Die Fähigkeiten von Computern und Computergrafik werden immer besser und entwickeln sich weiter. Was einst Science-Fiction war, wie das fotorealistische Echtzeit-Rendering, das heute in Videospielen üblich ist, oder die kostengünstige virtuelle Realität (VR), ist heute alltäglich. In dem Maße, in dem die Menschen diese Technologien in ihrem Privatleben erleben, steigt die Nachfrage und die Erwartung, dass Computersimulationen, die in Unternehmen oder Institutionen eingesetzt werden, ein ähnliches Maß an visuell ansprechendem Inhalt und Benutzererfahrung bieten. Diese Fähigkeiten tragen zur Akzeptanz und Nützlichkeit dieser Werkzeuge bei. In dieser Fallstudie werden ein Ansatz sowie Werkzeuge und Techniken vorgestellt, die zur Automatisierung und Verringerung des Ressourcenaufwands bei der Entwicklung dreidimensionaler (3D) Modelle einer großen Campusumgebung aus herkömmlichen zweidimensionalen (2D) CAD-Daten (Computer Aided Drafting) verwendet werden, die in der Computersimulation genutzt werden können.
Bei den National Institutes of Health (NIH), einer Bundesbehörde zur Unterstützung der biomedizinischen Grundlagenforschung, hat das Office of Research Services (ORS), Office of Quality Management (OQM), mehrere Computersimulationsmodelle implementiert, die eine verbesserte Notfallplanung und eine Verbesserung der kosteneffizienten Bereitstellung von ORS-Dienstleistungen für die NIH-Gemeinschaft ermöglicht haben. Diese Bemühungen sollen in ein ganzheitliches Campus Operations Decision Support (CODS)-Modell integriert werden, das eine flexible Plattform für das Verständnis und die Erprobung von Verbesserungen bei der Erbringung von Dienstleistungen in einer virtuellen Umgebung bieten wird.
Zusätzlich zu einer analytischen Komponente verwendet dieses Modell eine sehr visuelle Darstellung des NIH-Campus. Dies erhöht die Nützlichkeit der Simulation, da "die Anzeige grafischer Bilder des dynamischen Verhaltens eines Modells während der Ausführung es dem Benutzer ermöglicht, Fehler durch Sehen zu entdecken" (Bijl, Boer 2011). Der NIH-Campus besteht aus über 90 Gebäuden auf einer Fläche von 310 Hektar Land. Die Campus-Gebäude reichen von dem 242 Betten umfassenden, 3,2 Mio. Quadratmeter großen Clinical Center Complex bis hin zu den ersten NIH-Gebäuden aus den 1930er Jahren. Der Campus umfasst etwa 9.000 Parkplätze auf oberirdischen Flächen und in mehrstöckigen Gebäuden.
Die Schaffung dieser "virtuellen Welt" in einer Computersimulationsumgebung kann beträchtliche Ressourcen und Personalzeit in Anspruch nehmen. Die Fähigkeiten, die für einen effizienten und effektiven 3D-Modellierer erforderlich sind, unterscheiden sich erheblich von denen, die für einen effektiven Simulationsmodellierer notwendig sind. Organisationen mit einem großen Bestand an Einrichtungen, wie z. B. die NIH, verfügen häufig über herkömmliche 2D-CAD-Zeichnungen in Draufsicht für die Zwecke der Planung und des Raummanagements. Die CAD-Daten können in unterschiedlichem Maße mit Standards und bewährten Verfahren übereinstimmen, was eine effiziente Konvertierung in ein 3D-Modell behindern kann.
Bei der Entwicklung des CODS-Modells stellte OQM fest, dass eine 3D-Darstellung des Straßen-, Park- und Fußgängerverkehrsnetzes auf dem Campus, des Zugangs zum Campus für Mitarbeiter und Besucher sowie der Gebäudeaußenflächen einschließlich der entsprechenden Ein- und Ausgänge erforderlich ist. Darüber hinaus erforderten Teile des CODS-Modells eine Visualisierung der Innenräume der Campus-Gebäude mit einer minimalen Darstellung der Innenwände und -türen sowie der Art und Weise, wie sich die Nutzer durch den physischen Raum bewegen. Um diese Herausforderungen zu meistern, hat OQM verschiedene Werkzeuge, Techniken und Workflow-Methoden entwickelt, um diese 2D-CAD-Assets in 3D-Computersimulationen zu nutzen.
Leider gibt es keine allgemeingültige Methode" für die Konvertierung von 2D-CAD-Daten in 3D und die anschließende Verwendung in einem Simulationsmodell. Speziell für 2D-CAD gilt: "CAD-Layouts sind nur dann für die Modellerstellung geeignet, wenn ihre Konstruktion domänenspezifischen Konventionen folgt; die Konventionen können eine Vereinbarung zwischen dem CAD-Anwender und dem Konstrukteur des Simulationsmodells sein (Lorenz, Schulze 1995). Organisationen haben im Laufe der Zeit CAD-Assets angesammelt, und die Konformität mit Standards wird nicht immer in die Anforderungen integriert, wenn diese Assets entwickelt und aktualisiert werden.
Darüber hinaus sollte unterschieden werden zwischen der Konvertierung eines 2D-Plans in 3D für Visualisierungen oder virtuelle Begehungen in der ersten Person und der Nutzung der Daten und Informationen aus einer CAD-Zeichnung zur Verwendung in der Simulation als Entscheidungshilfe. Um die Simulation eines Grundrisslayouts für die Entscheidungsfindung nutzen zu können, ist nicht nur eine Visualisierung erforderlich, sondern auch eine Möglichkeit, auf die zugrunde liegenden Standortdaten und räumlichen Beziehungen der in der Visualisierung dargestellten Elemente zuzugreifen und diese zu nutzen.
Der allgemeine Ansatz zur Erstellung eines 3D-Innenraummodells in Simio umfasst 3 Hauptschritte. Zunächst wird das allgemeine Layout des Innenraums, einschließlich der Räume und Türen, als 3D-Modell erstellt. Im zweiten Schritt wird der Weg der Bewohner durch das Gebäude entwickelt. Schließlich werden diese Geometrien in die Simulationssoftware, in unserem Fall Simio, importiert, damit sie in der Computersimulation verwendet werden können. Ausgehend von den CAD-Grundrisszeichnungen der einzelnen Gebäude wurde mit Autodesk AutoCAD eine DATAEXTRACTION entwickelt, um die Raumbeschriftungen und die entsprechenden Koordinaten in eine Tabellenkalkulationsdatei zu exportieren. Es ist zu beachten, dass einige Campus-Gebäude 19 Stockwerke mit 400 Räumen pro Stockwerk haben. Diese Datei wurde bereinigt, nach "Stockwerken" sortiert und in einem kommagetrennten Format standardisiert. Eine benutzerdefinierte Trimble SketchUp-Erweiterung (Schritt 1) wurde entwickelt, um diese Informationen in eine SketchUp 3D-Zeichnung zu importieren.
Die Grundrissansichten wurden dann in SketchUp importiert und entsprechend ausgerichtet. Die Türen waren keine standardisierten CAD-Objekte in den zur Verfügung gestellten Zeichnungen. Daher wurde eine weitere SketchUp-Erweiterung (Schritt 2) entwickelt, um eine Vielzahl von standardisierten Türobjekten zu identifizieren und im SketchUp-Modell zu platzieren. Als Nächstes wurden die Planansichten mithilfe einer Vielzahl von SketchUp-Tools, -Techniken und -Plugins in saubere "Profile" umgewandelt. Zusätzlich zum Standard-Sketchup-Produkt wurden Trimble Extension Warehouse-Tools verwendet, darunter CleanUp, Edge Tools, Selection Toys und Architect Tools, die von Thomas Thomassen entwickelt wurden. Das Ziel dieser Übung bestand darin, die Zwischenräume innerhalb der CAD-Wandgeometrie mit SketchUp-Flächen" zu füllen und solide 2D-Polygone zu erstellen, die die Wandgeometrie darstellen. Dieser Schritt war bei weitem der zeitintensivste, aber durch die Verwendung dieser Techniken konnte eine relativ große Grundrissansicht (z. B. 400 Räume, 200.000 Quadratmeter) in 2-3 Stunden erstellt werden. Die 2D-Polygone wurden dann extrudiert, um eine grundlegende Darstellung der Innengeometrie in 3D zu erstellen.
Außerdem wurde ein grundlegendes Verkehrsnetz durch die Hauptkorridore des Gebäudes in SketchUp gezeichnet. Eine weitere Reihe von SketchUp-Erweiterungen wurde entwickelt, um die "Verbindung" dieser primären Wege mit Türen und Räumen im gesamten Gebäude zu automatisieren (Schritte 3-7).
Schließlich wurde diese Geometrie mit einer benutzerdefinierten SketchUp-Erweiterung (Schritt 8) in eine Tabellenkalkulationsdatei exportiert, in der die Objektdefinition, der Name und der Standort vermerkt wurden; und für die erzeugten Verbindungen wurden das Start- und Endobjekt und die Scheitelpunkte angegeben. Diese Daten wurden dann mit Hilfe eines von LOGIO bereitgestellten Add-Ins in ein Simio-Modell importiert.
Ähnliche Prozessschritte und Arbeitsabläufe werden für die Entwicklung der campusweiten Ansicht verwendet. Als Grundlage für die Gebäudeumrisse wurde eine campusweite CAD-Zeichnung verwendet. Die Masse jedes Gebäudes wurde anhand dieser Umrisse angenähert und relativ kleine Details auf der Grundlage physischer Beobachtungen hinzugefügt, um ein Gefühl für die Campusumgebung zu vermitteln. Der Campus und das umliegende Straßennetz sowie ein Teil des Fußgängernetzes wurden aus einer Kombination von NIH-Masterplanungsdokumenten und einer Abfrage von OpenStreetMap-Daten über Overpass Turbo gewonnen.
Mithilfe dieser Methoden konnte das Projektteam das Ziel erreichen, ein 3D-Modell zu erstellen, das einen ausreichenden Detaillierungsgrad für die Visualisierung und Simulation der Bewegung von Personen innerhalb einer NIH-Campuseinrichtung sowie der Personen- und Verkehrsbewegung in der Campusumgebung bietet. Die Workflow-Methoden und das SketchUp-API-Skripting nutzten die begrenzten Daten, die aus den 2D-Layouts zur Verfügung standen, um viele der zeitaufwändigen Wiederholungsschritte zu eliminieren, wenn die Modellfunktionen einzeln entwickelt werden mussten. Für den 3,2 Millionen Quadratmeter großen, 18-stöckigen NIH Clinical Center-Komplex, der modelliert wurde, führte dies zu einer Zeitersparnis von Hunderten von Stunden. Das Straßennetz des Campus konnte unter Verwendung von OpenStreetMap-Daten in wenigen Minuten erstellt werden und ist weniger fehleranfällig als die mehrtägige manuelle Nachzeichnung eines Luftbildes.
Im Laufe dieses Projekts wurde erkannt, dass die resultierenden SketchUp-Geometrien auch in vielen Spiel-Engine-Anwendungen verwendet werden können, die Physik, Kollisionserkennung und sowohl spielergesteuerte Avatare als auch Nicht-Spieler-Objekte umfassen. Obwohl die Techniken speziell für ein Simio-Modell entwickelt wurden, können viele der Techniken auch allgemeiner und generischer angewendet werden. Die SketchUp-Ruby-Skripte oder eine Variation davon können beispielsweise in Übereinstimmung mit den Trimble Extension Warehouse-Standards geschrieben und allen Sketchup-Benutzern zur Verfügung gestellt werden.
Organisationen des privaten Sektors, die an einer Zusammenarbeit oder Lizenzierung dieser Technologien interessiert sind, sollten sich mit den Autoren in Verbindung setzen. Entsprechende Vereinbarungen können über das NIH Office of Intramural Research, Office of Technology Transfer, getroffen werden.
Das OQM-Team möchte sich bei der Leitung der NIH und des ORS/ORF sowie bei den zahlreichen Mitarbeitern bedanken, die dieses Projekt unterstützt haben.