PRZYGOTOWANIE DANYCH TERENOWYCH NA POTRZEBY SYMULACJI WIELOROZDZIELCZEJ

Transkrypt

1 Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe (31) nr 3, 2012 Jarosław KOSZELA Tomasz DROZDOWSKI Roman WANTOCH-REKOWSKI PRZYGOTOWANIE DANYCH TERENOWYCH NA POTRZEBY SYMULACJI WIELOROZDZIELCZEJ Streszczenie. W opracowaniu przedstawiono opis zakresu danych terenowych przygotowywanych dla symulatorów działających w systemie symulacji wielorozdzielczej. Takie systemy składają się z więcej niż jednego symulatora i służą do równoległej symulacji na wielu szczeblach. W wojskowych systemach symulacji wielorozdzielczej, jeden symulator może odpowiadać za działania wojsk na poziomie kompanii i batalionu, inny natomiast będzie odpowiedzialny za symulację starć pododdziałów na poziomie pojedynczego żołnierza lub pojedynczego pojazdu. Różne symulatory mogą odpowiadać za symulację różnych rodzajów wojsk. Budując takie systemy, napotykamy na szereg trudności, chociażby kwestie synchronizacji stanu symulacji pomiędzy symulatorami lub problem agregacji, dezagregacji danych (stanów) pomiędzy poziomami symulacji. Jednym z trudniejszych zadań jest pozyskanie i przygotowanie dla wszystkich symulatorów odpowiednich dla nich danych terenowych. Słowa kluczowe: symulacja, dane mapowe, VBS2, Złocień2 1. WSTĘP W przypadku systemów wielorozdzielczych bardzo ważne jest aby dane terenowe wykorzystywane przez symulatory na różnych szczeblach odpowiadały sobie w jak największym stopniu [7]. Określenie stopnia podobieństwa nie jest sprawą prostą, ze względu na częste różnice w zakresie informacyjnym modelu terenu stosowanego w różnych symulatorach. Oczywiste jest, że im wyższy poziom symulacji, tym dane terenowe muszą być w większym stopniu zagregowane, co czyni niemożliwym wytworzenie na ich podstawie danych terenowych dla niższych poziomów, które powinny być bardziej szczegółowe. W przeciwnym kierunku hierarchii takie przejście jest oczywiście możliwe. W procesie przygotowania danych dla symulatorów VBS2 i ZŁOCIEŃ2 zastosowano inne podejście. Teren dla obu symulatorów był generowany równolegle na podstawie tych samych danych geograficznych. Jedno źródło danych powinno umożliwić przygotowanie adekwatnych reprezentacji terenu dla symulatorów. Celem weryfikacji tej hipotezy przeprowadzono testy, polegające na generacji terenu dla symulatora ZŁOCIEŃ2, będącego symulatorem wyższego szczebla, na podstawie danych z symulatora VBS2. W dalszej części zaprezentowano symulatory ZŁOCIEŃ2 i VBS2, ze szczególną uwagą poświęconą modelom terenu w nich stosowanym. W dalszej części przedstawiono formaty danych terenowych, na podstawie których generowany był teren dla obu symulatorów. W skład opracowywanego w WAT systemu symulacji wielorozdzielczej wchodziły między innymi symulatory VBS2 i ZŁOCIEŃ2 komunikujące się ze sobą poprzez mechanizmy HLA. Pierwszy odpowiadał za symulację wybranych starć na poziomie dr inż. Jarosław KOSZELA, mgr inż. Tomasz DROZDOWSKI, dr inż. Roman WANTOCH-REKOWSKI Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

2 Jarosław KOSZELA, Tomasz DROZDOWSKI, Roman WANTOCH-REKOWSKI pojedynczego żołnierza i małych grup żołnierzy. Drugi natomiast odpowiadał za symulację od szczebla plutonu wzwyż. 2. SYMULATOR SZCZEBLA TAKTYCZNEGO VBS2 Symulator VBS2 jest symulatorem umożliwiającym symulację działań pojedynczego żołnierza lub pojazdu. VBS2 należy do klasy symulatorów wirtualnych z krokowym upływem czasu. Umożliwia on także symulację większych grup; plutonów, kompanii. Ograniczenia w zakresie maksymalnego szczebla symulowanych wojsk wynikają jedynie z ilości dostępnych zasobów dla symulatora, w szczególności pamięci operacyjnej. Na wyniki symulacji mają wpływ między innymi takie aspekty jak: pogoda, rodzaj użytej broni i amunicji, zmęczenie, wyszkolenie, morale, rozpoznanie. Symulator VBS2 umożliwia równoległy udział w symulacji wielu ćwiczących, zarówno współdziałających ze sobą, jak i działających po przeciwnych stronach konfliktu. W trakcie trwania symulacji administrator może na bieżąco modyfikować scenariusz dostosowując go do potrzeb szkoleniowych. Rozbudowane moduły edytora misji oraz analizy posymulacyjnej dopełniają funkcjonalność niezbędną do użycia VBS2 w szkoleniu wojsk. Dodatkowo VBS2 umożliwia rozbudowę swojej funkcjonalności poprzez dostępne API i bardzo elastyczny język skryptowy. Rys. 1. Scena z symulatora VBS2 w trakcie symulacji [5] Symulator VBS2 generuje trójwymiarowe zobrazowanie symulacji, co wymaga od formatu zapisu terenu w nim wykorzystywanego niezwykłej szczegółowości, która docelowo ma zapewnić użytkownikom symulatora pozytywne wrażenia. Teren w symulatorze VBS2 przechowywany jest w skompresowanych plikach.pbo. Zawartość pliku.pbo stanowią: plik z ukształtowaniem terenu.wrp, tekstury.png, pliki z opisem materiałów.rvmat, modele 3D obiektów występujących na mapie.p3d, skrypty i pliki konfiguracyjne.lbt,.cpp. Model terenu w VBS2 ma strukturę warstwową. Największą objętościowo i najważniejszą warstwą jest warstwa ukształtowania terenu, zawierająca siatkę punktów wysokościowych. Punkty siatki rozmieszczone są równomiernie, a odległość pomiędzy nimi określa dokładność odwzorowania terenu, efekt wizualny i determinuje objętość terenu w pamięci. Mapa VBS2 o rozmiarach 10 km x 10 km, z dokładnością 10 m zajmuje około 50MB pamięci.

3 Przygotowanie danych terenowych na potrzeby symulacji wielorozdzielczej Rys. 2. Fragment terenu w VBS2 z zaznaczonym podziałem na komórki [5] Na rysunku nr 2 widać punkty, tworzące siatkę punktów wysokościowych, rozmieszczonych co 10m. Na teren nałożona jest tekstura na podstawie zdjęcia satelitarnego, które przy takiej dokładności mapy ma dokładność 1 piksel na 1m. Na siatce punktów wysokościowych zbudowane są komórki terenu, które pełnią kluczową rolę w symulatorze, gdyż są wykorzystywane do wyznaczania dróg dla przemieszczających się obiektów; ich rogi mogą mieć przypisane dodatkowe atrybuty na przykład muzyka tła. Wykorzystywane są one w procesie wyznaczania kolizji pomiędzy obiektami. Kolejną warstwą jest tekstura nałożona na cały teren. Wykorzystywana jest głównie w sytuacji, kiedy obserwator znajduje się w dużej odległości, np. obserwator jest na pokładzie samolotu. Następna warstwa związana jest z pokryciem terenu. Określa ona na jakich obszarach znajdują się jakie rodzaje podłoża. Ma to znaczenie przy przemieszczaniu się pododdziałów, jak i przy wyświetlaniu terenu, gdyż rodzaj podłoża determinuje użycie konkretnej tekstury. Kolejną warstwą jest warstwa dróg, która podobnie jak pokrycie terenu tworzona jest na podstawie maski, najczęściej tworzonej na podstawie zdjęć satelitarnych. Warstwa dróg przed wyświetleniem na ekranie podlega jeszcze dodatkowej obróbce, zakręty są zaokrąglane, tworzone są skrzyżowania itp. Ostatnią warstwę tworzą obiekty terenowe, dla których - oprócz położenia i orientacji w przestrzeni - potrzebne są modele 3D. Symulator sam ostatecznie dokonuje umiejscowienia obiektu w terenie, dzięki czemu np. drzewa nie wiszą w powietrzu albo nie rosną pod ziemią. Obiekty takie jak budynki mogą posiadać modele wnętrz. Dodatkowo możliwe jest definiowanie interakcji z elementami obiektów co pozwala np. otwierać drzwi czy okna. Aktualnie VBS2 (wersja 1.6x) jest zdolny do obsługi terenu o wielkości 150km x 150km. Docelowo wielkość terenu ma być praktycznie nieograniczona, ze względu na wprowadzany mechanizm stronicowania tzw. multimap (pozwalający objąć obszar do 1000km x 1000km). Aktualnie głównym ograniczeniem dla wielkości terenu są zasoby komputera, na którym ma być prowadzona symulacja oraz 32-bitowa architektura symulatora. Bardzo ważnym aspektem wpływającym na wielkość terenu, jaką zdolny jest obsłużyć symulator jest sposób umieszczenia obiektów w terenie. Umieszczenie ich na stałe w terenie zmniejszy znacznie maksymalną wielkość terenu, ponieważ symulator na starcie ładuje cały teren do pamięci, dlatego też obiekty i drogi umieszcza się w plikach skryptowych, które ładowane są dynamicznie przez symulator w razie konieczności, dzięki czemu oszczędzamy zasoby komputera.

4 Jarosław KOSZELA, Tomasz DROZDOWSKI, Roman WANTOCH-REKOWSKI Rys. 3. Fragment terenu w VBS2 widziany z lotu ptaka [5] 3. SYMULATOR KONSTRUKTYWNY ZŁOCIEŃ2 Symulator ZŁOCIEŃ2 [6] jest symulatorem konstruktywnym, pozwalającym na symulację pola walki na szczeblach od kompanii do dywizji. Został on skonstruowany jako element systemu umożliwiającego prowadzenie wojskowych ćwiczeń wspomaganych komputerowo. System ten umożliwia szkolenie dowódców różnych szczebli poprzez symulację działań jednostek wojskowych, uwzględniając możliwości tych wojsk oraz warunki w jakich działają. Modele walki stosowane w systemie uwzględniają struktury i wyposażenia jednostek obu stron walczących, odwzorowują ubywanie sił i środków w wyniku walki, uwzględniają opóźnienia decyzyjne; bojowe i logistyczne zabezpieczenie działań; właściwości terenu, opisanego za pomocą mapy cyfrowej oraz wpływ warunków atmosferycznych na działania jednostek stron walczących; skutki rozpoznania lub jego braku; odzwierciedlają warunki niepewności; stan systemu łączności i dowodzenia oraz uwzględniają wartości parametrów uzbrojenia oraz wyszkolenie żołnierzy. W skład systemu wchodzą tak naprawdę dwa symulatory, współdzielące nazwę ZŁOCIEŃ2: symulator stochastyczny ze zdarzeniowym upływem czasu, uwzględniający interakcję użytkowników w trakcie symulacji oraz symulator deterministyczny z krokowym upływem czasu, który wykorzystywany jest do szybkiego symulowania sytuacji bojowych, bez możliwości interakcji użytkownika w trakcie symulacji. W trakcie symulacji przy wykorzystaniu symulatora stochastycznego wielu użytkowników może równolegle uczestniczyć w symulacji, zarówno jako ćwiczący, jak i jako obserwatorzy lub podgrywka. System umożliwia tworzenie własnych scenariuszy symulacyjnych. Posiada również wiele dodatkowych funkcjonalności, między innymi takich jak analiza wyników symulacji czy pomoc w podejmowaniu decyzji przez dowódcę, na podstawie bazy wiedzy.

5 Przygotowanie danych terenowych na potrzeby symulacji wielorozdzielczej Rys. 4. Fragment przykładowego scenariusza w symulatorze ZŁOCIEŃ2 [6] Teren w symulatorze ZŁOCIEŃ2 składa się z trzech składowych: podkładów rastrowych, sieci drogowej i sieci kwadratów. Wielkość odwzorowanego terenu w symulatorze ograniczona jest jedynie możliwościami języka JAVA i ilością pamięci komputera. Dzieje się tak dzięki temu, że teren nie jest w całości ładowany do symulatora przy jego starcie, a jedynie doczytywany i chwilowo zapamiętywany. Podkłady rastrowe używane są w symulatorze ZŁOCIEŃ2 jedynie do celów wizualizacyjnych i nie mają żadnego bezpośredniego wpływu na symulację. Powodem wykorzystania podkładów rastrowych jest fakt, że operatorowi symulatora łatwiej jest pracować na podkładzie rastrowym, niż na wewnętrznej reprezentacji terenu, zrozumiałej przez symulator.

6 Jarosław KOSZELA, Tomasz DROZDOWSKI, Roman WANTOCH-REKOWSKI Rys. 5. Przykładowy podkład rastrowy stosowany w symulatorze ZŁOCIEŃ2 Sieć drogowa w ZŁOCIENIU 2 wykorzystywana jest do symulacji przemieszczania się pododdziałów na duże odległości. Sieć ta składa się z odcinków drogowych i łączących je punktów. Odcinki drogowe nie są łamanymi i stanowią je tylko odcinki proste. Natomiast punkty połączeniowe to albo skrzyżowania, albo punkty łączenia się dwóch odcinków jednej drogi w punkcie, gdzie droga zmienia kierunek, albo miejsca, takie jak mosty, przepusty czy też końce drogi. Taki model sieci drogowej pozwala na duże uproszczenie procesu wyznaczania dróg dla pododdziałów, szczególnie w aspekcie wchodzenia na drogę i zjeżdżania z drogi w teren. Poniżej przedstawiono fragment pliku zawierającego opis punktów sieci drogowej. Każdy punkt scharakteryzowany jest poprzez współrzędne i określenie, czy jest mostem lub przepustem Poniżej przedstawiono fragment pliku z opisem odcinków drogowych. Każdy odcinek opisany jest poprzez identyfikatory jego końców, długość, parametry opisujące szerokość drogi, jej nawierzchnię i określenie, czy odcinek jest mostem. Zera w przypadku informacji o szerokości i nawierzchni oznaczają brak danych na ten temat

7 Przygotowanie danych terenowych na potrzeby symulacji wielorozdzielczej Rys. 6. Fragment sieci drogowej stosowanej w symulatorze ZŁOCIEŃ2 Na powyższym rysunku przedstawiono fragment sieci drogowej dla rejonu, który możemy zobaczyć na mapie rastrowej z rysunku nr 5. Z punktu widzenia symulacji walki pododdziałów najważniejszym elementem terenu w ZŁOCIENIU2 jest sieć kwadratów. Rejon działań dzielony jest na duże kwadraty, o boku 15 x 10.

8 Jarosław KOSZELA, Tomasz DROZDOWSKI, Roman WANTOCH-REKOWSKI Rys. 7. Obszar Polski podzielony na duże kwadraty Z kolei każdy duży kwadrat składa się z macierzy 83 x 93 mniejszych kwadratów. Dla szerokości geograficznej Polski daje to kwadraty o boku około 200m x 200m. Każdy duży kwadrat zapisany jest w osobnym pliku. Poniżej przedstawiono fragment pliku z opisem dużego kwadratu. Każda linijka opisuje jeden mały kwadrat. Kwadraty ułożone są w pliku wierszami, od lewego do prawego, z kolei wiersze ułożone są od mniejszej szerokości geograficznej do większej F 7F A8 A

9 Przygotowanie danych terenowych na potrzeby symulacji wielorozdzielczej Rys. 8. Przykładowy duży kwadrat podzielony na małe kwadraty Każdy mały kwadrat opisany jest czterema głównymi cechami: poziomem zabudowy, zalesienia, zawodnienia i zabagnienia, a także wysokością środka kwadratu nad poziomem morza, maksymalną różnicą wysokości w kwadracie, informacją o drogach, przeszkodach wodnych i rowach. Trzy ostatnie cechy to cechy kierunkowe, określające wystąpienie drogi lub przeszkody na określonym kierunku z perspektywy środka kwadratu. Rys. 9. Przykładowy mały kwadrat Na rysunku nr 9 widać mały kwadrat. Poszczególne słupki odzwierciedlają, w kolejności od lewej, wartości: poziomu zabudowy, zalesienia, zawodnienia i zabagnienia. Przedstawione odcinki oznaczają drogi oraz przeszkody wodne. 4. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono zagadnienie przygotowania danych mapowych na podstawie jednolitego źródła danych dla dwóch różnych symulatorów o różnej rozdzielczości symulacyjnej. W symulatorze wirtualnym VBS2 ważne było odwzorowanie pojedynczych obiektów, jak budynki, roślinność, elementy infrastruktury urbanistycznej oraz wysoka szczegółowość odwzorowania ukształtowania terenu. Dla symulatora konstruktywnego

10 Jarosław KOSZELA, Tomasz DROZDOWSKI, Roman WANTOCH-REKOWSKI Złocień2 wymagane było przygotowanie zagregowanych danych terenowych w postaci konfigurowalnych kwadratów (np.: 200m na 200m) zawierających: poziom zalesienia, stopień zabudowy, bagna oraz stopień pokrycia wodą. Na potrzeby realizacji algorytmów przemieszczania wymagane było opracowanie modeli sieci komunikacyjnych (np. drogi, mosty). Przedstawione w artykule rozwiązania zostały praktycznie wykonane i zastosowane do symulacji wielorozdzielczej działań konfliktowych. 5. LITERATURA [1] Antkiewicz R., Kulas W., Najgebauer A., Pierzchała D., Rulka J., Tarapata Z., Wantoch- Rekowski R.: Modelling and simulation of C2 processes based on cases in the operational simulation system for CAX, 1st Military Communication and Information System Conference MCC`2006, Gdynia, 2006, ISBN [2] Antkiewicz R., Kulas W., Najgebauer A., Pierzchała D., Rulka J., Tarapata Z., Wantoch- Rekowski R.:. Some aspects of designing and using deterministic and stochastic simulators for military trainings and CAX'es, Proceedings of the Military Communications and Information Systems Conference MCC 2008, ISBN , September 2008, Cracow, Poland. [3] Antkiewicz R., Kulas W., Najgebauer A., Pierzchała D., Rulka J., Tarapata Z., Wantoch- Rekowski R. Chmielewski M., Kasprzyk R., Koszela J.: Symulacyjny model działań bojowych szczebla operacyjnego i taktycznego, w: Badania operacyjne i systemowe a zagadnienia społeczeństwa informacyjnego, bezpieczeństwa i walki, PAN IBS, Warszawa, 2008, ISBN ,s [4] październik [5] październik [6] październik [7] Koszela J., Mańko M., Niedziela M., Ostap H., Tarnawski T., Preparation of terrain data for the needs of multi-resolution battle space simulation system, ISBN , TERRAIN DATA PREPARATION FOR MULTIRESOLUTION SIMULATION Abstract. The paper presents the problem of terrain data preparation for simulators working in the multi-resolution simulation system. Such systems consist of more than one simulator and are used to simultaneously simulate situation development on many levels. In the military grade multi-resolution simulation systems one simulator can be responsible for company or battalion size units activities and the other for determining the results of clashes between single soldiers or vehicles. Different simulators may serve to simulate Navy, Army or Air Force actions. A number of difficulties is encountered when systems of this kind are built, for instance problems with synchronization of simulation states between different simulators or a simulation state data aggregation/ disaggregation problems between simulators working on different levels of the simulation. One of the challenging tasks is to acquire and prepare an appropriate terrain data for all simulators. Key words: simulation, terrain data, VBS2, Zlocien2 W artykule wykorzystano wyniki projektu rozwojowego Nr O ROB /ID 1/3 finansowanego ze środków NCBiR pt.: Opracowanie nowoczesnych stanowisk szkoleniowych zwiększających skuteczność działań ratowników KSRG.