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Adaptación de modelos de simulación estándar a modelos virtuales y/o sistemas de
entrenamiento distribuidos, con representación del movimiento continúo de
entidades.
Pau Fonseca i Casas
Departamento de Estadística e Investigación Operativa. Universidad Politécnica de Cataluña.
Barcelona, Catalunya, 08034, SPAIN
Josep Casanovas
Departamento de Estadística e Investigación Operativa. Universidad Politécnica de Cataluña.
Barcelona, Catalunya, 08034, SPAIN
Jordi Montero
Departamento de Estadística e Investigación Operativa. Universidad Politécnica de Cataluña.
Barcelona, Catalunya, 08034, SPAIN
comprensión al detalle de los diferentes elementos que Es en este punto, donde la representación de los modelos en La representación de los modelos de simulación ha ido ganando formato de realidad virtual, así como la capacidad de entrenar a importancia a medida que los modelos crecían en complejidad y personal especializado a través del modelo de simulación era necesario dotar a los mismos de mayor potencia explicativa. deviene una característica muy interesante a tener en cuenta No obstante, con la complicación de la lógica que rige el dentro de las características de los sistemas que permiten comportamiento de los modelos de simulación, llegar a modelos mas refinados y realistas -y con una representación La posibilidad de usar los modelos de simulación como que también cada vez sea más realista- requiere cada vez mayor sistemas de entrenamiento o representación, en formato de potencia de cálculo. Por otro lado el aumento del nivel de realidad virtual del modelo, tiene no obstante, una doble detalle en las interfac es de los sistemas de simulación, permite usar estos no solamente para la toma de decisiones sino también El primer problema hace referencia a la mera representación virtual del modelo. Para ello se debe asociar, si puede ser de El sistema desarrollado por el LCFIB denominado LeanSim® una forma simple y rápida, a cada elemento del modelo de [1], permite representar de forma distribuida sus modelos de simulación una representación virtual y permitir la simulación, y usar estas “ventanas” de representación como modificación de la misma a partir de la lógica del simulador. puntos de entrenamiento. A partir de la experiencia ganada El segundo problema, y normalmente de mas difícil resolución durante el desarrollo del proyecto, se generalizó el uso del en los sistemas de simulación genéricos, es dotar a la cliente de representación, dando lugar a la creación del sistema representación virtual de la capacidad de modificar el modelo VRABox®, que permite el uso de clientes de representación en de simulación a partir de la interacción de un usuario con el la mayoría de los simuladores, dotando a los mismos de la capacidad de representar el modelo en formato de realidad Actualmente, la mayoría del software de simulación no está virtual y , siempre que sea posible, usar esta representación para pensado para ofrecer una respuesta satisfactoria a estas necesidades, la mayoría de los simuladores no están pensados para poder ofrecer una representación realista del modelo que Palabras clave . Simulación, Realidad virtual, VRML, Sistema
implementan, y aún menos una representación distribuida, distribuido, Sistema de entrenamiento, tiempo real, LeanSim, necesaria si se desea entrenar a más de un operario, o bien observar el modelo simultáneamente desde diferentes puntos de vista sin ralentizar la ejecución de la simulación. No obstante, el elevado coste de un modelo de simulación, no INTRODUCCIÓN
solo a nivel del software que implementa el sistema en si, sino también el asociado a la construcción de los diferentes modelos Tradicionalmente, el principal objetivo de un proyecto de que el sistema de ayuda a la decisión usa, hace muy interesante simulación es la obtención de datos que permitan comparar las la posibilidad de adaptar antiguos modelos de forma que diferentes alternativas planteadas. No obstante, cada vez más, puedan recoger estas nuevas necesidades. los modelos de simulación se usan no solamente como una A continuación se explicará la arquitectura planteada para poder valiosa herramienta para comparar estas alternativas, sino adaptar el software existente de simulación a las estas nuevas también como instrumentos extremadamente útiles para la necesidades, así como se detallarán las características precisas SISTEMAS, CIBERNÉTICA E INFORMÁTICA VOLUMEN 2 - NÚMERO 2 que este software ha de tener para que ello pueda realizarse con El primer par de elementos pueden ser dos puntos de interacción que representarán las máquinas con las que los operarios trabajan. Estos dos puntos solamente pueden ver el entorno asociado a su máquina, no podrán ver nada más del EL OBSERVADOR REMOTO
modelo. Así mismo, sólo podrán interactuar con el modelo de simulación a partir de su máquina respectiva. Se puede definir El sistema de simulación LeanSim® desarrollado en el otro punto de interacción que permita modificar parámetros de Laboratorio de cálculo de la Facultad de Informática de las dos máquinas, así como del sistema de generación de Barcelona, permite representar los modelos de simulación de entidades que circularán hacia cada una de ellas. Este punto de forma distribuida a partir de un cliente de representación interacción podría ser ocupado por una persona que quisiera evaluar el trabajo de los dos operarios a partir de modificar las Este sistema, a partir de un conjunto de elementos que se condiciones del simulador. Finalmente se puede definir un pueden incorporar a cualquier modelo de LeanSim®, permiten punto de observación que permita a un responsable de la comunicarse con el motor de simulación (denominado empresa seguir on- line la evaluación o entrenamiento de sus LeanGen) y de esta forma crear sistemas de entrenamiento (el operarios, así como el trabajo del evaluador. sistema LeanClient con los componentes de comunicaciones El rol que juega cada persona dentro del simulador se define en hacia el motor de simulación se denomina LeanTrainin g). una base de datos que recoge los diferentes roles definidos para Es importante notar que el sistema de representación del modelo (LeanClient) es un elemento remoto, y que puede ejecutarse en cualquier máquina que esté conectada mediante TCP/IP con la máquina que ejecuta el modelo. ARQUITECTURA DE VRABOX®
Gracias a la representación distribuida, los modelos pueden ser complejos en sus dos vertientes , en su lógica interna, y también A continuación se describirá brevemente la arquitectura en cuanto a los detalles de su representación, sin que este planteada a través de su implementación concreta en segundo aspecto repercuta en la velocidad de la ejecución del VRABox®, y las condiciones que han de cumplir los simuladores para poder usar este sistema. Los sistemas LeanClient, sin capacidad de interactuar con el Es interesante notar que, a parte de los diferentes elementos que modelo, permitirán implementar lo que se denomina puntos de componen el sistema, existen una serie de ficheros que permiten observación (del modelo), mientras que a los sistemas LeanTraining permitirán implementar los puntos de interacción Estos ficheros se estructuran en el directorio de instalación de la aplicación, y pueden ser de diferentes tipos (ficheros de AutoCad®, ficheros de imágenes gif, jpg, bmp, para decorados, El rol del observador
ficheros con contenido multimedia para recrear animaciones, etc.). La arquitectura planteada, implementada en el sistema VRABox®, permite la conexión simultánea de varios puntos de observación y/o de interacción con el motor de simulación, a ELEMENTOS
través de los que operaran los usuarios. Cada uno de estos usuarios tendrá un rol específico dentro del En la siguiente figura se muestran los elementos principales de modelo de simulación, no solamente por el hecho de observar el modelo a partir de un punto de observación o de interacción, sino también por las particularidades que estos puntos pueden tener definidas. Estas particularidades hacen que aparezca lo que denominamos el rol del observador. Este rol determina cuá les son las acciones que un observador puede realizar dentro del modelo, así como su ámbito de visibilidad. Por ejemplo, si tenemos un sistema, como el mostrado en la Figura 1: Sistema de evaluación., formado por un par de máquinas controladas por sendos operarios, podríamos monitorizar el sistema a partir de 4 elementos. El sistema de representación virtual (en nuestro caso LeanClient), que permitirá representar los diferentes puntos de interacción y de observación del modelo. SISTEMAS, CIBERNÉTICA E INFORMÁTICA VOLUMEN 2 - NÚMERO 2 La base de datos, que permite la definición de los diferentes roles para los usuarios. VRMovie-maker, que permite procesar los eventos que se crearán en el modelo de simulación y en los puntos de interacción a través de TCP/IP. Elementos de interacción, que permiten que el usuario pueda, a través de ellos, interactuar con el modelo. Plantillas del sistema de simulación que permitan gestionar el envío de información vía TCP/IP. A continuación pasaremos a explicar brevemente los elementos Figura 4 : Ventana inicial de VRMovie-Maker Los parámetros iniciales configurables son el puerto de comunicaciones, el intervalo de refresco y el número máximo LEANCLIENT
Una vez estos parámetros han sido definidos, es posible cargar La apariencia del cliente de representación se puede observar en o crear un nuevo modelo virtual para el modelo de simulación. Para ello VRMovie-Maker presenta el aspecto representado en Figura 5 : Ventana de edición de VRMovie-Maker La misión del cliente de representación es mostrar el modelo de No se explicará el funcionamiento de VRM ovie-Maker. Se simulación en formato de realidad virtual. Es por ello que destaca, únicamente, que la capa que representa necesitará cualquier cliente de representación tendrá dos elementos adaptarse en función de la capacidad de definición de elementos fundamentales: el motor de representación, que en nuestro caso de comunicación en el simulador. Gracias a este elemento, los se basa en un motor de VRML [3], y el sistema de diferentes clientes de representación no tendrán que modificarse, independientemente del simulador con el que se No se entrará en mas detalles sobre el funcionamiento del trabaje, y en el modelo de simulación simplemente deberán cliente de representación, aunque puede consultarse [1]. incorporarse unos pocos componentes que permitan enviar mensajes a este elemento, tal como se verá mas adelante en la VRMOVIE- MAKER: SISTEMA DE
COMUNICACIÓN CON EL SIMULADOR.
ELEMENTOS DE INTERAC CIÓN
El objet ivo fundamental de este elemento es la comunicación entre los diferentes clientes de representación y el simulador. Los diferentes elementos de interacción están escritos en La figura 4 se muestra la ventana inicial del sistema de VRML y Java [9]. Permiten que el motor de rep resentación comunicación VRMovie-Maker que se ha implementado. VRML del cliente capture las acciones del usuario, y envíe esta Esta ventana se mostrará una vez que el simulador haya cargado información al VRMovie-Maker (que hará llegar esta el modelo de simulación que se desea representar. Estos elementos de interacción poseen una parte de código común que no tiene que ser rescrita en función del proyecto, y que permite realizar las acciones mas comunes (apretar un mecanismo, arrastrar, pasar por encima, etc.). No obstante, es evidente que al estar muy vinculados a la representación física de los elementos que desean representar, es necesario modificar su estructura para cada proyecto. Esta personalización es simplemente a nivel de representación, y únicamente involucra a los elementos representados que permiten ser manipulados por el usuario. SISTEMAS, CIBERNÉTICA E INFORMÁTICA VOLUMEN 2 - NÚMERO 2 PLANTILLAS
10. REPRESENTAR EL MOVIMIENTO CONTÍNUO
En la mayoría de los sistemas de simulación, a no ser que Debido a que las comunicaciones entre el motor de simulación permitan la comunicación con el exterior directamente vía y el cliente de representación se darán en una red, es importante TCP/IP, es necesario incluir elementos que nos habiliten esta minimizar el número de eventos necesarios para permitir la posibilidad. Actualmente muchos de los sistemas de simulación permiten importar, o ejecutar código que puede realizar esta El principal problema reside en representar el movimiento en aquellos elementos que presentan movimiento continuo. A partir de la escritura de este código, es necesario crear unas La primera solución que se puede plantear es el uso de eventos plantillas (siguiendo el formato de Arena®), o módulos (como de representación. Con esta solución se escoge un determinado se hace en Witness®), que al ser introducidos dentro del ? t, que indicará el intervalo de tiempo a partir del que se irán modelo de simulación no tengan ningún efecto sobre el mismo, actualizando las representaciones en el cliente de pero que permitan enviar mensajes TCP/IP hacia el VRMovie- Maker, y gestionar los mensajes que el VRMovie-Maker pueda El principal problema radica en que se generan una gran cantidad de eventos que no tienen nada que ver con el modelo Esta característica no esta siempre presente en los simuladores, de simulación, y que tendrán que ser transmitidos vía TCP/IP, y es por este motivo que no en todos será posible crear un lo que pude plantear una solución altamente ineficiente, teniendo en cuenta las características distribuidas del sistema. A continuación se detallan las características a cumplir por un Otra solución es la definición de rutas. Estas rutas especificarán los puntos por los que los diferentes elementos se podrán mover A nivel operativo, cuando el motor de simulación detecta la necesidad de crear una nueva representación para un elemento CARACTERÍSTICAS NECESARIAS DE UN
que tendrá un movimiento continuo, como por ejemplo situar SISTEMA DE SIMULACIÓN PARA PODER USAR
un elemento al inicio de una cinta, envía no únicamente la VRABOX®
posición actual al LeanClient (Or), sino que también envía la posición de destino (Dt) y la velocidad del movimiento (V). Es Evidentemente no todos los simuladores existente en el importante destacar que cada uno de esto elementos pertenece a mercado están preparados para poder comunicarse con un espacio métrico de dimensión 3, puesto que podemos VRMovie-Maker, y por tanto usar VRABox®. Las características que ha de tener un simulador para poder usar Además del paso de estos tres parámetros por parte del simulador en el evento de inicio de representación del Capacidad de incluir código: esta característica
movimiento continuo, también debe existir una relación entre la permite la ejecución de código, generalmente Visual velocidad del movimiento (v), y el paso de tiempo en el modelo Basic o Java que, de esta forma, permitirá establecer de simulación. Es decir, es necesario que en la simulación se especifique un ?t fijo que indique como avanza el reloj de Capacidad de acceder al estado de diferentes
simulación (pero no el tratamiento de eventos, que al ser event elementos vía código: Además de poder usar el
scheduling no garantiza que el paso temporal entre eventos sea código para poder generar la comunicación con fijo [8]). Este ?t es necesario solamente para que la VRMovie-M aker, es necesario también que se pueda representación se adecue al modelo simulado, pero no acceder a las características de los diferentes provocará ningún envió extra de eventos a través de la red. elementos del modelo de simulación, como mínimo a Hablar de un ?t constante para el reloj de la simulación es hablar de simulación a tiempo real, aunque evidentemente el Capacidad de crear plantillas: A partir de estas
factor multiplicativo del tiempo de simulación respecto al plantillas, se especificará el formato de las cadenas de tiempo real puede ser de 2, 3 ó 0.5, lo que provocaría texto que se enviarán a VRMovie-Maker, y se simulaciones dos o tres veces mas rápidas, o a la mitad de la añadirán los nuevos elementos al modelo para, a velocidad de lo que sería el sistema real respectivamente. partir de unas modificaciones que no afectarán en En el sistema hay que especificar este factor de tiempo real absoluto al comportamiento, poder enviar mensajes a (Rtf). VRABox® permite especificarlo cómodamente en una VRMovie-Maker y que este pueda efectuar la ventana como la que se muestra a continuación. representación. Esta característica no es necesaria, pero sí recomendable para facilitar la tarea de adaptación del modelo. Si se cumplen estas características, será posible crear sistemas Con estos datos, LeanClient construye una nueva ruta, Para cada simulador será necesario especificar únicamente las considerando un factor de escala temporal apropiado. plantillas que permitirán establecer la comunicación con Pare representar el movimiento se calcula el tiempo necesario VRMovie-Maker, pero el resto del sistema no deberá ser La distancia que se utiliza es la distancia euclidiana, por tanto la Si ninguna de estas características se cumple, es posible expresión usada es la mostrada en la siguiente ecuación. representar los modelos de forma distribuida a partir de una traza de la simulación [2]. Evidentemente será, no obstante, imposible crear sistemas de entrenamiento. SISTEMAS, CIBERNÉTICA E INFORMÁTICA VOLUMEN 2 - NÚMERO 2 Otro problema es que el evento que modificaría la posición de (Or − Dt )2 + (Or − Dt )2 + (Or − Dt )2 un objeto al finalizar su movimiento continuo se demore, con lo que habría objetos que se quedarían fijos al final de su Estos dos casos denotan que la red provoca demoras Como se ha comentado, este tiempo se usa para determinar importantes en la transmisión de la información. cuánto tardará el elemento para llegar a su destino. El motor de Lo normal, no obstante, es que las demoras en la transmisión de representación (que usa VRML en nuestro caso) se encarga de los paquetes de información no sean excesivamente grandes, y realizar los cálculos necesarios para que esto sea así. que permitan que la apariencia del modelo representado en el Generalizando, puede darse la situación en la que el LeanClient se ajuste al modelo ejecutado en el simulador. movimiento continuo no se da únicamente entre dos puntos, sino que pasa por un conjunto de puntos intermedios antes de En la siguiente tabla se muestran los tiempos que se tarda en En ese caso se define una lista de la siguiente forma: Anim1 = ({p ,t },{ p ,t },.,{ p ,t },.,{ p Tabla 1: Tiempo en ms del recorrido a través del Atlántico Esta lista representa los puntos de paso p1.p n por los que tiene que circular el objeto. Cada uno de estos puntos tiene asociado un tiempo que indica el instante en el que el objeto ha de pasar. Este método para representar elementos es comúnmente usado, por ejemplo, en VRML, pero en un entorno de simulación distribuido como VRABOX® permite reducir sensiblemente Tabla 2: Tiempo en ms del recorrido a través del Pacifico los eventos que se envían a través de la red. Si la animación se ha de detener, se envía un evento de stop al El tiempo medio de demora de un paquete de información es de LeanClient, y la animación entera es destruida. Posteriormente, cuando se reinicia la animación, ésta se reconstruye poniendo como primer elemento el último punto visitado del objeto, y Obviamente la cantidad de eventos que fluirán a través de la red como posteriores los que quedaban por visitar. por unidad de tiempo es proporcional a Rtf, por lo tanto en redes más eficientes, sin tener en cuenta el tiempo necesario El código usado para representar el movimiento dentro de para efectuar la representación, se podrían representar modelos LeanClient tiene la estructura mostrada a continuación: / Primer amente la creación del objeto a animar 11. ESTUDIO DE SIMULADORES
//ahora es necesario crear el interpolador de posiciones, que controla el movimiento y la demora en cada punto de la ruta. A continuación se analizan algunos sistemas de simulación CreateInterpPositions(Interpolator,Keys,KeysValues); discreta, y se indica en qué nivel se podría trabajar con cada / Es necesario crear un reloj que controle el movimiento. CreateTimer(Timmer,Time,"FALSE","0","0"); / Finalmente en VRML es necesario conectar los eventos que generan los diferentes objetos con los objetos que han de tratar distribuida a distribuida en de entrenar AddRoute("GLOBAL","time",Timmer,"set_startTime"); AddRoute(Timmer,"fraction_changed",Interpolator,"set_fractio AddRoute(Interpolator,"value_changed",Object,"set_translation Un detalle interesante es que en la creación del reloj que controla la duración de la animación, se le pasa como parámetro el tiempo total de la animación, calculado a partir de la 12. EJEMPLO DE REPRESENTACIÓN PARA ARENA®
CreateTimer(Timmer,Time,"FALSE","0","0"); Se escogió Arena® porque permite incluir código VisualBasic, más la creación de plantillas y el acceso a determinadas características de sus objetos de simulación. Además Arena® El principal problema de esta aproximación es que, puede carece de un motor de representación en formato de realidad existir un desfase entre el motor de simulación y el cliente de representación, (LeanClient), es decir se podría estar mostrando virtual no basado en la traza, por lo que representaba un candidato adecuado para probar la arquitectura planteada. el pasado del modelo de simulación. Por lo tanto, es posible que Como se ha comentado, Arena® permite el uso de VisualBasic, los objetos involucrados en movimientos continuos no tengan tiempo de acabar su movimiento. pero en lugar de implementar las rutinas de comunicación de esta forma, lo que se hizo fue crear una librería dinámica que SISTEMAS, CIBERNÉTICA E INFORMÁTICA VOLUMEN 2 - NÚMERO 2 permite realizar esta comunicación, simplificando enormemente el código necesario dentro de los diferentes elementos. En Arena® se puede indicar el uso de librerías dinámicas dentro del modelo de simulación a partir de la ventana que se muestra en la siguiente figura. A partir de este punto, ya puede establecerse la comunicación con Arena. Para ejecutar los modelos, simplemente debemos tener cargado el modelo de simulación de Arena®, y a partir de un LeanClient, que puede estar situado en cualquier otro PC conectado via TCP/IP con el PC que contiene el modelo, lanzar un evento de inicio de simulación. Este evento inicia la Los elementos del modelo que permitirán enviar la información fuera del modelo serán los elementos TASK, que formatearán el ejecución de la simulación en la máquina que tenga el modelo Arena®, e iniciará la captura de eventos de representación en el texto cargándolo con la información que se desea enviar, mientras que el bloque ARRIB será el encargado de gestionar la LeanClient para poder mostrar la evolución de la misma. En la siguiente figura se muestra un sencillo ejemplo en el que 13. CONCLUSIONES
se indica el uso del bloque TASK y ARRIB. En el presente artículo se ha visto que siempre es posible crear representaciones virtuales distribuidas de modelos de simulación, creados a partir de simuladores estándar, pero no siempre será posible crear sistemas de entrenamiento a partir de estas representaciones. Los sistemas de simulación más comunes no tienen capacidad para representar en formato de realidad virtual y de forma distribuida sus modelos. Esta deficiencia limita el tipo de aplicaciones para las que se pueden usar sus modelos, limitando enormemente su uso por ejemplo para sistemas de entrenamiento. Con la metodología planteada aquí, y concretamente con el paquete VRABox® es posible dotar a cualquier simulador de la capacidad de representar los modelos de forma distribuida en formato de realidad virtual, permitiendo además a algunos simuladores la posibilidad de crear sistemas de entrenamiento. Figura 8 : Ejemplo de uso de TASK y ARRIB en Arena®. Como se ha visto VRABox® reposa sobre una tecnología estándar de representación (VRML) lo que facilita Así mismo, es necesario especificar el factor de velocidad de enormemente la tarea al equipo que desarrolla los modelos representación de la animación para poder obtener animaciones virtuales, así como al equipo que implementa las diferentes realistas. En la siguiente figura se muestra la ventana de Arena® que permite realizar esta operación. SISTEMAS, CIBERNÉTICA E INFORMÁTICA VOLUMEN 2 - NÚMERO 2 14. REFERENCIAS
[1] Pau Fonseca i Casas, Josep Casanovas I García, Jordi Montero i García; LeanSim: Un sistema de simulación
para el entrenamiento de personal especializado dentro de
sistemas complejos; Memorias de la 2ª Conferencia
Iberoamericana en sistemas, cibernética e informática
CISCI 2003, Volumen I.
[2] Josep Casanovas i García, Wilfredo Pérez Ribero, Jordi Montero i García, Pau Fonseca i Casas; Simulación de
recepción y expedición, y áreas de picking en una planta
de producción farmacéutica; 6th IEEE International
Conference on Emerging Technologies and Factory
Automation ETFA 99.
[3] Andrea L. Ames ; David R. Nadeau ; John L. Moreland 2000 VRML 2.0 Sourcebook, 2E. 688
[4] Microsoft Foundation Classes version 6.0 for Visual C++. Microsoft Development Network. Visual Studio 6.0.
[5] Microsoft Development Network Library. Visual C++
[6] Antoni Guasch, Miquel Àngel Piera, Josep Casanovas, Jaime Figueres, Modelado y simulación. Aplicación a
procesos logísticos de fabricación y servicios. Ediciones
UPC, 2002
[7] Ulises Cortés García, Javier Béjar Alonso, Antonio Moreno Ribas Inteligencia Artificial, Ediciones UPC,1994
[8]. Law, A. M., Kelton, W. D. Simulation modeling and
analysis. McGraw-Hill, 2000.
[9] Jaime Jaworski, Java 1.2 al descubierto. Editorial Prentice
[10]. The Direct X Programmer Reference . Graphics and
Multimedia Services. Microsoft Developer Network. 1998-1999. [11] Geoffrey Gordon. System simulation; Editorial Prentice
[12] Michael Luck, Peter McBurney, Chris Preist; Agent
Technology: Enabling Next Generation Computing;
AgentLink 2003
[13] Richard Murch, Tony Johnson; Intelligent Software
Agents; Prentice Hall 1999.
15. DIRECCIONES DE INTERN ET
[14] http://ipnetwork.bgtmo.ip.att.net/network_delay.html [15] http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/ SISTEMAS, CIBERNÉTICA E INFORMÁTICA VOLUMEN 2 - NÚMERO 2

Source: http://www.iiisci.org/journal/CV$/risci/pdfs/P924485.pdf