Van vrije trappen tot een volledig toernooi

Tijdens het UEFA EURO 2024-toernooi publiceerden we een artikel waarin we lieten zien hoe aangepaste Supercomponents in Simcenter Amesim kunnen worden gebruikt om een vrije trap in het voetbal te simuleren.

Voor het WK van dit jaar hebben we besloten om het concept een stap verder te brengen.

In plaats van één enkel schot te simuleren, hebben we een model ontwikkeld dat complete voetbalwedstrijden en een heel toernooi kan simuleren. Als laatste uitdaging hebben we de voorspellingen van het model ingediend bij de Femto Engineering World Cup-voorspellingscompetitie om te zien hoe het zou presteren ten opzichte van menselijke collega’s.

In dit artikel wordt uitgelegd hoe het model is opgebouwd en wordt gedemonstreerd hoe de flexibiliteit en aanpassingsmogelijkheden van Simcenter Amesim kunnen worden toegepast op uw eigen engineeringprojecten.

Het model opbouwen

Hoewel Simcenter Amesim (nog) geen voetbalbibliotheek bevat, kan vrijwel alles wat wiskundig kan worden beschreven, worden gemodelleerd met behulp van de Signal & Control-bibliotheek.

De eerste stap is het bepalen van de kans dat een team een doelpunt scoort. We vergelijken de aanvallende kracht van het ene team met de verdedigende kracht van de tegenstander. Aangezien voetbal nooit volledig voorspelbaar is, introduceren we ook een underdog-factor om willekeur weer te geven.

Door de underdog-factor (R) op 1 in te stellen, wordt de wedstrijd volledig willekeurig, terwijl een waarde van 0 betekent dat de uitkomst volledig afhangt van de statistieken van de teams. Hoe hoger R, hoe groter de kans op verrassende uitslagen.

We voegen een random number generator toe om elke seconde van de gesimuleerde tijd een willekeurig getal tussen nul en één te genereren. Wanneer de kans op een doelpunt voor een team lager is dan het willekeurig gegenereerde getal, tellen we een doelpunt bij hun score op.

Wedstrijdbeheer met een toestandsdiagram

Aangezien er in wedstrijden in de knock-outfase verlengingen kunnen zijn, hebben we een toestandsdiagram opgezet dat als scheidsrechter fungeert om het laatste fluitsignaal te bepalen.

Het toestandsdiagram bepaalt de fase van de wedstrijd op basis van de tijd en het puntenverschil (delta).

Er zijn drie scenario’s mogelijk:

· Geen verlenging
Het toestandsdiagram begint bij de eerste helft, gaat over naar de tweede helft wanneer de timer 45 minuten bereikt, en eindigt vervolgens bij 90 minuten

· Verlenging toegestaan – geen gelijkspel
Als verlenging is ingeschakeld, is de tak aan de rechterkant actief. Als het scoreverschil niet 0 is, vindt onmiddellijk de overgang naar het einde plaats.

· Verlenging toegestaan – gelijkspel
Wanneer de 90 minuten zijn bereikt en het scoreverschil gelijk is aan 0, vindt de overgang naar de eerste verlenging plaats. Daarna volgen de tweede verlenging en het laatste fluitsignaal.

De wedstrijdfase is een uitgangsvariabele van dit toestandsdiagram. De eindtijd van de simulatie is ingesteld op 120 minuten, maar als de wedstrijdfase gelijk is aan 5, wordt de simulatie vroegtijdig gestopt met behulp van de STOP0-component.

Amesim-app: Voor- en nabewerking

De voor- en nabewerking van het model vindt plaats in een op maat gemaakte app.
Met behulp van de App Designer met drag-and-drop-functionaliteit hebben we de grafische gebruikersinterface (GUI) gegenereerd.

De App Designer genereert voor ons het raamwerk van een Python-programma. Vervolgens hebben we dit uitgebreid met aangepaste functionaliteit, waaronder:

· Een functie die gebruikmaakt van het Python-pakket `requests` om statistieken van elk team op te halen via een online API. De gegevens worden lokaal in de cache opgeslagen om het aantal verbindingen met de API te beperken.

· Een functie die de parameters van het Amesim-model automatisch bijwerkt op basis van de keuzes die de gebruiker in de interface maakt.

· Vervolgens kan een functie worden aangeroepen om de simulatie x keer uit te voeren.

· Tot slot aangepaste nabewerkingsfuncties die de resultaten analyseren en visualiseren.

Aangezien er duizenden wedstrijden worden gesimuleerd, wordt alleen de eindscore van elke simulatie opgeslagen.

De resultaten worden verwerkt tot een verdeling in winst / gelijkspel / verlies en een histogram dat de frequentie van elke eindscore weergeeft.

Eindmodel

Als we alles samenvoegen, krijgen we een model dat op een leuke manier de flexibiliteit van Amesim laat zien.
Hier is de weergave van de WK-finale tussen Spanje en Argentinië, waarin het model een spannende wedstrijd verwacht, met een 1-0-overwinning voor Spanje als meest waarschijnlijke scenario.

Bij Femto hebben we het model de WK-voorspellingscompetitie op kantoor laten invullen; het behaalde een solide tweede plaats en versloeg daarmee op één na alle menselijke deelnemers.

Het Simcenter Amesim-model (versie 2604) vind je hier. Je mag het model gerust aanpassen voor toekomstige toernooien, experimenteren met verschillende voorspellingsstrategieën of het gewoon gebruiken als inspiratiebron voor je eigen projecten.

Belangrijkste punten

Simcenter Amesim is een krachtige simulatietool. Dankzij de uitgebreide catalogus met kant-en-klare fysische componenten is het mogelijk om een zeer breed scala aan technische problemen te simuleren en op te lossen, variërend van hydraulische besturingen en thermisch beheer van accu’s tot complete scheepsvoortstuwingssystemen en raketmotoren.

Zelfs als uw toepassing niet wordt gedekt door de standaardcomponentbibliotheken, biedt Simcenter Amesim de flexibiliteit om vrijwel elk model te bouwen. Zoals dit project laat zien, kunt u wiskundige modellen, aangepaste componenten, Python-code, toestandsdiagrammen en apps combineren om vrijwel elk dynamisch systeem te simuleren. In dit artikel hebben we gegevens uit een externe API gehaald, maar we zouden net zo goed gegevens kunnen opvragen uit een interne database of via een AI-chatbot naar keuze.

Als u geïnteresseerd bent in de Simcenter Amesim-software of in onze simulatiediensten, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.