Rozproszona Symulacja Interaktywna - symulacja pola walki.

W ciągu ostatnich dwóch dekad Stany Zjednoczone rozwinęły imponujący zasób profesjonalnych systemów symulacyjnych i treningowych dla potrzeb wojska. Przykłady takich systemów oraz aplikacji były omawiane na seminarium firm Encore Computer Corporation i EOS podczas wystawy "Elektronika i Wojsko" (6-8 października 1993). Wdrożone systemy umożliwiają wprawdzie pojedynczym żołnierzom (np. lotnikom) lub małym jednostkom osiągnięcie perfekcji w swoich zadaniach, jednakże zdolność wykonania misji indywidualnej nie gwarantuje prawidłowego funkcjonowania w grupie.

W ciągu ostatnich dwóch dekad Stany Zjednoczone rozwinęły imponujący zasób profesjonalnych systemów symulacyjnych i treningowych dla potrzeb wojska. Przykłady takich systemów oraz aplikacji były omawiane na seminarium firm Encore Computer Corporation i EOS podczas wystawy "Elektronika i Wojsko" (6-8 października 1993). Wdrożone systemy umożliwiają wprawdzie pojedynczym żołnierzom (np. lotnikom) lub małym jednostkom osiągnięcie perfekcji w swoich zadaniach, jednakże zdolność wykonania misji indywidualnej nie gwarantuje prawidłowego funkcjonowania w grupie.

Generał Schwarzkopf wyraził się w komentarzu na temat operacji "Pustynna Burza" następująco: "Analitycy piszą o wojnie tak, jakby to był balet z ułożoną choreografią. Kiedy orkiestra zaczyna grać, wszyscy wychodzą na scenę i grają swoją ustaloną rolę. W rzeczywistości jest tak: orkiestra zaczyna grać, aż tu nagle ktoś wyskakuje z bagnetem i goni tancerzy po scenie. Choreografię można wtedy wyrzucić za okno." Potrzebny jest zatem taki sposób, by uczestnicy od dowódcy po indywidualnego żołnierza mogli doświadczyć takich "bagnetowych" przerw w symulowanym środowisku i nauczyć się brać je pod uwagę w rzeczywistych konfliktach.

Wojsko amerykańskie opracowało sposób przeprowadzania ćwiczeń połączonych sił zbrojnych na wielką skalę. Są to jednak wydarzenia bardzo kosztowne i zależne od ograniczeń stawianych przez otoczenie, a ponadto często mogą być zinterpretowane jako prowokacja militarna. Tymczasem istnieje już rozwiązanie oferujące niezmierny potencjał rozwoju metod walki, mianowicie Rozproszona Symulacja Interaktywna (DIS - Distributed Interactive Simulation). DIS umieszcza użytkownika w wirtualnej reprezentacji pola walki, która jest niedroga, daje się wykorzystać zarówno w jednostce wojskowej jak i w instytucie badawczym, a ponadto jest wystarczająco zabezpieczona przed nieautoryzowanym dostępem. Niniejszy artykuł opisuje założenia mertytoryczne i możliwe implementacje systemów DIS.

Zadania systemu DIS

Głównym zadaniem systemu DIS jest stworzenie syntetycznej, wirtualnej reprezentacji pola walki poprzez systematyczne połączenie podzespołów (symulatorów) rezydujących w osobnych lokalizacjach. DIS może być wykorzystywany w zastępstwie pewnych typów ćwiczeń polowych, a ponadto umożliwia rozwój zdolności bojowych wtedy, gdy ćwiczenia polowe są zbyt kosztowne, niemożliwe do przeprowadzenia lub niewskazane ze względów politycznych. Dodatkowo DIS może służyć jako narzędzie do planowania i próbnych ćwiczeń akcji wojskowych.

Idea rozproszonego systemu symulacji pozwala na dynamiczną rekonfigurację w zależności od planowanego współdziałania różnych rodzajów wojsk, jak i symulowanego podziału ról (przyjaciel/wróg). System taki może łączyć heterogeniczne, choć lokalnie spójne reprezentacje pola walki poprzez dynamiczną wymianę informacji koniecznych do odwzorowania interakcji między ośrodkami oraz wyniku walki.

Środowisko operacyjne systemu DIS

Założenia dla środowiska operacyjnego systemu DIS są rozszerzeniem programu Simulation Networking (SIMNET) opracowanego przez DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency). Celem DIS jest umożliwienie grupowej interakcji różnych symulatorów rozproszonych na dużym obszarze. Podstawowe założenia są następujące:

- Nie istnieje centralne stanowisko (komputer) szeregowania lub arbitrażu zdarzeń.

- Autonomiczne węzły symulacyjne są odpowiedzialne za przechowywanie i aktualizację stanu jednego lub kilku symulowanych zespołów obiektów wraz z ich otoczeniem.

- Istnieje standardowy protokół przekazywania danych z pola walki.

- Interpretacja otrzymywanej informacji leży w gestii węzłów odbierających.

- Węzły symulacyjne przekazują między sobą tylko zmiany stanu obiektów.

- W celu minimalizacji przetwarzania danych wykorzystuje się automatyczną estymację stanu obiektów symulowanych przez inne węzły (dead reckoning).

Implikacje poszczególnych założeń systemu.

(a) Brak centralnego komputera

Oznacza to możliwość skalowania systemu w miarę potrzeb symulacyjnych, a także dodawania kolejnych węzłów wraz z ich zasobami.

(b) Autonomiczne węzły

Węzły są odpowiedzialne za informację o stanie modelowanych w nich obiektów i środowisk. Podczas gdy użytkownik steruje symulowanym lub rzeczywistym wyposażeniem, centralny komputer węzła odpowiada za symulowanie reakcji obiektów. Węzeł musi także informować inne węzły o obserwowalnych zmianach stanu reprezentowanych modeli. Wszystkie węzły mają zadanie interpretowania i odpowiadania na komunikaty przesyłane przez pozostałe węzły, a ponadto muszą posiadać uproszczony model dynamiczny wszystkich obiektów w sieci.

Wszystkie węzły muszą także utrzymywać model stanu otoczenia ("świata").

(c) Dane polowe a percepcja

Węzeł przekazuje wszystkim innym węzłom prawdziwy, bieżący stan modelowanego obiektu (położenie, orientacja, prędkość, aktywne nadajniki, położenie części ruchomych itp.). Komputer węzła odbierającego informacje musi następnie ustalić czy bieżący stan tego obieku może być zaobserwowany (ewentualnie z jaką dokładnością) i w przypadku wyniku twierdzącego przedstawić modelowany obiekt w środowisku (np. na ekranie) lokalnych użytkowników.

(d) Estymacja stanu jako metoda odciążenia sieci

Aby ograniczyć wymianę danych, każdy komputer przechowuje prosty model stanu wszystkich innych obiektów w sieci, z wyłączeniem tych obiektów, których stan nie wpływa na stan lokalnego modelu.

Między momentami aktualizacji komputer ekstrapoluje pozycję i orientację innych obiektów w sieci. Utrzymuje także, poza dokładnym modelem symulacyjnym, uproszczony model własnego stanu. Kiedy stan wykazany przez dokładny model różni się znacząco od stanu wynikającego z modelu uproszczonego, komputer wysyła w sieć informację aktualizującą, przeznaczoną do zmiany parametrów uproszczonych modeli jego stanu wykorzystywanych przez inne węzły. Pozwala to na aktualizację reprezentowanego stanu innych obiektów z normalną częstotliwością symulacji (np. 50 Hz) pomimo znacznie rzadszego otrzymywania danych aktualizujących (np. z częstotliwością 1 Hz).

Zasady projektowania systemów DIS

Można wyróżnić kilka kluczowych zasad projektowania systemów DIS:

(a) Projektowanie modeli zorientowane obiektowo

Każdy element symulacji należy zaprojektować jako osobny obiekt zawierający składową prywatną i publiczną. Połączenie obiektów za pośrednictwem publicznych składowych modeli pozwala na stworzenie systemów symulacyjnych reprezentujących wirtualne środowiska walki. Składowa publiczna odpowiada za wymianę danych między obiektami i wykonuje obliczenia kompensujące opóźnienia i asynchroniczny charakter transmisji. Format części publicznej musi być stały w całym rozproszonym systemie, natomiast składowa prywatna, odpowiedzialna za rozwiązywanie równań stanu opisujących dany obiekt, musi być dopasowana do lokalnych potrzeb.

(b) Sfera interakcji obiektów - rozróżnienie przyczyn i skutków

Część prywatna obiektu wyznacza aktywny obszar symulacji wewnątrz określonej "sfery interakcji". Dla każdego obiektu sfera interakcji oznacza przestrzeń geometryczną, w której model musi uwzględniać stan innych obiektów w celu obliczenia własnego stanu. Publiczna składowa modelu ma zadanie przesłania zmian w wektorze stanu obiektu do wszystkich innych węzłów, na które ta zmiana wpływa. Podobnie obiekt objęty efektem zmiany stanu innego obiektu ma zadanie określenia efektów otrzymanej informacji i powiadomienia innych węzłów w systemie o wynikających stąd zmianach własnego stanu.

(c) Pole walki - baza danych środowiskowych

Utrzymanie autentyczności danych o środowisku (ziemia, woda, powietrze i układ przestrzenny) w ramach całego systemu symulacji wymaga modelu wspólnego dla wszystkich węzłów. Model środowiskowy może być w każdym węźle upraszczany o te elementy, które nie mają znaczącego wpływu na symulację modelowanego obiektu, natomiast powinien umożliwiać łatwą parametryzację w zależności od wpływów środowiska (np. warunków pogodowych).

(d) Asynchronizm przesyłania danych

Ponieważ dane z innych obiektów są przesyłane asynchronicznie, model musi umożliwiać estymację stanu zewnętrznych obiektów w czasie, gdy nie otrzymuje informacji z zewnątrz. Algorytm estymacyjny musi kompensować opóźnienia transmisyjne oraz obliczeniowe.

(e) Agregacja

Podczas symulacji obiekty mogą być agregowane w grupy. Dotyczy to szczególnie broni, która z reprezentacji pojedynczej może być przekształcona w reprezentację na poziomie jednostki. Model obiektu powinien być tak zaprojektowany, aby umożliwić łatwą interakcję z symulacją odbywającą się na wyższym poziomie abstrakcji.

(f) Zarządzanie systemem

Rozproszony system symulacyjny wymaga rozproszonej warstwy zarządzającej, która może zainicjalizować parametry modeli i wartości wszystkich zmiennych stanu obiektów występujących w symulacji. W trakcie symulacji warstwa zarządzająca będzie odpowiadać za zmiany składowych wektora stanu, modyfikację relacji między obiektami oraz dodawanie i usuwanie węzłów z systemu.

(g) Usługi komunikacyjne

Infrastruktura komunikacyjna dla rozproszonej symulacji interaktywnej powinna gwarantować deterministyczne czasy przesyłu informacji między węzłami na zasadzie peer-to-peer. Poza informacją o stanie obiektów i otoczenia sieć służy także do przesyłania danych wspomagających zarządzanie i administrację systemu, a także danych taktycznych i głosu. Pełna postać DIS obejmie przesyłanie obrazów ruchomych w czasie rzeczywistym, co umożliwi organizowanie briefingów, planowania i analizy odbytej symulacji w formie telekonferencji.

Standaryzacja

Koncepcja DIS była od roku 1989 poddawana procesowi standaryzacji w ramach spotkań roboczych (Standards for the Interoperability of Defense Simulations), przy czym pierwszorzędną rolę miało zdefiniowanie formatu "interfejsu publicznego" między obiektami symulacji. Należy mieć na uwadze, że standard powinien umożliwić integrację istniejących już środowisk symulacyjnych opartych o różne platformy sprzętowe i środowiska operacyjne.

Dokumenty opracowane w ramach tych spotkań otrzymał IEEE jako propozycję standardu. Po zaakceptowaniu przez IEEE zostanie podjęte działanie w celu umiędzynarodowienia standardu, tak aby mogli go zaakceptować sojusznicy Stanów Zjednoczonych.

Autorzy architektury DIS liczą na to, że pozwoli ona osiągnąć znaczący postęp w dziedzinie planowania i szkolenia obronnego bez konieczności radykalnej zmiany istniejących systemów symulacyjnych.

[wg: UCF Institute for Simulation and Training]

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200