Projektowanie trenażerów komputerowych dla operatorów

Projektowanie trenażerów komputerowych
dla operatorów urządzeń mobilnych
dr inż. MAREK KACPRZAK1, dr inż. ANDRZEJ KACZMARCZYK1,
prof. dr hab. inż. ANDRZEJ MASŁOWSKI1,2
2
1
Instytut Maszyn Matematycznych
Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Automatyki i Robotyki
Trenażery wykorzystujące symulację komputerową, zwane też
symulatorami, użytkowane do szkolenia operatorów urządzeń
w wielu dziedzinach rozpowszechniły się w latach 90. Zastąpiły
one stosowane już dawniej trenażery wykorzystujące inne
techniki symulacyjne, takie jak film czy telewizja. Istnieje duża
różnorodność trenażerów komputerowych ze względu na poziom ich zaawansowania. Najwyższą pozycję zajmują trenażery stosowane do szkolenia pilotów [1], maszynistów
kolejowych [2] i kierowców [3] (głównie pojazdów specjalnych)
przedstawiające sobą kokpit danego pojazdu, z rzeczywistym
wyposażeniem i komputerowym obrazem otoczenia widocznym w wirtualnym oknie, poruszany przez siłowniki zgodnie
z wykonywanymi przez szkolonego manewrami pojazdu i jego
zasymulowaną dynamiką; koszty takiego trenażera są wysokie, np. koszt trenażera lotniczego, wynosi ok. 25 mln. dolarów. Na najniższym poziomie znajdują się trenażery budowane
na bazie typowych komputerów osobistych, zwane dalej trenażerami PC-towymi, tworzone przez zainstalowanie odpowiedniego oprogramowania i dołączenie do nich prostych
urządzeń sterowniczych tego rodzaju, jak stosowane w grach
komputerowych. Przykładem może być program Microsoft
Flight Simulator X [4] umożliwiający „wirtualne latanie”, którego
koszt wynosi około 30 dolarów. Dokupienie za około 250 dolarów akcesoriów w postaci wolantu, pedałów i manetki przepustnic silników umożliwia utworzenie trenażera używanego
nie tylko do rozrywki, ale także do prawdziwego szkolenia
przyszłych pilotów.
Trenażery PC-towe, na poziomie gry komputerowej lub
bardziej zaawansowane dzięki zastosowaniu rzeczywistych
(lub zbliżonych do rzeczywistych) urządzeń sterowniczych, są
używane w wielu dziedzinach. W kolejnictwie europejskim stanowią 9% trenażerów do szkolenia maszynistów [2], są
używane w klasach elektronicznych szkół nauki jazdy [5,6],
a także są oferowane przez liczne firmy do szkolenia operatorów maszyn roboczych [7-9]. Ceny tych nie hobbystycznych
trenażerów PC-towych są wyższe niż w przypadku „wirtualnego latania” i np. dla maszyn roboczych wynoszą od kilku do
kilkunastu tysięcy dolarów - dolna granica odnosi się do trenażerów z akcesoriami (dżojstikami) z gier komputerowych,
górna do trenażerów ze specjalnym wyposażeniem stanowiska operatora (łącznie z fotelem).
W pracy omawiane są trenażery PC-towe służące do treningu operatorów urządzeń mobilnych takich jak roboty i maszyny robocze. Opisano zasady użycia trenażerów do
inteligentnego treningu, to jest dostosowanego do indywidualnych umiejętności szkolonych, przedstawiono sposób
projektowania i tworzenia oprogramowania trenażerów przy
użyciu specjalizowanych platform informatycznych, podano
przykład implementacji takiej platformy.
110
Trening przy użyciu trenażerów różnych
poziomów
Zalety prowadzenia szkoleń operatorów urządzeń przy użyciu
trenażerów komputerowych są następujące:
• szkolenia nie muszą odbywać się na urządzeniu kosztownym lub takim, do którego dostęp jest ograniczony,
• możliwe jest ćwiczenie zachowań w sytuacjach stwarzających zagrożenie dla operatora, a także takich, które
w przypadku korzystania z rzeczywistych urządzeń mogłyby
prowadzić do ich uszkodzenia, czy nawet zniszczenia,
• działania sprawiające szkolonym trudność mogą być wielokrotnie powtarzane, aż do uzyskania wymaganego poziomu umiejętności operacyjnych,
• istnieje możliwość prowadzenia szkoleń na skalę masową,
• możliwe jest istotne zmniejszenie kosztów szkolenia.
Obniżkę kosztów szkolenia umożliwia stosowanie treningu
wielopoziomowego, z użyciem trenażerów o różnym stopniu
perfekcji, przy czym mniej perfekcyjne i tańsze trenażery będą
stosowane w początkowych etapach szkolenia. Metodykę treningu wielopoziomowego operatorów robotów inspekcyjnointerwencyjnych znajdujących zastosowanie do wspomagania
działań antyterrorystycznych, militarnych i ratownictwa, w systemach ochrony nadzorowanych obszarów i granic lądowych
i morskich, a także do ochrony infrastruktury krytycznej przedstawiono w [10]. Szkolenie jest organizowane przy użyciu trenażerów trzech różnych poziomów:
• Trenażery poziomu 1 - zrealizowane za pomocą typowych
komputerów PC. Stosowane są techniki rzeczywistości wirtualnej (ang. virtual reality). Symulowane jest urządzenie
mobilne, jego otoczenie oraz pulpit sterowniczy urządzenia.
• Trenażery poziomu 2 - zrealizowane za pomocą komputerów PC, do których dołączone są rzeczywiste pulpity
sterownicze urządzeń. Stosowane są techniki rzeczywistości wirtualnej. Symulowane jest urządzenie mobilne
i jego otoczenie.
• Trenażery poziomu 3 - trenażery poziomu 1 lub 2 z zastosowaniem rzeczywistości rozszerzonej (ang. augmented
reality) - rzeczywiste urządzenie w rzeczywistym otoczeniu z elementami symulowanymi. Osoba szkolona używa
specjalnego hełmu.
W przypadku stosowania trenażerów poziomów 1 i 2
możliwe jest organizowanie e-treningu, techniki stanowiącej
rozszerzenie e-learningu (e-learning jest ukierunkowany na
zdobywanie wiedzy, a e-trening na nabywanie umiejętności
operacyjnych). Przy wykorzystaniu Internetu możliwa jest
obsługa dużej liczby szkolonych rozproszonych geograficznie, korzystanie przez nich z kursów dostępnych 24 godziny
na dobę i dostosowanie tempa szkolenia do indywidualnych
ELEKTRONIKA 12/2009
możliwości szkolonych. Stosowane do e-treningu trenażery
poziomu 2 powinny być wyposażone w uproszczone pulpity
sterownicze, np. typowe konsole używane do gier komputerowych. Opis e-treningu dla operatorów pojazdów i urządzeń
jest podany w pracy [11].
Inteligentny trening operatorów
Trenażery komputerowe wszystkich trzech poziomów umożliwiają prowadzenie treningu, w którym proces nabywania i doskonalenia zdolności operacyjnych jest dostosowany do
indywidualnych umiejętności szkolonych - to jest inteligentnego treningu. Koncepcję inteligentnego treningu określają
następujące zasady:
1. Doskonalenie umiejętności operacyjnych osób szkolonych
na trenażerze odbywa się przez indywidualny program
szkolenia polegający na wykonywaniu programów treningu.
2. Każdy program treningu jest sekwencją zadań szkoleniowych. W trakcie wykonywania zadań szkoleniowych gromadzona jest wiedza o umiejętnościach szkolonych.
3. Dobór kolejnego zadania szkoleniowego do wykonania następuje na podstawie oceny umiejętności szkolonego.
Podstawą inteligentnego treningu są zadania szkoleniowe. Szkolony przy użyciu trenażera przyszły operator
urządzenia mobilnego, korzystając z wirtualnego lub rzeczywistego pulpitu sterowniczego urządzenia, steruje działaniami
urządzenia mobilnego w środowisku wykonując postawione
mu zadanie szkoleniowe. Przykładowe zadania to: wykrywanie obiektów wewnątrz pomieszczeń zamkniętych (np. w sali
odlotów na lotnisku) przez mobilnego robota inspekcyjnego
lub praca koparki w terenie. Definiowanie zadań szkoleniowych jest wykonywane przez wyspecjalizowaną osobę zwaną
menedżerem treści szkolenia. Opis zadania szkoleniowego
obejmuje:
• opis środowiska pracy urządzenia mobilnego,
• początkowe położenie i orientację urządzenia w środowisku,
• misję do wykonania przez szkolonego,
• czas na wykonanie misji,
• zdarzenia powodowane przez szkolonego, które będą traktowane jako błędy,
• ocenę punktową zdarzeń powodowanych przez szkolonego,
• wymaganą reakcję trenażera na działania szkolonego.
Precyzyjna definicja tak skomplikowanego zadania szkoleniowego wymaga korzystania przez menedżera ze specjalizowanego oprogramowania: Generatora Środowisk
i Generatora Zadań Szkoleniowych. W wyniku działań menedżera powstają pliki opisujące dane środowisko i zadanie.
Model urządzenia mobilnego
W celu utworzenia oprogramowania trenażera umożliwiającego trening szkolonego w zakresie realizacji konkretnego zadania konieczne jest połączenie plików opisujących
środowisko i zadanie z plikami tworzącymi model urządzenia
mobilnego [12]. Osobą odpowiedzialną za utworzenie tego
modelu jest projektant modelu urządzenia. Model urządzenia
może być utworzony w różny sposób. Jeżeli projektanci
urządzenia mobilnego korzystają z zaawansowanych programów do projektowania wspomaganego komputerem, to proELEKTRONIKA 12/2009
gramy te umożliwiają utworzenie modelu urządzenia i wyeksportowanie go w postaci zgodnej z przyjętymi standardami.
Model ten może być następnie modyfikowany przez specjalizowany Program Modyfikujący Modele Urządzeń. Innym
możliwym rozwiązaniem jest tworzenie modelu urządzenia
metodą budowania go ze standardowych części składowych,
łączonych następnie odpowiednimi więzami w jedną całość.
Jest to rozwiązanie trudniejsze i bardziej pracochłonne,
a utworzony w ten sposób model musi być poddany procedurze walidacji - badania zgodności modelu urządzenia z rzeczywistym urządzeniem. Do budowy modeli w ten sposób
służy specjalizowany program Generator Modeli Urządzeń.
Model urządzenia składa się z trzech podstawowych
części składowych: modelu fizycznego, modelu geometrycznego i modelu dźwiękowego. Zależnie od rodzaju urządzenia,
model ten może także dodatkowo zawierać modele czujników
i urządzeń wykonawczych. Jeżeli trenażer nie wykorzystuje
rzeczywistego pulpitu sterowniczego urządzenia, to model
urządzenia musi zawierać także model wirtualnego pulpitu
sterowniczego. Model ten tworzy projektant modelu urządzenia przy użyciu specjalizowanego programu Generatora Pulpitów Wirtualnych. Jeżeli w trenażerze jest stosowany
rzeczywisty pulpit sterowniczy, to model urządzenia musi zawierać moduł komunikacyjny zapewniający dwustronne przesyłanie danych między modelem urządzenia i rzeczywistym
pulpitem sterowniczym.
Projektant modelu urządzenia dokonuje integracji plików
opisujących model urządzenia z utworzonymi przez menedżera
treści szkolenia plikami opisującymi środowisko i zadanie. Wynikiem integracji jest program, który po zainstalowaniu na
sprzęcie trenażera, działając pod kontrolą Egzekutora Programów Treningu, umożliwia realizację zadania szkoleniowego
w formie gry komputerowej. Po uruchomieniu tego programu
szkolony informowany jest o szczegółach misji do wykonania.
Następnie szkolony korzystając (w zależności od klasy trenażera) z pulpitu wirtualnego lub rzeczywistego, powoduje
działania urządzenia mobilnego w środowisku. Wszystkie istotne zdarzenia są rejestrowane i oceniane. Po zakończeniu
programu szkolony otrzymuje informację o ocenie realizacji zadania, a do bazy danych związanych z jego szkoleniem zostaje zapisany raport z realizacji zadania i ocena punktowa.
Zadania szkoleniowe są połączone między sobą tworząc
programy treningu. Połączenia zadań mają charakter dynamiczny: wybór następnego zadania (lub decyzja o zakończeniu
treningu) zależą od oceny poziomu umiejętności osiągniętego
przez szkolonego. Programy treningu są tworzone przez menedżera treści szkolenia przy użyciu specjalizowanego oprogramowania - Generatora Programów Treningu.
Platformy informatyczne do projektowania
i tworzenia oprogramowania trenażerów
Zaprojektowanie i utworzenie oprogramowania trenażerów
wymaga stosowania zaawansowanych, różnorodnych narzędzi informatycznych. Jest więc celowe budowanie platform
informatycznych przeznaczonych do tych celów, stanowiących zestaw niezbędnych narzędzi programistycznych,
z których korzystają projektanci modeli urządzeń i menedżerowie treści szkolenia. Ważnym problemem wymagającym rozstrzygnięcia jest określenie sprzętu kompu-
111
terowego wchodzącego w skład platformy, jak i samych trenażerów. Punktem wyjścia do analizy jest ocena wymagań
stawianych trenażerom. Trenażery muszą umożliwiać wykonywanie programów treningu w trybie interakcyjnym, w czasie rzeczywistym, z wizualizacją trójwymiarową działań
użytkownika w czasie nie dłuższym niż 100 ms. Jest to ostre
wymaganie - biorąc pod uwagę, że typowy błąd operatora
polegający np. na uderzeniu urządzenia mobilnego w przeszkodę oznacza konieczność wykonania następujących
działań: wykrycia kolizji, obliczenia skutków kolizji dla
urządzenia i przeszkody, zobrazowanie (rendering) wyników
na ekranie monitora. Z dotychczasowych doświadczeń Autorów wynika, że moc obliczeniowa współczesnych komputerów klasy PC, wyposażonych w szybkie procesory wielordzeniowe, a dodatkowo umożliwiających korzystanie z mocy obliczeniowej wielordzeniowych procesorów w kartach graficznych jest wystarczająca, aby ten warunek czasowy był
spełniony. Trenażery mogą być więc budowane na bazie
komputerów PC, ale z odpowiednio wydajną kartą graficzną.
Komputery PC takiej klasy mogą być także sprzętem wykorzystywanym do budowy platform, choć zastosowanie specjalizowanych stacji graficznych może być również celowe.
Wobec platform informatycznych można sformułować następujące ogólne wymagania:
1. rozproszona architektura sprzętowa (połączenie komputerów-węzłów w szybką lokalną sieć komputerową),
2. modularna struktura oprogramowania,
3. maksymalne wykorzystanie istniejącego oprogramowania
systemowego i narzędziowego,
4. zgodność formatów eksportu i importu modułów oprogramowania,
5. możliwość stałej rozbudowy platformy.
Architekturę typowej platformy pokazano na rysunku.
Architektura platformy informatycznej
Architecture of computer platform
112
Przykład platformy
Przykładem implementacji platformy jest prototyp opracowany
przez Instytut Maszyn Matematycznych, wspólnie z Przemysłowym Instytutem Automatyki i Pomiarów, w ramach projektu badawczego rozwojowego OR00004604. Celem projektu
jest zbudowanie platformy informatycznej umożliwiającej projektowanie i realizację trenażerów przeznaczonych do szkolenia w obsłudze różnego typu robotów mobilnych znajdujących
zastosowanie w wojsku i policji oraz do wykonywania zadań inspekcyjnych komunalnych i przemysłowych.
Oprogramowanie systemowe platformy tworzą:
• standardowe systemy operacyjne (Windows, Unix),
• zintegrowane środowiska programistyczne (np. MS Visual
Studio),
• technologia komunikacyjna CORBA,
• biblioteki graficzne (np. Open GL, GLUT),
• biblioteka obliczeń numerycznych (np. NVIDIA CUDA),
• narzędzia do standardu XML,
• pakiety do języka UML.
W skład oprogramowania narzędziowego platformy
wchodzą:
• komercyjne pakiety modelowania i wizualizacji urządzeń
i środowisk (takie jak np. Blender, 3DMAX, SolidWorks),
• oprogramowanie wykonane specjalnie dla potrzeb platformy: Generator Modeli Urządzeń, Program Modyfikujący
Modele Urządzeń, Generator Pulpitów Wirtualnych, Generator Środowisk, Generator Zadań Szkoleniowych, Generator Programów Treningu.
Platforma ma stanowić podstawowe „urządzenie produkcyjne” przyszłego przedsiębiorstwa innowacyjnego wyspecjalizowanego w produkcji, dostawach i serwisie trenażerów
komputerowych dla robotów mobilnych.
Podsumowanie
Szkolenie operatorów urządzeń mobilnych w pierwszych etapach szkolenia powinno być prowadzone na trenażerach
komputerowych, a nie na rzeczywistych urządzeniach. Trenażery umożliwiają prowadzenie inteligentnego treningu wielopoziomowego, w tym także e-treningu, w sposób
ekonomiczny i efektywny - dostosowany do indywidualnych
umiejętności szkolonych.
Projektowanie i tworzenie oprogramowania trenażerów
wymaga stosowania specjalizowanych platform informatycznych zawierających oprogramowanie dostępne na rynku, ale
także oprogramowanie wykonane specjalnie dla potrzeb platformy. Niezbędna jest także specyficzna organizacja prac,
w której kluczową rolę odgrywają: menedżer treści szkolenia
i projektant modeli urządzeń. Platformy umożliwią wytwarzanie szerokiej gamy trenażerów o różnym przeznaczeniu, dla
różnych urządzeń i profili szkoleniowych, według indywidualnych zapotrzebowań odbiorców.
Obszar tematyczny związany z projektowaniem i tworzeniem trenażerów ma charakter interdyscyplinarny, obejmujący:
techniki modelowania i symulacji, grafikę komputerową, e-learning, gry komputerowe. Obszar ten jest źródłem wielu problemów badawczych, głównie z zakresu integracji modeli części
składowych trenażerów i badania wpływu szczegółów implementacji trenażerów na ich wydajność i czas reakcji.
ELEKTRONIKA 12/2009
Praca naukowa finansowana za środków na naukę w latach
2007-2010 jako projekt rozwojowy OR00004604: “Platforma do
projektowania i tworzenia oprogramowania komputerowych trenażerów do robotów mobilnych inspekcyjno-interwencyjnych.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
Samolot Tornado. http://www.selexgalileo.com.
2TRAIN Benchmarking Report on computer-based Railway
Training in Europe. http://www.2train.eu.
Benchmarking and classification of CBT tools for driver training.
Deliverable D1.1, October 2007. http://www.trainall-eu.org.
Microsoft Flight Simulator X. http://www.microsoft.com/games/.
ELEKTRONIKA 12/2009
[5]
[6]
ANWB Rijopleiding http://www.anwb.nl.
Kappé B.: Driving simulators for driver training: state of the art.
http://www.esafetyoffice.org.
[7] Caterpillar. http://www.cat.com.
[8] Vista Training. http://www.vista-start-smart.com.
[9] Simlog, http://www.simlog.com/products.html.
[10] Kaczmarczyk A. i in.: Wielopoziomowy trening symulacyjny
w szkoleniu operatorów urządzeń. Zastosowanie do szkolenia
operatorów robotów mobilnych. Elektronika nr 11/2009.
[11] Kaczmarczyk A. i in.: Rozszerzenie e-learningu: e-trening operatorów pojazdów i urządzeń. Elektronika nr 12/2009.
[12] Kacprzak M. i in. Tworzenie oprogramowania trenażerów operatorów robotów mobilnych. Techniki Komputerowe. Biuletyn Informacyjny Instytutu Maszyn Matematycznych 1/2008.
113