Potrzeba kreacji i modelowania dla symulatorów kabinowych

MERKISZ Jerzy 1 ORSZULAK Bartosz 2 NIEZGODA Michał 3 KAMIŃSKI Tomasz 4 KRUSZEWSKI Mikołaj 5 Potrzeba kreacji i modelowania dla symulatorów kabinowych WSTĘP Zintensyfikowany rozwój technologiczny coraz bardziej wpływa na życie ludzkiej. Poprzez ciągły, systematyczny i prawdopodobnie nieodwracalny rozwój elektroniki, mechaniki, czy też powiązanej informatyki człowiek staje się uzależniony od nowoczesnych, łatwiejszych i lepszych rozwiązań. Jednym z taki nowych dziedzin są szkolenia na symulatorach kabinowych, które w przypadku lotnictwa są na dzień dzisiejszy szeroko stosowane do tego stopnia, iż można uzyskać godziny stażowe lub nawet całą licencje pilota odbywając praktykę wyłącznie na symulatorze samolotu. Przykład ten obrazuje jak bardzo istotne staje się zastosowanie nowoczesnych metod szkolenia w życiu codziennym, gdzie osoba po szkoleniu ma się stać odpowiedzialna w szczególności za mienie oraz bezpieczeństwo związane z transportem. W dniu dzisiejszym dotyczy to prawdopodobnie każdego wielkogabarytowego środka transportu takich jak samoloty, statki, łodzie podwodne, promy kosmiczne, czy też specjalistycznych pojazdów drogowych, o których głównie będzie mowa w tym artykule. Artykuł ma na celu przybliżenie czytelnikowi czym są obecne symulatory oraz główne powody dlaczego występuje potrzeba kreacji i modelowania na przykładzie symulatorów kabinowych pojazdów osobowych. Przedstawiona tematyka została podzielona na zagadnienia: tworzenie obiektów, tworzenie scenariuszy. Przedstawiana w tytule artykułu kreacja odnosi się do tworzenia przebiegu realizowanego scenariusza w świecie wirtualnym. Stanowi to w innych słowach fabułę oraz główny sens przeprowadzanych fabuł oraz szczegółowych zadań na symulatorach, dzięki którym jest możliwe szkolenie czy też wykonywanie powtarzalnych badań naukowych. Natomiast potrzeba modelowanie odnosi się do statycznych oraz dynamicznych obiektów stanowiący ich odpowiedniki w rzeczywistości. Niejednokrotnie życie tworzy najlepsze scenariusze oraz wykazuje pole niedoskonałości, które jest odwzorowane w symulacjach, a nie odwrotnie. Artykuł jest zebraniem doświadczeń i wiedzy jednostek naukowo-badawczych Instytutu Silników Spalinowych i Transportu na Politechnice Poznańskiej oraz Instytutu Transportu Samochodowego w Warszawie. 1. WYSOKIEJ KLASY SYMULATORY JAZDY W świetle zapisów Dyrektywy UE 2003/59 kierowcy, którzy uzyskają prawo jazdy kategorii D1 i wyższej po 10 września 2008 r., a także kierowcy, którzy uzyskają prawo jazdy kategorii C1 i wyższej po 10 września 2009 r., mogą być zatrudnieni jako kierowcy zawodowi po przystąpieniu 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 665 22 07, Fax: + 48 61 665 22 04, jerzy.merkisz@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 224 45 05, Fax: + 48 61 665 22 04, bartosz.w.orszulak@doctorate.put.poznan.pl 3 Instytut Transportu Samochodowego, Centrum Zarządzania i Telematyki Transportu; 03-301 Warszawa, ul. Jagiellońska 80 Tel: + 48 22 43-85-127, Fax: + 48 22 43-85-401, michal.niezgoda@its.waw.pl 4 Instytut Transportu Samochodowego, Centrum Zarządzania i Telematyki Transportu; 03-301 Warszawa, ul. Jagiellońska 80 Tel: + 48 22 43-85-129, Fax: + 48 22 43-85-401, tomasz.kaminski@its.waw.pl 5 Instytut Transportu Samochodowego, Centrum Zarządzania i Telematyki Transportu; 03-301 Warszawa, ul. Jagiellońska 80 Tel: + 48 22 43-85-405, Fax: + 48 22 43-85-401, mikolaj.kruszewski@its.waw.pl 1034

i ukończeniu tzw. kwalifikacji wstępnej. Szkolenie to polega na ukończeniu zajęć teoretycznych w wymiarze 260 godzin oraz praktycznych, w wymiarze 20 godzin i pozytywnym zaliczeniu egzaminu. Ponadto maksymalnie 8 godzin z 20 zajęć praktycznych powinno odbywać się w warunkach szczególnych (autodrom) lub na wysokiej klasy symulatorze jazdy. Obecnie obowiązujące przepisy prawa zmniejszyły wymiar godzinowy kwalifikacji wstępnej. Symulator umożliwia jazdę samochodem ciężarowym, autobusem, samochodem osobowym lub pojazdem specjalnym, w specjalnie do tego przygotowanym środowisku symulacyjnym. Symulatory są przykładem zastosowania wirtualnej rzeczywistości, w której kierowca może w sposób bezpieczny dla siebie i otoczenia wykonywać czynności, których wykonanie w warunkach rzeczywistych mogłoby być niebezpieczne. Podczas prowadzenia wirtualnego samochodu/autobusu kierowca wykonuje zwykłe czynności, typowe dla prowadzenia pojazdu. Oprogramowanie symulatora, zawierające matematyczny model ruchu pojazdu i zakłóceń, jakie zaburzają przebieg jazdy (warunki pogodowe, drogowe i awarie podzespołów pojazdu). Wysokiej klasy symulator jest wyposażony w kabinę rzeczywistego pojazdu, układ projekcji obrazu i układ ruchu. Kabina jest przystosowana do prowadzenia symulacji, tzn. jest wyposażona w lusterka wsteczne (najczęściej w postaci monitorów LCD), siłowniki generujące opór na kole kierownicy, a także urządzenie symulujące pracę skrzyni biegów. W niektórych typach symulatorów obraz z lusterek wstecznych jest wyświetlany bezpośrednio na ekranie symulatora. Obraz, widziany przez kierowcę, może być wyświetlany bezpośrednio na szybach kabiny symulatora, lub na zewnętrznym ekranie. Obraz jest wyświetlany przy użyciu zestawu rzutników multimedialnych. Układ ruchu symulatora stanowi platforma o 3-ech lub 6-ciu stopniach swobody. W symulatorach szkoleniowych wystarczające jest zastosowaniu 3-ech stopni swobody, mimo że krajowe przepisy w tym zakresie zaostrzyły ten wymóg. Platforma jest zbudowana z siłowników, które są zdolne do poruszania kabiny symulatora wraz ze znajdującym się w nim kierowcą. Przykładem układu ruchu może być platforma Stewarta. Instytut Transportu Samochodowego wykorzystuje, w celach badawczych, dwa wysokiej klasy symulatory AS-1300 (symulator samochodu ciężarowego i autobusu) i symulator AS-1200-6 (symulator samochodu osobowego). Symulator AS 1300 firmy AutoSim został zbudowany z wykorzystaniem kabiny rzeczywistego samochodu ciężarowego Scania. Natomiast w symulatorze samochodu osobowego użyto kabiny samochodu Opel Astra V. Umożliwia on również symulowanie jazdy autobusem. Obywa się to poprzez zmianę modelu ruchu i wyświetlanego na ekranach monitorów modelu pojazdu. Panoramiczny, półokrągły ekran o kącie poziomym ponad 180, stanowi tzw. konstrukcję bezszwową, tzn. nie zawiera widocznych dla użytkownika połączeń poszczególnych elementów konstrukcyjnych. Obraz jest wyświetlany przez cztery przemysłowe rzutniki multimedialne. Większa niż w innych symulatorach odległość ekranu od oczu kierowcy i dostatecznie duże rozmiary ekranu sprawiają, że wyświetlany obraz jest bardzo realistyczny, a jego krawędzie nie są widoczne z fotela kierowcy. Efekt ten uzyskano dzięki zastosowania ekranu o promieniu 3m, oddalonego od oczu kierowcy o ponad 1,8 m. Rozdzielczość głównego ekranu jest równa 1024 x 768 punktów. Lusterka wsteczne zastąpiono dwoma ekranami LCD. Minimalna częstotliwość odświeżania obrazu, która może występować w przypadku znacznej liczby uczestników ruchu i wielu obiektów statycznych, jest większa niż 30 Hz. Symulator umożliwia zmianę parametrów modelu pojazdu, a także zmiany warunków oświetlenia drogi i warunków pogodowych, w tym symulowanie opadów atmosferycznych, mgły, zmianę intensywności i kierunku wiatru. Ruch kabiny symulatora AS-1300, w trzech ortogonalnych kierunkach, zapewniają cztery silniki krokowe wysokiej mocy. Kabina jest również wyposażona w generator drgań umożliwiający generowanie efektów towarzyszących prowadzeniu pojazdu po nierównej drodze, czy też drgań generowanych przez układ napędowy pojazdu i turbulencje związane z ruchem pojazdu w masie 1035

powietrza. Realistyczne efekty dźwiękowe są generowane przez czterokanałowy zespół głośników. Generator dźwięku symulowanego pojazdu i dźwięku z innych źródeł uwzględnia efekt Dopplera. Rys.1. Symulator AS-1300 2. TWORZENIE OBIEKTÓW Jedną z najważniejszych elementów dla kreacji i modelowania dla symulatorów kabinowych jest możliwość wstawiania oraz tworzenia nowych obiektów na potrzeby planowanych scenariuszy. Symulatory kabinowe będące na wyposażeniu Instytutu Siników Spalinowych i Transportu oraz Instytutu Transportu Samochodowego, były wyprodukowane na zamówienie wcześniej wspomnianych jednostek naukowych przez firmę AutoSim. Wykorzystują one to samo środowisko symulacyjne, dzięki czemu istniała możliwość nawiązania współpracy między jednostkami naukowymi w zakresie udoskonalania sprzętowego oraz programowania. Symulatory, o których mowa, wykorzystują dedykowane oprogramowanie producentów o nazwie SimWorld. Częściowo bazują one na otwartych systemach takich jak OpenGL czy OpenSceneGraph, dzięki czemu istnieje możliwość dodawania nowych obiektów do scenariuszy symulacyjnych wirtualnego świata. 2.1. Obiekty statyczne i dynamiczne Poprzez wymogi technologiczne, a w szczególności ograniczenia związane z programowaniem narzucone głownie przez bibliotekę OpenGL rozróżnia się obiekty na statyczne i dynamiczne. Pierwsza wspomniana grupa jest to uproszony model rzeczywistego obiektu bez zaawansowanych dodatkowych warstw np. fizycznych, kolizji lub możliwości zmiany siatek graficznymi poddanym wymuszeniem ze strony innych obiektów, może to być fotoradar widoczny na rysunku 2. Natomiast dynamiczne obiekty są to o wiele bardziej złożone klasy programistyczne, które zależności od wymagań mogą mieć różny funkcjonał zależności od obranego celu. Przykładowym obiektem dynamicznym może być pojazd symulowany sterowany przez sztuczną inteligencję (rysunku 3) lub sygnalizacja świetlna. W pierwszym przypadku taki obiekt oprócz podstawowych warstw (graficznej, szkieletu dla tekstur oraz warstwy odpowiedzialna za wykrywanie kolizji) może posiadać dodatkowe funkcje takiej jak stan świateł, parametry fizyczne obiektu czy określony system zachowania dla sztucznej inteligencji. Drugi natomiast może być wzbogacony w algorytm obsługi przełączania świateł automatyczny lub manualny zgodny z założeniami na potrzeby scenariusza. 1036

Przedstawiony podział jest uzasadniony ograniczonymi zasobami np. typu moc obliczeniowa lub pamięć podręczna - jakimi dysponuje dany komputer na potrzeby symulacji. Poprzez złe i niewłaściwe gospodarowanie zasobami komputera można spowodować zacinanie symulacji lub nawet brak możliwości prawidłowego wartościowego korzystania z symulatora, które w konsekwencji może negatywnie oddziaływać też na kierowcę poprzez zintensyfikowanie objawów choroby symulatorowej. Rys. 2. Obiekt statyczny fotoradar w obudowie masztu wieżowego TRAFFITOWER Rys. 3. Obiekt dynamiczny pojazd osobowy Volvo V70 2.2. Przykładowe definiowanie obiektu Podstawą pracy nad nowymi obiektami symulacyjnymi (statycznymi i dynamicznymi) jest optymalne wykorzystanie zasobów, przy zachowaniu łatwej rozpoznawalności wzrokowej. Przykładem będzie nowy typ masztu wieżowego TRAFFITOWER dla fotoradarów np. MultaRadar CD (rysunek 4), które ze względu na swoją funkcję stanowią burzliwy element infrastruktury polskich dróg. 1037

Rys. 4. Zdjęcie zamontowanego masztu wieżowego TRAFFITOWER [5] Pierwszym etapem jest zebranie informacji odnośnie wymiarów danego obiektu (np. widoczne na rysunek 3) i ewentualnego wyglądu. Mogą to być czasem wyłącznie zdjęcia fotograficzne, ale najlepszym rozwiązaniem jest otrzymanie wymiarów od producenta danego sprzętu. Następnie należy stworzyć uproszczony model trójwymiarowy (rysunek 2), który będzie zawierał najważniejsze cechy rozpoznawcze obiektu. Dzięki nim kierowca jest wstanie utożsamiać wirtualny obiekt względem rzeczywistości poprzez odpowiednie: kształty, kolorystykę oraz proporcje. Ostatnią czynnością jest odpowiednie wstawienie gotowego elementu do scenariusza poprzez program edycyjny od scenariuszy. Powinniśmy pamiętać też o realizmie sytuacyjnym poprzez odpowiednie ustawienie obiektu (widoczne na rysunku 4) wzdłuż trasy z poprawnym lub niepoprawnym oznakowaniem kontroli fotoradarowej zależnie od obranego celu. Rys. 5. Zdjęcie zamodelowanego masztu wieżowego TRAFFITOWER w symulacji 2.3. TWORZENIE SCENARIUSZY - SZKOLENIOWYCH I BADAWCZYCH Głównym problemem, aby stworzyć dobry scenariusz, jest określenie głównego celu oraz sposób jego realizacji. Trzeba pamiętać też o ograniczeniach sprzętowych oraz programistycznych, które niejednokrotnie ograniczają pole manewrów niedoświadczonych twórców. Przykładami mogą być następujące sytuacje powodujące przeciążenie operacyjne: zbyt duża ilość obiektów dynamicznych i statycznych np. w postaci pojazdów, stosowanie z rozbudowanych modeli, złe złożenie skomplikowanych obiektów np. map, 1038

nie usuwanie zbędnych obiektów z pamięci podręcznej, stosowanie rozbudowanych tekstur z zbyt wieloma dodatkowymi efektami. Inną istotną kwestią jest sama fabuła przewidziana dla danego scenariusza. Ma to ważne znaczenie w przypadku chęci powtórzenia tego samego badania po pewnym czasie. Poza tym, dzięki szczegółowemu scenariuszowi oraz zastosowaniu systemu prowadzenia w np. wersji głosowej lub dodatkowych znaczników dla kierowcy, osoby nadzorujące mają większą pewność oraz kontrole nad realizacji wytyczonej trasy. Dzięki stosowaniu takich odpowiedników różnych systemów nawigacji można przewidzieć i zaplanować przebieg symulacji. Poprzez zastosowanie tzw. znaczników pozycji (widocznych na rys. 6) można stworzyć mechanizmy inicjujące zdarzenie lub proces. Przykładowym zdarzeniem może być awaria hamulców w pojeździe osobowym dojeżdżającym do skrzyżowania, gdzie stoją inni użytkownicy ruchu lub odbywa się ruch pieszych przez pasy. Natomiast procesem zainicjonowanym może być kolizja z wyprzedzającym oraz zajeżdżającym drogę motocyklistą na skrzyżowaniu. Rys. 6. Mapa trasy symulacji z zaznaczonymi znacznikami i widocznymi pojazdami [4]. Ostatnim jednym z najważniejszych komponentów symulacji jest element sztucznej inteligencji. To dzięki niej symulacja nabiera głębi, charakteru oraz kierowca jest wstanie szybciej przystosować się i wczuć się do wirtualnego świata. Określenie to nie odnosi się tylko i wyłącznie do innych interaktywnych pojazdów, ale też do pieszych lub systemu zarządzania światłami. 2.4. OCENA EFEKTU SYMULACJI Jednym z ważnych zagadnień w zakresie pracy z symulatorami kabinowymi jest ocena przydatności realizowanych scenariuszy w celach szkoleniowych czy też badawczych. Ma to istotny wpływ na zachowanie dobrej relacji pomiędzy rzeczywistym symulowany obiektem, a docelowym wirtualnym. Można nawet określić, że symulatory z kierowcą tworzą system antropotechniczny, który ma za zadanie przetestować oraz nauczyć kursanta odpowiedniego zachowania. Głównie dotyczy to tematyki bezpiecznej eksploatacji czy też szybkiej odpowiedzi na niebezpieczne zdarzenia lub procesy. 1039

Podstawowymi narzędziami często stosowanymi są różnego rodzaju ankiety, w tym przykładowo ankieta SSQ (z ang. Simulator Sickness Questionnaire), czyli kwestionariusz choroby symulacyjnej. Kolejny bardzo częstym elementem oceny zrealizowanego scenariusza jest retrospekcja i powtarzanie źle wykonanych manewrów według instruktora symulatora z wytłumaczeniem popełnionych błędów. Polega to na tym iż osoba nadzorująca wyłapuje uchybienia i niewiedzę kursanta, dzięki swojemu doświadczeniu oraz umiejętnościom. Ostatnio popularnie stosowaną metodą jest krótki scenariusz zdarzeniowy, który ma na celu sprawdzenie czy dana osoba poradzi sobie z nagłym zdarzeniem krytycznym. W przypadku symulatorów drogowych mogą to być: wtargnięcie pieszego na ulicę, awaria układu hamowania czy też przebicie opony. Najważniejszym elementem oceny efektów symulacji jest sam człowiek prowadzący dany środek transportu i kadra szkoląca. To oni muszą odczuwać i wiedzieć, dlaczego wykonują dane ćwiczenia symulacyjne, a nie rzeczywiste przejazdy np. autokarem na macie poślizgowej. W zależności też od wiedzy, zdolności lub też potrzeb powinni wskazywać braki w szkoleniu symulatorowym, aby móc zamodelować wymagany scenariusz w ujęciu obiektów statycznych oraz dynamicznych, warunków pogodowych, pory dnia oraz samej fabuły narzuconej na podstawie rzeczywistych wypadków drogowych. Ma to szczególne znaczenie, aby móc pokazać rzeczywiste następstwa źle podjętych decyzji kierowcy oraz innych uczestników, które nie powinny w ogóle zajść, a miały miejsce. Dlatego jest tak bardzo ważne, aby móc tworzyć i kreować nowe obiekty oraz scenariusze interaktywne, które nadają sens realizowanemu szkoleniu czy też badaniom. Główną przyczyną jest konieczność za nadążaniem za ciągle zmieniającymi się wymaganiami technologicznymi infrastruktury drogowej i zmianami prawnymi, które definiują sposób poruszania po drogach. WNIOSKI Przydatność i sukces realizowanego scenariusza, badania lub programu szkoleniowego zależy od wielu czynników składowych. Głównymi elementami przyczyniającymi się do tego jest ciągła kreacja i modelowanie nowych obiektów, zdarzeń czy procesów składających się na bezpieczeństwo transportu. Spowodowane jest to przez ciągle zmieniające się technologie, system wspomagania kierowcy czy przepisy prawne. Stanowi to analogie dążenia do doskonałości i pełnego odwzorowania rzeczywistości. Wykorzystywane w nowoczesnych i profesjonalnych symulatorach pojazdów drogowych używanych do celów naukowych i szkoleniowych, po które coraz częściej sięgają organy prawne oraz ośrodki szkolące. 1040

Streszczenie Artykuł prezentuje przyczyny oraz powody konieczności kreacji i modelowania dla symulatorów kabinowych. Przedstawiona tematyka została podzielona na zagadnienia: tworzenie obiektów, tworzenie scenariuszy oraz ocenę efektów symulacji. Przedstawiana potrzeba modelowania tyczy się statycznych oraz dynamicznych obiektów stanowiący ich odpowiedniki w rzeczywistości. Natomiast kreacja odnosi się do tworzenia przebiegu realizowanego scenariusza w świecie wirtualnym, która stanowi przede wszystkim fabułę oraz główny sens przeprowadzanych scenariuszy oraz szczegółowych zadań na symulatorach, dzięki którym jest możliwe szkolenie czy też wykonywanie powtarzalnych badań naukowych. Autorzy zwracają szczególną uwagę iż niejednokrotnie życie tworzy najlepsze scenariusze oraz wykazuje pole niedoskonałości, które jest odwzorowane w symulacjach, a nie odwrotnie. Artykuł jest zebraniem ogólnych doświadczeń i wiedzy jednostek naukowo-badawczych Instytutu Silników Spalinowych i Transportu na Politechnice Poznańskiej oraz Instytutu Transportu Samochodowego w Warszawie. Powyższa praca została zrealizowana w ramach projektu EYEVID finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (umowa nr PBS1/B6/9/2012). The need for the creation and modeling of cabin simulators Abstract The article presents the causes and reasons for the necessity of creation and modelling for cabin simulators. Presented subjects was divided into issues: creating objects, creating scenarios and evaluate the effects of the simulation. Presented the need for modelling is applied to static and dynamic objects representing their counterparts from reality. In contrast, creation refers to the creation of the course pursued scenario in the virtual world, which is primarily a story and the main point scenarios and carried out specific tasks on simulators, through which it is possible to training or repetitive research. The authors pay particular attention to that life often creates the best scenarios and shows a "field" of imperfection, which is reproduced in the simulations, and not vice versa. This article is the collection of general experience and knowledge of scientific-research Combustion Engines and Transport Institute at Poznan University of Technology and Motor Transport Institute in Warsaw. This work was realized within the project EYEVID funded by the National Centre for Research and Development (contract no PBS1 / B6 / 9/2012). BIBLIOGRAFIA 1. Szczepański C., Antropocentryczne systemy sterowania ruchem symulatorów. Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa 2001. 2. Lozia Z., Symulator jazdy samochodem. WKŁ, Warszawa 2008. 3. Veltena M., emovert controller manual emove em6-400. E2M Technologies, Amsterdam 2010. 4. Midtgård E., User manuals, instructions and tutorials for AS1200-6 symulator. AutoSim, Norwegia 2008. 5. http://superauto24.se.pl/drogi/uwaga-kierowcy-od-sierpnia-az-300-nowych-fotoradarow-w-2013- r-na-drogach-urzadzenia-do-odcinkowego-p_269270.html, dostęp z dnia 06.09.2014 1041