Simulador de Passadio

Marcos Lage2 Esteban Clua2 Diego Barboza2 Giancarlo Taveira1 Willian Jefferson2 Christian Ruff2 Joo Vicente2 Pedro Thiago Mouro2 Flvio Rivas1

Valeriana Roncero1 Leonardo Valente Ferreira1 Alex Cutovoi3 Casimiro Barreto3 Fbio Doreto Rodrigues3 Marcio Cabral3 Olavo Belloc3 Rodrigo Ferraz3 MarceloZuffo3

Antonio Anddre Serpa1 Cludio Coreixas1

1 - CASNAV, Marinha do Brasil 2 - Universidade Federal Fluminense, Instituto de Computao, Brasil

3 Escola Politcnica, Universidade de So Paulo, Brasil Resumo Este projeto visa o desenvolvimento de um simulador de passadio, composto por mdulos de usurio e instrutor, para um ambiente de multiprojeo com grau elevado de imerso. A instrumentao reproduz com fidelidade as configuraes dos equipamentos de navios reais. A verso do simulador desenvolvida neste trabalho focada em navios da marinha mercante que apresentam particularidades importantes se comparados a outros tipos de embarcaes. Palavras-chave: Simulador de Passadio, Marinha Mercante, Multiprojeo, Game Engines. 1. Introduo

O desenvolvimento de ambientes virtuais para a simulao do passadio de um navio uma alternativa importante, de baixo custo e risco, para a capacitao de recursos humanos e o treinamento de situaes de perigo.

Existem diversas solues comerciais disponveis para a simulao de navios da marinha mercante, no entanto, os custos elevados destas solues tornam proibitiva a atualizao contnua destes ambientes.

Ainda, o processo de customizao de navios e portos disponveis nestes simuladores essencial marinha nacional, entretanto os dados necessrios para a adequao destes simuladores por vezes so estratgicos, tanto a nvel comercial quanto a nvel de segurana nacional.

Neste sentido, este projeto apresenta o desenvolvimento de um simulador de passadio inteiramente nacional, com aplicao direta no contexto da marinha mercante e extensvel para outros rgos comerciais e militares. 2. Arquitetura Geral

O simulador de passadio composto por mdulos desenvolvidos independentemente. Esta uma das caractersticas essenciais de sua arquitetura, que o torna facilmente extensvel e adaptvel. Ainda, esta proposta permite que, no futuro, seja possvel estabelecer comunicao com simuladores de outras categorias, via High-level architecture - HLA,

viabilizando o funcionamento de um grande simulador de mltiplas operaes. O trabalho de [3], serviu como inspirao para o desenvolvimento de alguns dos mdulos descritos neste artigo.

De maneira geral, o simulador composto do mdulo de instrutor e do mdulo de usurio, descritos a seguir.

2.1 Mdulo de Instrutor O mdulo de instrutor responsvel por prover uma interface de interao para os instrutores do treinamento e por coordenar a execuo dos exerccios. Neste contexto, um exerccio definido como um conjunto de instncias de elementos de simulao (tais como cenrio, embarcaes, elementos ambientais, rotas, entre outros) e suas respectivas condies iniciais.

A implementao deste mdulo dividida em interface grfica e gerenciador de exerccio, conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1 - Implementao do Mdulo de Instrutor

2.1.1 Interface Grfica

Atravs da interface grfica, os instrutores podem preparar, monitorar, controlar e rever os exerccios de treinamento. O elemento central desta interface uma representao grfica bidimensional em tempo real da simulao. O cenrio representado atravs da carta nutica da regio. Sobre a carta so marcadas as embarcaes e outros objetos auxiliares, alm de elementos grficos acessrios, como histricos de posicionamento, vetores de tendncias, rotas, reas, entre outros. Por fim, um conjunto de elementos de interface possibilitam a leitura e modificao de diversos parmetros da simulao.

SBC - Proceedings of SBGames 2012 Military Simulation Workshop

XI SBGames Braslia DF Brazil, November 2nd - 4th, 2012 5

O preparo de um exerccio consiste na seleo da regio onde ele ser realizado, na instanciao dos elementos de simulao (embarcaes, por exemplo) e na configurao das condies iniciais (posicionamentos, velocidades, parmetros ambientais, entre outros). Tambm podero ser adicionados elementos auxiliares, como pontos especficos no cenrio, rotas, marcaes de regies etc. Aps o preparo, o exerccio carregado e executado no restante do simulador. Durante a execuo o instrutor acompanha e controla a evoluo do exerccio, em tempo real. Diversos parmetros podem ser alterados pelo instrutor, como condies ambientais, introduo de falhas na embarcao, introduo de adversidades (mau tempo, por exemplo) entre outros. O instrutor tambm tem o controle da execuo da simulao, podendo congelar/restaurar a execuo, alterar o passo do tempo (compresso do tempo) e reproduzir parte do exerccio (replay). Os elementos auxiliares do exerccio (como rotas, e marcaes) so visveis somente aos instrutores e so utilizados principalmente para auxiliar no acompanhamento e avaliao do exerccio. 2.1.2 Gerenciador de Exerccio O gerenciador de exerccio o componente que coordena o carregamento, o controle e o monitoramento do exerccio com os demais mdulos de simulao atravs do Network Server. Como funo secundria, este componente gerencia o armazenamento das informaes dos elementos de simulao, das configuraes dos exerccios e das reprodues dos exerccios executados (replays). Durante o preparo dos exerccios, este componente ir receber as entradas dos instrutores e ir armazenar o exerccio. Durante a carga, ele ir enviar mensagens de comando para outros mdulos pelo Network Server. Durante a execuo, o gerenciador recebe as mensagens da simulao, as envia para a interface grfica e armazena para reproduo posterior. Ele tambm recebe os comandos da interface grfica e os traduz em mensagens para os demais mdulos.

2.2 Mdulo de Usurio

O mdulo de usurio est divido em submdulos, a

saber: visualizao, fsica, oceano, painel de instrumentos, radar e AIS (sistema de identificao automtica). Cada um destes submdulos ser descrito de forma mais detalhada a seguir.

2.2.1 Mdulo de Visualizao

A visualizao da simulao realizada atravs de

um sistema de multiprojeo desenvolvido utilizando a plataforma Unity3D, onde diferentes instncias da mesma aplicao podem ser executadas ao mesmo tempo, permitindo ao usurio observar os exerccios de vrios pontos de vista.

O sistema funciona com uma aplicao mestre e n aplicaes-escravas. A aplicao mestre realiza todo o

processamento necessrio para a execuo da simulao, como os clculos fsicos, e envia os resultados, por exemplo, a posio e rotao dos navios, para o servidor. Estes dados so reenviados para os escravos, que atualizam seus estados de acordo.

A Figura 2 mostra como o sistema de visualizao est organizado. A tela central fica responsvel pela simulao enquanto as demais realizam somente a visualizao. Nenhuma comunicao feita diretamente entre estas instncias, ou seja, toda troca de mensagens passa pelo servidor.

Figura 2 - Arquitetura de multiprojeo do mdulo

de visualizao.

2.2.3 Painel de Instrumentos O painel de instrumentos (Figura 3) um dos mdulos mais importantes do simulador. nele que o usurio capaz de interagir com o navio atravs do telgrafo de manobra e do leme. Alm disso, este mdulo possui vrios instrumentos que so capazes de informar a direo e o sentido do vento, da corrente, a velocidade do navio, o heading, a profundidade do mar, entre outros. Estas informaes so muito importantes, pois atravs destes dados que o usurio ir tomar decises para a correta conduo e futura atracao do navio.

Figura 3 - Instrumentos do mdulo de usurio.

2.2.4 AIS O AIS (Automatic Identification System) um sistema de monitoramento utilizado por navios para localizar outras embarcaes. No simulador, todos os navios que esto presentes em uma cena devem enviar

SBC - Proceedings of SBGames 2012 Military Simulation Workshop

XI SBGames Braslia DF Brazil, November 2nd - 4th, 2012 6

tais informaes para que o usurio seja capaz de identific-los. Estas informaes podem ser recebidas pelo radar ou por outros instrumentos, como programas leitores de cartas nuticas. Uma mensagem de AIS contm vrias informaes necessrias para identificao do navio, como nome do navio, nmero de MMSI (Maritime Mobile Service Identity), nmero de IMO (International Maritime Organization), entre outros. Contem tambm informaes especficas do navio, como tamanho, destino, previso da chegada ao destino, calado e etc. 2.2.5 Radar O radar um sistema crucial para garantir a segurana da navegao. Assim como o simulador de passadio, o simulador de radar ARPA (Automatic Radar Plotting Aids) destinado para uso em exerccios de treinamento dos operadores de radar. As caractersticas do simulador de radar devem estar de acordo com os padres estabelecidos pela IMO (International Maritime Organization) [1].

O layout do radar simulado (veja Figura 4) baseado em um radar real: o Furuno FAR-2117. Trata-se de um moderno radar com todas as funcionalidades necessrias para um amplo treinamento dos operadores de radar. importante que tanto a apresentao quanto a interface de uso sejam semelhantes ao radar que o operador ir encontrar no seu dia a dia, para criar familiaridade e automatismo.

Figura 4 - Captura de tela do simulador de Radar,

baseado no Furuno FAR-2117.

Assim como a apresentao, a interao do usurio com o sistema igualmente importante. Existem duas formas de interao com usurio: mouse e teclado. O uso do trackball do mouse permite o deslocamento do cursor pela tela e o scrollwheel permite a mudana de valores numricos. O teclado, diferente de um teclado convencional, permite ligar/desligar diversos elementos como o transmissor, EBL (Eletronic Bearing Line), VRM (Variable Range Marker), alarmes, permite mudar a escala de visualizao e acesso ao menu. Alm disto, controles rotatrios permitem um ajuste fino dos valores de EBL e VRM.

Para simular o eco do radar, necessrio que haja uma malha 3D do cenrio de navegao, incluindo navios, bias e terreno. A partir do ponto de origem do radar, traam-se raios e instanciam-se partculas em todos os pontos de interseo do raio com a malha. Cada partcula possui um decaimento de seu tempo de vida e desaparece aps alguns instantes. importante simular no apenas o eco do pulso eletromagntico do radar mas tambm todas as funcionalidades de auxlio navegao.

Dentre as principais funcionalidades do Radar esto a EBL (Eletronic Bearing Line), utilizada para obter marcaes e a VRM (Variable Range Marker), utilizada para fazer medies de distncia. A EBL uma linha tracejada que permite medir o ngulo, em graus, entre o Norte verdadeiro, se True Mode estiver selecionado ou a proa do navio, se Relative Mode estiver selecionado, e um alvo qualquer. De maneira similar, a VRM uma circunferncia, tambm tracejada, que mede a distncia do prprio navio at um alvo qualquer.

A comunicao do Radar com a simulao dada da mesma maneira que nos outros mdulos, ou seja, por troca de mensagens pela rede atravs de conexes TCP e UDP. O radar se conecta como um cliente e se inscreve para receber mensagens relativas posio do navio (Latitude/Longitude), seu aproamento (em graus) e velocidade (em ns). Alm disto, o radar tambm recebe estes mesmos dados de todos os alvos da cena, de maneira que todos os elementos dinmicos estejam corretamente posicionados ao longo do exerccio. Apesar de no ser utilizado neste simulador, o mdulo do Radar possui a capacidade de receber e processar mensagens em formato NMEA [2], permitindo assim a sua interoperabilidade com outros simuladores que utilizem este padro de comunicao. 3. Comunicao de Mdulos A comunicao entre os mdulos do simulador realizada atravs de um sistema de troca de mensagens que permite que cada instncia do sistema se inscreva nas mensagens que deseja receber atravs da rede. Um servidor central responsvel pelo recebimento, tratamento e redistribuio das mensagens, garantindo um uso eficiente da infra-estrutura de rede (Figura 5).

Figura 5 - Arquitetura atual do sistema. Um

servidor central serve de interface de comunicao entre todos os subsistemas.

SBC - Proceedings of SBGames 2012 Military Simulation Workshop

XI SBGames Braslia DF Brazil, November 2nd - 4th, 2012 7

O sistema cliente/servidor desenvolvido permite que os componentes da simulao troquem mensagens utilizando os protocolos TCP ou UDP, dependendo dos requisitos de garantia de entrega de cada tipo de mensagem. Mensagens enviadas constantemente cuja perda pode ser facilmente reparada, como o posicionamento dos navios na simulao, so enviadas utilizando o protocolo UDP para no congestionar a rede. Mensagens que carregam comandos ou trocas de estado na simulao utilizam TCP a fim de garantir seu recebimento. A API provida pelo componente de rede desenvolvido (Network Component, na Figura 5) oferece uma maneira transparente para o desenvolvedor trabalhar com a rede, especificando uma interface onde so codificados os comportamentos de cada componente no envio e recebimento das mensagens que ele prov ou consome. 4. Fsica do Oceano Um aspecto importante do projeto a linha de pesquisa que foi iniciada para estudar e desenvolver modelos realistas para a representao do oceano, que permitam o acoplamento com o movimento das embarcaes presentes na simulao e agreguem um comportamento plausvel e fisicamente correto ao simulador. Um dos grandes desafios nesse sentido simular extensas regies do mar com um custo computacional aceitvel para execuo em tempo real. Para isso necessrio o estudo de tcnicas de multirresoluo, que empreguem o processamento de forma inteligente, dando mais prioridade s regies de maior interesse. 5. Resultados em Andamento

Nesta seo, mostramos algumas figuras que mostram o estgio atual do desenvolvimento do simulador de passadio. As Figura 6 mostra uma instncia do mdulo do usurio do simulador em execuo, do ponto de vista do passadio do navio com panorama gerado pelo render de uma aplicao mestre e trs aplicaes escravas.

Figura 6 - Simulao em andamento do ponto de vista do

passadio.

A Figura 7 mostra uma simulao na qual o instrutor carregou um exerccio especfico para o treinamento de navegao em condies climticas adversas. Em especial, podemos observar que este exemplo de exerccio exige que o aluno navegue com FOG (neblina), chuva e mar agitado.

Figura 7 - Variaes das condies climticas da

simulao: FOG.

A Figura 8 mostra uma captura de tela dos instrumentos durante a simulao. Observe que os instrumentos passam informaes atualizadas sobre a direo e o sentido do vento, da corrente, a velocidade do navio, o heading, a profundidade do mar, entre outros.

Figura 8 - Painel de instrumentos durante a

simulao: Full Ahead.

6. Concluso Este trabalho descreveu os principais mdulos que esto sendo desenvolvidos para a criao de simulador nacional de passadio. O software tem particular interesse em simular navios da marinha mercante, que apresentam caractersticas importantes se comparados a outros tipos de embarcaes. Como relatado no trabalho, esto sendo implementadas todas as caractersticas necessrias para que o simulador fornea total nvel de imerso. Agradecimentos Os autores agradecem ao Centro de Instruo Almirante Graa Aranha - CIAGA, pelas informaes e apoio ao longo do projeto. Referncias [1] IMO InternationalMaritimeOrganization.

[2] NMEA 0183 - Standard for Interfacing Marine

ElectronicDevices. National Marine ElectronicsAssociation (US), 2002.

[3] Design and Task Analysis of a Open Source Ship Handling Simulator for Naval Academies. Claudio Coreixas de Moraes. Dissertao de Mestrado. Naval Postgraduate School, NPS, EstadosUnidos, 2011.

SBC - Proceedings of SBGames 2012 Military Simulation Workshop

XI SBGames Braslia DF Brazil, November 2nd - 4th, 2012 8