubíček, CSc.
Masarykova univerzita
Přírodovědecká fakulta
Geografický ústav

ZDROJE

• Ronchi, Enrico & Kuligowski, Erica & Reneke, Paul & Peacock, Richard & Nilsson, Daniel. (2013). The Process of Verification and Validation of Building Fire Evacuation Models.
• Lord, J., Meacham, B., Moore, A., Fahy, R., Proulx, G. (2005). Guide for evaluating the predictive capabilities of computer egress models NIST GCR 06-886.
• Galea, E.R. (1997). University of Greenwich, Centre for Numerical Modelling and Process Analysis, Validation of evacuation models. CMS Press.
• Gwynne, S., Kuligowski, E., Nilsson, D. (2012b). Representing evacuation behavior in engineering terms. Journal of Fire Protection Engineering 22, 133 – 150.
• Schröder, Benjamin. (2017). Multivariate Methods for Life Safety Analysis in Case of Fire.
• Lovreglio, Ruggiero & Kuligowski, Erica & Gwynne, Steve & Boyce, K.E.. (2019). A Pre-Evacuation Database for Use in Egress Simulations. Fire Safety Journal. 105. 10.1016/j.firesaf.2018.12.009.
• Thompson, Peter & Nilsson, Daniel & Boyce, K.E. & McGrath, Denise. (2015). Evacuation models are running out of time. Fire Safety Journal. 78. 251 – 261. 10.1016/j.firesaf.2015.09.004.
• Ugwitz, P.; Šašinková, A.; Šašinka, Č.; Stachoň, Z.; Juřík, V. Toggle toolkit: A tool for conducting experiments in Unity virtual environments. Behavior Research Methods 2021, 53(4), 1 581 – 1 591.
• Kinateder, M.; Ronchi, E.; Nilsson, D.; Kobes, M.; Müller, M.; Pauli, P.; Mülberger, A. Virtual Reality for Fire Evacuation Research. In Federated Conference on Computer Science and Information Systems, Proceedings of the 1st Complex Events and Information Modelling at the Federated Conference on Computer Science and Information Systems, Warsaw, Poland, 2014; Krasuski, A.; Rein, G., Eds.; IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.: Piscataway, New Jersey, United States, 2014, pp. 313 – 321.
• Paradis, M. A.; Nicolas, T.; Gaugne, R.; Barreau, J. B.; Auger, R.; Gouranton, V. Making Virtual Archeology Great Again (without scientific compromise). The International Archives Of The Photogrammetry, Remote Sensing And Spatial Information Sciences 2019, XLII-2/W15, 879 – 886.
• Agić, A.; Murseli, E.; Mandić, L.; Skorin – Kapov, L. The impact of different navigation speeds on cybersickness and stress level in VR. Journal of Graphic Engineering and Design 2020, 11(1), 5 – 11.
• Veling, W.; Counotte, J.; Pot-Kolder, R.; van Os, J.; van der Gaag, M. Childhood trauma, psychosis liability and social stress reactivity: a virtual reality study. Psychological Medicine 2016, 46, 3 339 – 3 348.
• Kubíček, P., Stachoň, Z., Apeltauer, T., Apeltauer, J., Šašinka, Č., Snopková, D., et al. (2020). Testing the behavior of people in virtual and real environments – evaluation study [in Czech]. Brno.
• Arias, S., Mossberg, A., Nilsson, D., & Wahlqvist, J. A Study on Evacuation Behavior in Physical and Virtual Reality Experiments. Fire Technology 2021. https://doi.org/10.1007/s10694-021-01172-4
• Alcañiz, M.; Rey, B.; Tembl, J.; Parkhutik, V. A Neuroscience Approach to Virtual Reality Experience Using Transcranial Doppler Monitoring. Presence: Teleoperators And Virtual Environments 2009, 18(2), 97 – 111. Příspěvek vznikl v rámci projektu č. TL02000103 Kognitivní psychologie a prostorová syntaxe ve virtuálním prostředí pro agentní modely. Tento projekt je financován se státní podporou Technologické agentury ČR a Ministerstva dopravy v rámci Programu DOPRAVA 2020+.