Der Ausbildung von Feuerwehrmännern/-frauen, Rettungskräften oder Ersthelfern sind schnell Grenzen gesetzt, wenn es sich um größere Schadenslagen oder kritische Bereiche handelt, in denen Übungen kaum abgehaten werden können. Auch Übungen, in denen eine Gefährdung der Teilnehmer nicht auszuschließen ist, sind nur schwierig durchzuführen. Hier können neue Ausbildungsmethoden hilfreich sein, in denen graphische Simulationen zum Einsatz kommen. Dieser Artikel versucht, hierzu einen Überblick zu geben.

Graphische Simulation

Eine Simulation versucht mit einem Modell einen real vorkommenden Ablauf nachzubilden.
Je besser das Modell ist, desto besser kann der Ablauf dargestellt werden. Nutzt man hierzu Computergraphik, um errechnete Daten darzustellen, spricht man von graphischer Visualisierung. Der Nutzer kann interaktiv in das Geschehen der graphischen Simulation eingreifen.
Unter Serious Games versteht man den Aufbau von Lernumgebungen mit Hilfe der Funktionalität von game engines.
In einer typischen 3D Simulation wird der Versuch unternommen, die vom Menschen tatsächlich wahrgenommene Realität bestmöglich nachzubilden. Hierbei denkt man zunächst an eine möglichst realistische und glaubwürdig graphische Darstellung des Realen („photorealistisch“), der Abläufe und des Verhaltens von virtuellen Personen.
Im Bereich eher technischer Simulationen spielt dagegen vielfach die Nachbildung des Systemverhaltens die dominante Rolle, wie z. B. beim Einsatz einer Drehleiter.
Sind nun solche Techniken für die Ausbildung von Einsatzkräften geeignet? Die Ausbildungs- und Lehrpläne auf Basis der Feuerwehrdienstvorschriften umfassen verschiedene Bereiche, wie die Vermittlung von Faktenwissen, das Erlernen von Strategien, das Erkunden von Szenen, das Geben von Einsatzbefehlen, das Erlernen von Handeln unter Stress oder das Handhaben von komplexen technischen Werkzeugen.
In vielen Bereichen ist die aktuell praktizierte Ausbildung sinnvoll: Ein Hitzeempfinden kann kaum sinnvoll simuliert, jedoch dagegen in einem Brandhaus erfahren werden.
Auch das Handhaben von Gerätschaften muss in der Praxis geübt werden.
Es stellt sich allerdings die Frage, welche Bereiche bisher wegfallen mussten? Hier kann die graphische Simulation eine wertvolle Ergänzung bieten.
Betrachtet man den Ausbildungsbereich, der Planübungsplatten einsetzt, so wären die folgenden Bereiche denkbar: Übungen könnten in großräumigen Umgebungen, wie Tunneln, Krankenhäusern, Kraftwerken oder Industriebetrieben stattfinden. Strategiebasierte Inhalte in größere Umgebungen könnten vermittelt werden. Übungen mit Gefahrstoffen sind problemlos möglich. Auch die Interaktion mit simulierten Menschen wie Verletzten, Zeugen etc. ist denkbar, ohne auf Schauspieler zurückgreifen zu müssen.
Sinnvoll wäre der Aufbau von Ausbildungskonzepten unter Einbeziehung von e-learning und graphischer Simulation.
Die Königsklasse aller 3D Simulationen sind Flugsimulatoren. Alle Airlines trainieren hierzu mit ihren Piloten kritische Situationen. Auch das Militär setzt verstärkt auf vernetzte 3D Simulationen, um Soldaten auszubilden. Ein Akzeptanzproblem gibt es in diesen Bereichen nicht.
Im Folgenden werden Einsatzkonzepte und Anwendungsbereiche erläutert.

Einbindung realer Gegenstände in die Simulation

Der zu handhabende Gegenstand (Feuerlöscher, Strahlrohr) kann real gegriffen und benutzt werden. Die Funktionalität wird simuliert, der Benutzer und Gegenstand in eine graphische Szene eingebettet.
Das Training mit einem virtuellen Feuerlöscher findet man bei BTS (www.bts-uk.com/pdfs/Pages11-12FireExtinguisherTraining.pdf) oder Ingenieurbüro Gersthofer (www.feuersimulator.com). Ein modifizierter Feuerlöscher kann in die Hand genommen und ein virtueller Brand gelöscht werden. Mittels verschiedener Szenen kann das Löschen vom Bürobrand bis zum Feuer am Arbeitsplatz geübt werden. Zielgruppe sind die arbeitenden Personen vor Ort, also der Bereich des vorbeugenden Brandschutzes (Abb. 2).

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Nutzen von Fotos und Overlaytechnik

Die Erstellung von 3D Modellen und Szenen ist sehr aufwändig und teuer. Die unter www.commandsim.com, www.fireengineering.com/training/fire-simulations.html und www.action-training.com zu findenden Systeme setzen daher auf den Einsatz von Fotos. Diese können schnell und landes-/ortstypisch erstellt werden. Sie geben den Einsatzort graphisch bestmöglich wieder. Mit Hilfe von Overlayelementen wie der animierten Darstellung von Rauch und Feuer bindet man Animation in die Szene mit ein. Mittels einer GUI Steuerung kann eine photobasierte pseudo-3D Navigation erreicht werden. Eine Medienbibliothek hilft bei der Erstellung von Szenen. Per Tasteneingabe ist eine Änderung der Lage bzw. Situation möglich. Je nach Software werden sogar Sensoren simuliert. Als Hardware sind normale Computer im Einsatz, die Programme laufen in Browsern oder auf mobilen Geräten.
Die verfügbaren Programme sind kostengünstig und werden von Feuerwehrangehörigen als Autoren genutzt. Ein interessanter Aspekt ist die Erstellung von Trainingsfolien als visuelle Ergänzung für den traditionellen Unterricht.

Virtuelle Welten im Internet

Die Idee dieser Systeme liegt im Nutzen bestehender virtueller Welten. Unter www.firstresponder-sl.org/training.html findet man eine Trainingsumgebung für die Feuerwehrausbildung integriert in Second Life.

Visualisierung

Viele Simulationen nutzen sogenannte Partikelsysteme, um Feuer und Rauch darzustellen. Hiermit können visuell überzeugende Effekte erzeugt werden. Ein reales Feuer kann damit aber nicht simuliert werden.
Dies ist das Gebiet der Brandsimulation. Hier kommen komplexe Modelle sowie physikalische und chemische Gleichungssysteme zum Einsatz. Typischerweise erfolgen Strömungsberechnungen, um das reale Brandgeschehen nachbilden zu können.
Derartige Systeme eignen sich zur Visualisierung und zur Beantwortung typischer Fragen:

    • Wie sieht ein Brand aus?
    • Wie wird er sich ausbreiten?
    • Was wäre, wenn folgendes Löschmittel/folgende Löschstrategie verwendet würde?
    • Wie viel Zeit habe ich tatsächlich, um den Brand zu bekämpfen?

Software in diesem Bereich bieten u. a. FDS (www.nist.gov/fire/training.cfm) oder SMARTFIRE (www.fseg.gre.ac.uk/smartfire).

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3D Simulationssysteme

Die wohl umfangreichsten Möglichkeiten bieten 3D Simulationssysteme. Der Auszubildende befindet sich in einem 3D Szenario, in dem er sich frei bewegen und Handlungen durchführen kann. Geräte können eingesetzt und ihre Auswirkungen erfahren werden.
Aus Bibliotheken können verschiedene Situationen geladen werden. Durch die Einbindung von 3D Modellen, Animationen sowie Feuer, Rauch, Wetter und Tageszeit sind den Inhalten kaum Grenzen gesetzt.
Anbieter kommerzieller Pakte sind u. a: Esemble (www.e-semble.com), www.trainingfordisastermanagement.com mit ADMS, Flamesim (www.flamesim.com) oder Vstep (www.vstep.nl).
Ein Nutzer kann mit Hilfe eines Szeneneditors eine eigene Simulation erschaffen. Man kann kaufbare Szenen laden oder die Erstellung komplexer spezifischer Modelle (z. B. Mont Blanc Tunnel) in Auftrag geben.
Die Interaktion zwischen Ausbilder und Auszubildendem ist möglich. Je nach Aktionen kann der Trainer Ereignisse auslösen und damit eine Änderung der Szene bewirken. Alle denkbaren Ereignisse sind verfügbar: Unfälle, Großschadenslagen, Brände, etc.
Eine Zusammenarbeit eines Teams wird über Netzwerkfunktionen ermöglicht, die Integration intelligenter simulierter Menschen erlaubt aber auch ein Einzeltraining.
Die Systeme erlauben eine Nachbesprechung durch Logging- und Replayfunktionen. Insbesondere die Wahl von Wettersituationen, der Jahreszeit sowie der Tag- bzw. Nachtzeit erlauben Trainings zu normalen Arbeitszeiten.
Ein interessantes Beispiel ist das Programm ViSTIS® – Training auf einem virtuellen Schiff, hergestellt von THKMS Blohm Voss und Partner.

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Serious Games / Game Engine basierte Systeme

Seit einiger Zeit wird im Bereich der Simulationssysteme der Begriff ‚Serious Game’ diskutiert. Dahinter verbirgt sich die Idee, Software, mit denen Computerspiele erstellt werden, für den Aufbau von Simulationssystemen zu nutzen. Netzwerke, wie z. B. www.seriousgames-berlin.de bieten Entwicklern hierfür eine Plattform.
Es gibt aber auch den Trend, dass Spielefirmen, wie z. B. der Marktführer im Bereich Feuerwehrspiele www.serious-games-solutions.de (Emergency Reihe) den Aufbau einer Lernplattform vorbereiten. Diese Firmen haben zahlreiche Feuerwehrleute als Kunden und eine lebhafte Community.
RT-Immersive (www.rt-immersive.com) zeigt, welcher Grad an Realismus in Echtzeit heute möglich ist.
Quantum3d (www.quantum3d.com) entwickelt Software für den militärischen Bereich, aber auch für die Ersthelferausbildung. Die Software enthält Komponenten, wie motion tracking, Head Mounted Displays (HMD) und integrierte taktische Computer.
Anwendungen, wie das Löschen von Waldbränden, findet man u. a. bei www.firehouse.com/article/10463644/wildfire-simulation-technology-part-1.
Im Hinblick auf das Erstellen interaktiver graphisch ansprechender Inhalte bieten Game Engines eine enorme Leistungsfähigkeit. Die Entwicklung wird zudem vorangetrieben vom Spielemarkt und den immer leistungsfähiger werdenden Graphikkarten, die zudem preisgünstig zur Verfügung stehen. Die Nutzung in anderen Bereichen ist daher eine sinnvolle Angelegenheit.

KATIE

  • Das Projekt KATIE (www.katie-katastrophensimulation.de)
  • Katastrophen, Brände, Überflutung, ABC, …
  • Avatare, ich-in-der Szene, andere Personen
  • Technik, Gerätschaften, Fahrzeuge, Physik
  • Intelligenz, Regeln, Abläufe
  • Environment, Szenen, Brunnenschacht, Haus, Straße bis Landschaft versucht, die Bereiche graphische Simulation, Ausbildung und eigenes Training zu kombinieren. Viele der oben angesprochenen Komponenten stehen zur Verfügung.
  • Teilprojekt eTruppmann
  • Im Teilprojekt eTruppmann wird zusammen mit dem Kreisfeuerwehrverband Fulda eine virtuelle Ausbildungsmöglichkeit für einzelne Feuerwehrkräfte oder für eine Gruppe geschaffen.
  • Ziele sind die Einsparung von Präsenzzeit vor Ort und eine Unterstützung der Ausbildung des Löscheinsatzes nach der FwDV3 durch eine e-learning Umgebung zur Wissensvermittlung sowie 3D-Szenen zur Visualisierung und 3D-Szenen zum interaktiven Üben.

Teilprojekt Ersthelferausbildung

Im Teilprojekt Ersthelferausbildung soll die Ausbildung von Ersthelfern unterstützt werden. In die einzelnen Szenen können Verletzte integriert werden. Diese weisen typische Verletzungen auf, wie Sie bei Bränden oder Unfällen auftreten. Ersthelfer können Maßnahmen, wie Erstversorgung, Entfernen durch Tragegriffe, stabile Seitenlage und Lagerung durchführen. Auch Wiederbelebungsmaßnahmen, wie Atemspende oder Herzmassage sind möglich.
Der simulierte Verletzte verfügt über ein grobes internes Vitalsystem. Wird z. B. eine stark blutende Wunde nicht ausreichend versorgt, zeigt der Verletzte die Symptome eines Sterbenden.
Alle 3D Szenen können zudem voll immersiv in der CASCAVE erlebt werden.
Fazit
Der Einsatz graphischer Simulation ist eine wertvolle Komponente beim Training von Feuerwehrleuten. Der Artikel zeigt die unterschiedlichsten Ansätze auf, die in die aktuelle Ausbildung einfließen könnten. Interessierte seien zudem auf den jährlich stattfindenden Virtual Fires Kongress (www.virtualfires.de) verwiesen, der die aktuelle europaweite Entwicklung in diesem Gebiet wiedergibt.
Die hier verwendeten Bilder stammen aus verschiedenen Teilprojekten des Projektes KATIE. Der Dank geht hier an alle Studierende und Mitarbeiter der Universität Kassel, die an diesem Projekt mitgearbeitet haben.

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Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr.-Ing Dieter Wloka, M.Eng
Universität Kassel
Fachgebietsleiter
Fachbereich 16 Elektrotechnik/Informatik Fachgebiet Technische Informatik
Wilhelmshöher Allee 73
34121 Kassel
Tel.: 0561 / 804-6335
Fax: 0561 / 804-6003
E-Mail: wloka@inf.e-technik.uni-kassel.de

Prof. Dr.-Ing. Dieter Wloka
geb. am 19. Januar 1955 in Görlitz

  • 1981: Beginn seiner Auseinandersetzungen mit der Computergraphik bei einem Aufenthalt an der McGill University, Montreal
  • Er begann seine Laufbahn im Bereich Simulationen auf dem Gebiet der graphischen Simulation von Robotern. Paketentwicklung „ROBSIM“.
  • Einführung der Spacemouse als 3D Eingabegerät in der Computergraphik gemeinsam mit der DLR.
  • Seit 1993: Vertreter des Fachs Technische Informatik an der Universität Kassel.
  • Leitung des BMBF-Projekt „RMS – Radfahren mit Multimediasoftware“ gemeinsam mit Partnern, wie der Bundesanstalt für Straßenverkehr (BAST), dem RWTÜV sowie Fachexperten im Bereich Verkehrserziehung. Die entwickelte Software wurde bei mehr als 400 deutschsprachigen Schulen europaweit eingesetzt.
  • Das Fachgebiet betreibt als Vertriebsplattfom die Seite: www.e-brandschutz.de
  • Hier werden e-learning Kurse vermarktet.
  • Aktuell initiiert das Fachgebiet das Projekt KATIE, welches erstmals auf der Interschutz 2010 der Fachwelt vorgestellt wurde.