Game engines for assessment and safety training

Abstract

The safe evacuation of passenger ships is a major issue for the marine industry. Methods such as Evacuation Drills and Simulations have been tested. Τhey may provide reliable data, but their insufficient repeatability, their excessive cost, and their duration, reduces their value (Klüpfel et al., 2001; Johnson, 2006). Nevertheless, the evacuation drills provide reliable results, involving humans as evacuees, while introducing Human Behavior into the evacuation process. To overcome some of the previously mentioned issues, computerized Serious Games Evacuation Simulators have been proposed, although they usually do not allow the participation of human evacuees and their focus is the validation of existing models and safety standards, as well as the definition of the evacuation processes. This problem has been overcome with the development of 3D evacuation simulators, but most of them lack authentic human behavior in dangerous situations. In this work, it is proposed to alleviate these shortcomings by training the evacuees, and in this case the passengers of liner ships, by using the Unreal 4 Game Engine to develop a 3D Multiplayer Gamified Ship Evacuation Serious Game/Simulator with the name Ship Evacuation Simulator (SES). On top of the 3D multiplayer environment, the simultaneous participation of computer-controlled (bots) and human-controlled evacuees is implemented while Gamification and Edutainment principles are introduced, to motivate and immerse the users in the virtual environment and behave similarly to real evacuees. The model that implements Human Behavior, to the computer-controlled bots, is a combination of the Affiliation and the Protective Action Decision Models, whereas the Models that implement their movement are AI-based. The simulation sessions are conducted in a fully three-dimensional environment under the supervision of an administrator, while the users join as evacuees. An administrator sets up the options of every session and can intervene in real-time, spawning elements and events or changing variables of the simulation. SES constitutes a lightweight and flexible prototype framework for testing Passenger Ships on safety standards and for training purposes, which may be easily implemented to different ship types with minimal modifications, as a novel approach focused primarily on the particularities of Greek shipping, whereas it can be applied to any environment. This work is aspires to evaluate the Game Engines as development environments for the development of Evacuation Simulators, to validate the results by comparing the results of SES with real evacuation incidents and other experimental data, to estimate the effects of the concurrent participation of human players with computer-controlled bots, and to assess the application of SES to the marine industry, towards the training of passenger and the improvement of safety in sea travel, increasing the repeatability of the serious games/simulations, while maintaining a degree of realistic behavior. The study initially evaluates motion and behavior models in existing evacuation simulators. It is noted that there is a multi-year effort to develop simulators, but in recent years, there is a new dynamic with the development of 3D simulators, such as the VELOS and the EVA. Based on the above data, the Research Questions of the paper are posed. Could behavioral and movement elements be combined in an evacuation simulator? What is the impact of introducing human users into computerized evacuation simulators? What is the impact of the simultaneous participation of human users and computer-controlled bots? Could this increase realism and provide validated results? How could we motivate human participants to react realistically? Could Gamification be applied to the field of evacuation simulation? Based on the above Research Questions, this study evaluates the capability of modeling elements and phenomena observed in space evacuations, as well as evacuation factors and the application of Gamification. Once it is proven, that mathematical modeling, of the above-mentioned factors is possible, they can be integrated into applications and therefore into algorithms. Therefore, the method of developing discharge simulators and the factors and elements that should be included are described below. After describing the modeling of evacuation phenomena and the possibility of development using Games Engines, the development of SES is described. The conclusions describe the results of the experimental tests on the simulator and the discussion on the capabilities of Game Engines, for the development of Evacuation Simulators, the potential participation of human testers in virtual evacuations and the ability to train the participants on how easily this could be repeated multiple times (Repeatability).

Η αξιολόγηση της ασφάλειας των επιβατηγών πλοίων αποτελεί ένα από τα μείζονα ζητήματα για τις θαλάσσιες συγκοινωνίες. Μέθοδοι όπως οι προσομοιώσεις έχουν δοκιμαστεί στο παρελθόν, αλλά ενώ μπορεί να παρέχουν αξιόπιστα αποτελέσματα, λόγω της ανεπαρκούς επαναληψιμότητας τους, το υπερβολικό κόστος και την μεγάλη τους χρονική διάρκεια τους, υποβαθμίζει την αξία τους (Klüpfel et al., 2001; Johnson, 2006). Ωστόσο, οι ασκήσεις εκκένωσης παρέχουν αξιόπιστα αποτελέσματα καθώς επιτρέπουν την εμπλοκή ανθρώπων στην διαδικασία της εκκένωσης, εισάγοντας το στοιχείο της Ανθρώπινης Συμπεριφοράς. Για να ξεπεραστούν ορισμένα από τα προαναφερθέντα ζητήματα, έχουν προταθεί η ανάπτυξη Σοβαρών Παιγνίων/Προσομοιωτών εκκένωσης, αν και συνήθως δεν επιτρέπουν τη συμμετοχή ανθρώπων, ειδικά αν κοιτάξουμε τις εφαρμογές δισδιάστατων γραφικών. Αυτό το πρόβλημα έχει επιλυθεί εν μέρει με την ανάπτυξη Σοβαρών Παιγνίων/Προσομοιωτών εκκένωσης 3D, αλλά οι περισσότεροι από αυτούς δεν καταφέρνουν ή ενδιαφέρονται να ενσωματώσουν την αυθεντική ανθρώπινη συμπεριφορά σε επικίνδυνες καταστάσεις, πάνω σε bots που ελέγχονται από την εφαρμογή, ειδικά αν μελετήσουμε Δισδιάστατες εφαρμογές. Σε αυτήν την εργασία, προτείνεται να μετριαστούν ή εκμηδενιστούν αυτά τα μειονεκτήματα, εκπαιδεύοντας του επιβάτες επιβατικών πλοίων χρησιμοποιώντας την Unreal Game Engine για την ανάπτυξη ενός 3D Multiplayer Gamified Ship Evacuation Serious Game/Simulation (Ship Evacuation Simulator). Πέρα από το περιβάλλον πολλαπλών παικτών 3D, εφαρμόζεται η ταυτόχρονη συμμετοχή ελεγχόμενων από υπολογιστή (bots) και bots ελεγχόμενων από τον άνθρωπο και εισάγονται τα στοιχεία Gamification, για να παρακινήσουν και να “βυθίσουν” τους χρήστες στο εικονικό περιβάλλον, ώστε να συμπεριφέρονται φυσικά. Το μοντέλο που εφαρμόζει την Ανθρώπινη Συμπεριφορά είναι ένας συνδυασμός των Μοντέλων Αποφάσεων και Προστατευτικής Δράσης και των Μοντέλων που εφαρμόζουν την κίνηση των εξομοιωτών εκκένωσης βασισμένα στην Τεχνητή Νοημοσύνη. Οι συνεδρίες προσομοίωσης διεξάγονται σε ένα πλήρως τρισδιάστατο περιβάλλον υπό την επίβλεψη ενός διαχειριστή, ενώ οι χρήστες συμμετέχουν ως παίκτες. Ένας διαχειριστής ορίζει τις επιλογές κάθε προσομοίωσης και μπορεί να παρέμβει σε πραγματικό χρόνο, αναπαράγοντας στοιχεία και συμβάντα ή αλλάζοντας τις μεταβλητές της προσομοίωσης. Το SES αποτελεί ένα υπολογιστικά ελαφρύ και ευέλικτο πρωτότυπο για τη δοκιμή Επιβατηγών Πλοίων πάνω σε πρότυπα ασφάλειας και για εκπαιδευτικούς σκοπούς, με σκοπό την εκπαίδευση των επιβατών σε καταστάσεις εκκένωσης, αυξάνοντας την επαναληψιμότητα των εξομοιώσεων και διατηρώντας την ρεαλιστική συμπεριφορά των συμμετεχόντων. Αφορμή για την παρούσα έρευνα ήταν τα καταστροφικά ατυχήματα του Express (Samina Papanikolaou et al., 2004), του Costa Concordia (Giustiniano et al., 2016; Schröder-Hinrichs et al., 2012) και το Norman Atlantic (Vairo et al., 2017). Η ραγδαία ανάπτυξη της τουριστικού τομέα στην Ελλάδα, όπου επικεντρώνεται κυρίως σε νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές, οδήγησε σε έναν αριθμό ατυχημάτων σχετιζόμενα με αυτόν το τομέα. Σκοπός της ανάπτυξης του SES είναι η ανάπτυξη ενός Εξομοιωτή Εκκένωσης για βελτίωση της σχεδίασης και των κανόνων εκκένωσης, τον έλεγχο ασφάλειας την επιβατικών πλοίων και την εκπαίδευση πληρωμάτων και σωστικών συνεργείων.Η έρευνα αρχίζει με την αξιολόγηση υπαρχόντων μοντέλων κίνησης και συμπεριφοράς, υπό το πρίσμα υπαρχόντων εξομοιωτών εκκένωσης. Διαπιστώνεται ότι υπάρχει μία πολυετής προσπάθεια ανάπτυξης εξομοιωτών, αλλά τα τελευταία χρόνια έχει προχωρήσει η ανάπτυξη τρισδιάστατων εξομοιωτών, όπως το VELOS και το EVA. Με βάση τα παραπάνω δεδομένα τίθενται τα Ερευνητικά Ερωτήματα της εργασίας. Θα μπορούσαν τα στοιχεία συμπεριφοράς και κίνησης να συνδυαστούν σε προσομοιωτή εκκένωσης; Ποιος είναι ο αντίκτυπος της εισαγωγής ανθρώπινων χρηστών σε ηλεκτρονικούς προσομοιωτές εκκένωσης; Ποιος είναι ο αντίκτυπος της ταυτόχρονης συμμετοχής ανθρώπινων χρηστών και bots που ελέγχονται από υπολογιστή; Μπορεί να αυξήσει τον ρεαλισμό και να παρέχει επικυρωμένα αποτελέσματα; Πώς μπορούμε να παρακινήσουμε τους ανθρώπους-συμμετέχοντες να αντιδρούν ρεαλιστικά; Θα μπορούσε η εφαρμογή του Gamification να εφαρμοστεί στο πεδίο της προσομοίωσης εκκένωσης; Βασισμένη πάνω στα Ερευνητικά Ερωτήματα, η έρευνα αξιολογεί την δυνατότητα μοντελοποίησης στοιχείων και φαινομένων, που παρατηρούνται σε εκκενώσεις χώρων, όπως και παραγόντων εκκένωσης και εφαρμογής του Gamification. Αφού έχει εκτιμηθεί ότι είναι δυνατή η μαθηματική μοντελοποίηση των παραπάνω παραγόντων, μπορούν να ενσωματωθούν σε εφαρμογές και συνεπώς σε αλγορίθμους. Επομένως, στην συνέχεια περιγράφεται η μέθοδος ανάπτυξης εξομοιωτών εκκένωσης και οι παράγοντες και τα στοιχεία που πρέπει να περιληφθούν. Αφού περιγράφεται η μοντελοποίηση των φαινομένων εκκένωσης και η δυνατότητα ανάπτυξης με την χρήση Μηχανών Παιχνιδιών (Games Engines), περιγράφεται η ανάπτυξη του SES, με τα χαρακτηριστικά που περιγράφονται παραπάνω. Τα συμπεράσματα περιγράφουν τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών στον εξομοιωτή και την συζήτηση πάνω στην δυνατότητα των Game Engines, για την ανάπτυξη Εξομοιωτών Εκκένωσης και στην δυνατότητα της συμμετοχής ανθρώπων σε εικονικές εκκενώσεις χώρων και την δυνατότητα της εφαρμογής να εκπαιδεύσει τους συμμετέχοντας και αυτό να επαναληφθεί πολλές φορές (Επαναληψιμότητα).