Sviluppo di simulazioni distribuite HLA: un caso studio in campo aeronavale

Sviluppo di simulazioni distribuite HLA: un caso studio in campo aeronavale S. Cerutti Alenia Aerospazio - Divisione Aeronautica Laboratorio Sistemi e Simulazione - LSIT Corso Marche, 41 10146 Torino, Italia sc@aeronautica.alenia.it A. Rocca Cetena s.p.a. Via Ippolito d'aste, 5 16121 Genova, Italia attilio.rocca@cetena.it Abstract L'utilizzo di simulazioni distribuite nell'ambito dei cosiddetti ambienti sintetici è cresciuto in modo notevole negli ultimi anni, specialmente per quanto riguarda le applicazioni destinate all'addestramento. Gli elementi essenziali che hanno caratterizzato lo sviluppo di tali simulazioni sono il riutilizzo di risorse preesistenti, non necessariamente progettate in un'ottica distribuita, e la loro interoperabilità. Un'architettura software molto giovane ma assai promettente, ideata specificamente per tener conto dei suddetti elementi base, è costituita dall'hla (High Level Architecture), promossa dal DMSO (Defense Modeling and Simulation Office) statunitense e raccomandata dalla NATO nel suo Modeling and Simulation Master Plan. Dopo essere passata da livello sperimentale a standard IEEE in soli quattro anni, tale architettura è oggi utilizzata nei più svariati impieghi. Questo contributo descrive il progetto condotto congiuntamente da Alenia Aeronautica e Cetena, riguardante l'utilizzo dell'hla come piattaforma per realizzare simulazioni distribuite: un dimostratore tecnologico, composto da un simulatore di velivolo sperimentale (Alenia Aeronautica) collegato ad un simulatore di nave portaerei (Cetena). Verranno altresì descritte le motivazioni che hanno portato alla realizzazione di tale prototipo e i principali risultati raggiunti, sia in termini di prestazioni del collegamento HLA real-time, sia per ciò che riguarda l'interoperabilità del sistema. 1 INTRODUZIONE La possibilità di disporre di un collegamento in tempo reale tra diversi sistemi di simulazione permette la realizzazione di un ambiente operativo in cui è possibile ricreare la varietà, complessità ed intercorrelazione del mondo esterno con un grado di realismo strettamente dipendente dalle simulazioni stesse. Negli ultimi anni si è andato affermando a livello mondiale il concetto di Synthetic Environment (S.E.), definito come un ambiente di simulazione integrato, comprensivo di operatori umani, sistemi reali e modelli virtuali, finalizzato ad esercizi di simulazione distribuita ed interattiva in tempo reale. P - 1

Nell'ambito del S.E. si tende inoltre a definire "federazione" l'insieme di più sistemi (simulati e non) connessi per svolgere un particolare esercizio con finalità proprie. Ogni sistema denominato "federato" è quindi collegato agli altri in modo da rappresentare nel complesso una simulazione realistica del mondo reale. Tra i vantaggi offerti da questa tecnologia vi sono un'elevata efficacia nelle attività di addestramento, e prove di missione simulata (mission rehearsal) sempre più realistiche. L ottimizzazione delle forniture militari in termini di prestazioni, costi e tempi di consegna e la maggiore sensibilità verso la protezione dell ambiente sono altre possibili applicazioni di elevato valore. La specializzazione del S.E. in grado di rispondere alle esigenze addestrative porta direttamente al concetto di ambiente di addestramento distribuito, ed è espressamente dedicata all addestramento individuale o collettivo. In modo più dettagliato, si può affermare che i vantaggi derivanti dall utilizzo di un S.E. per applicazioni addestrative sono due: il miglioramento del processo di addestramento e la riduzione dei costi. Le metodologie ed architetture software necessarie alla realizzazione della connessione fanno in genere riferimento all HLA (High Level Architecture); si tratta di un architettura sviluppata a partire dal 1995 dal Defence Modelling and Simulation Office (DMSO), il quale mette a disposizione gratuitamente tanto il software relativo quanto la documentazione di riferimento. Lo scopo di ciò è quello di favorirne la diffusione e stimolarne così lo sviluppo commerciale da parte di case software. Il 20 Settembre 2000 l HLA è stato approvato come standard IEEE 1516, con finalità specifiche di facilitare il riutilizzo di risorse e la loro interoperabilità. In tutti i Paesi occidentali, USA e Regno Unito in prima istanza, è in corso una significativa accelerazione verso l impiego di tale tecnologia, in sostituzione del precedente protocollo DIS (Distributed Interactive Simulation). Anche Alenia Aeronautica, quale azienda aeronautica impegnata sui più avanzati programmi internazionali, è quindi impegnata nell'acquisizione degli strumenti tecnici ed operativi necessari per fruire delle possibilità offerte dall'hla. In particolare si è considerato utile valutare l'efficacia dell'hla sia come infrastruttura per un collegamento distribuito tra siti diversi, sia per quanto riguarda il passaggio da un S.E. ristretto solamente all'interno di Alenia Aeronautica ad uno esteso all'esterno. In quest'ottica, si sono intraprese azioni per individuare partner adeguati a sperimentare un collegamento HLA tra siti geograficamente distinti e, possibilmente, in ambiti diversi da quello strettamente aeronautico, per poter dimostrare le potenzialità interforze del S.E. in via di sviluppo. In questa accezione anche per Cetena, il centro per gli studi di tecnica navale del gruppo Fincantieri, l'impiego del S.E. risulta di particolare utilità. Cetena ha infatti partecipato a progetti NATO quali NIREUS (NATO Interoperability and Reusability Study) ed il SBDVP (Gruppo di studio sul Simulation-based Design and Virtual Prototyping): nel progetto di simulazione distribuita descritto in questo articolo è stato dunque naturale procedere congiuntamente. Il presente lavoro è il risultato di un'attività di collaborazione tra Alenia Aeronautica e Cetena, ed è il più recente di una attività di sviluppo che in Alenia Aeronautica è iniziata con il collegamento tra i vari simulatori di volo disponibili presso il Laboratorio di Simulazione a Torino (in particolare AM-X, C-27J, ed i due simulatori Eurofighter di sviluppo e produzione), e successivamente proseguita con il collegamento del simulatore di volo C-27J con le sale di controllo del Centro Prove Volo di Caselle Torinese. 2 IL VELIVOLO Utilizzando le strutture presenti in Alenia Aeronautica, è stato allestito un modello di simulazione relativo ad un ipotetico velivolo ad alte prestazioni, che però potesse utilizzare cockpit, proiettori, dome e database geografico già disponibili. La struttura del programma di simulazione del velivolo è di tipo "legacy", ovverosia si tratta di un codice strutturato non pensato secondo i canoni della programmazione ad oggetti. Questa particolarità lo rende molto efficiente per quanto riguarda il funzionamento "stand-alone", ma meno adatto ad essere integrato con applicazioni strutturate ad oggetti e destinate ad un utilizzo in un'architettura HLA. E' stato dunque necessario sviluppare un front-end in linguaggio C++ che si interfacciasse con il codice del simulatore di volo, e rappresentasse in tutto e per tutto il federato velivolo nei confronti dell'rti (Run- Time Infrastructure). Quest'ultimo, che costituisce l'elemento centrale e caratterizzante dell'hla, fa parte del software fornito dal DMSO e coordina normalmente il funzionamento dell'evoluzione della federazione, riceve i valori aggiornati da parte di tutti i federati e li distribuisce ai federati che hanno segnalato un interesse P - 2

a ricevere tali parametri. Alcuni federati non pubblicano dati, ma ricevono solamente, e sono per questo chiamati "stealth observers", osservatori invisibili. Nel caso del federato velivolo, i dati riferentisi alla portaerei vengono ricevuti dal front-end tramite i servizi standard dell'rti, e comunicati al simulatore tramite una connessione in reflective memory, ovvero un anello in fibra ottica a bassissima latenza. Durante le attività di sviluppo del programma si sono dovuti risolvere alcuni specifici problemi. In particolare è stato necessario mettere a punto la simulazione di un carrello adeguato all'impiego in manovre di appontaggio, e garantire la compatibilità delle frequenze di aggiornamento dei modelli velivolo e nave durante le fasi di appontaggio. Il modello è dotato di un carrello triciclo, nel quale la dinamica di ogni ruota è calcolata in modo indipendente, rendendo così il modello adatto a simulare con accuratezza l'interazione con il ponte della nave, il quale si muove in maniera autonoma con sei gradi di libertà. E' stato inoltre attivato un modello di gancio e cavo frenante atto a rallentare il velivolo, permettendo così Fig. 1. L'interno del dome. Fig. 2. Il database geografico (Caselle). l'appontaggio sulla pista, alquanto corta, di cui dispone la portaerei. Il generatore di immagini possiede, oltre ad un database accurato del territorio, un modello di mare con moto ondoso, adattato in termini di frequenza, ampiezza, componenti spettrali al modello di mare disponibile presso Cetena che determina il moto della portaerei. 3 LA NAVE Il modello di nave utilizzato è stato concepito sin dall'inizio secondo una struttura ad oggetti. Il software è stato dunque semplicemente integrato nell'applicazione HLA che rappresenta il federato nave formando un'unica applicazione: nessun front-end si è quindi reso necessario. Nel campo idrodinamico vi sono due metodologie per calcolare la risposta al mare di una nave: una nel dominio del tempo, l'altra nel dominio delle frequenze (spazio di Fourier). Le tecniche lineari nel dominio delle frequenze assumono che eccitando la nave con una forma d onda sinusoidale si avrà come risposta una forma d onda con la stessa frequenza, con diversa ampiezza e fase. I calcoli delle risposte ad una singola forma d onda sinusoidale sono utilizzati per generare i Response Amplitude Operators (RAO), ossia i coefficienti di risposta della nave alla singola frequenza. Le tabelle dei RAO possono essere utilizzate per ottenere le risposte della nave a "mari reali" con spettri di frequenza completi. L approccio nel dominio del tempo può essere rozzamente descritto come una metodologia che assimila la nave ad un sistema massa più molla. La nave possiede infatti massa, rigidità (le forze di galleggiamento ad esempio), smorzamento (viscosità) e forze (le onde). Nei codici di calcolo nel dominio del tempo questo sistema è risolto per ogni passo temporale invece che per ogni risposta in frequenza. Un codice di moti nave nel dominio del tempo è più raffinato del corrispettivo nel dominio delle frequenze, ed è solitamente più impegnativo dal punto di vista computazionale. Il federato nave è stato realizzato con lo scopo di poter adattarsi sia a ricevere i risultati di P - 3

calcoli nel campo delle frequenze sia quelli di calcoli nel dominio del tempo. Nel primo caso il codice si interfaccia con il modulo dei moti nave attraverso un livello di standardizzazione il cui compito è quello di uniformare i risultati del codice di calcolo ad uno standard predefinito (nel nostro caso è stato adottato lo standard dell International Towing Tank). Questo modulo consente alla funzione di generazione delle storie temporali di interfacciarsi con qualsiasi tipo di codice di calcolo. Nel secondo caso le serie temporali vengono già fornite dall utente e devono essere conformi ad uno standard pre-definito, e dunque la funzione generatrice delle storie temporali non viene utilizzata. La generazione dei moti nave dai RAO richiede la realizzazione di un software più complesso rispetto al più semplice utilizzo di storie temporali pre-registrate, ma consente di avere un strumento molto più flessibile, permettendo infatti all utente, attraverso un interfaccia grafica, di controllare i parametri dell analisi e di simulare situazioni diverse in breve tempo senza dover modificare il codice di simulazione. Fig. 3. La portaerei al largo di Genova. Fig. 4. Sul ponte della portaerei. Gli input del federato nave consistono di dati pertinenti alla nave e dati che descrivono il mare. La nave viene descritta dalla sua rotta, velocità, condizioni di carico e dalle tabelle dei coefficienti di risposta. Il mare è invece identificato da altezza significativa dell onda, periodo modale e funzione di descrizione dello spettro, secondo il modello di Jonswap/Bretschneider. I coefficienti di risposta della nave sono calcolati per un predeterminato insieme di velocità, angoli d onda e condizioni di carico. L'output pubblicato dal federato è costituito dai sei gradi di libertà del centro di gravità in termini di spostamento, velocità ed accelerazione. 4 IL COLLEGAMENTO HLA Secondo i criteri di costo minimo che sono stati decisi per questa dimostrazione di tecnologia, il collegamento HLA tra Alenia Aeronautica (Torino) e Cetena (Genova) è stato realizzato fisicamente tramite un singolo canale ISDN, dunque capace di solo 64000 bit al secondo, del tutto paragonabile ai modem analogici molto diffusi per accesso casalingo ad Internet. Un collegamento di tipo "broad band" è auspicabile per il futuro, quando si vorranno svolgere missioni che richiedono un livello maggiore di interoperabilità e dunque un maggior numero di dati scambiati; per il momento è stato possibile lavorare con risorse minime grazie al fatto che i moti della nave non necessitano di un aggiornamento in tempo reale troppo elevato (20 Hz). I dati pubblicati da ogni federato includono i parametri che identificano i sei gradi di libertà e le loro derivate temporali, oltre al tempo al quale i dati si riferiscono. Questo permette l'utilizzo di algoritmi di "dead reckoning" o estrapolazione, in caso (ordinario) di ritardi sulla linea. Durante la messa a punto del front-end HLA si sono incontrati alcuni problemi relativi alla infrastruttura software fornita dal DMSO. Tale applicazione è infatti concepita come un incubatore tecnologico di iniziative commerciali a venire, più solide, maggiormente ottimizzate, e provviste di una più ampia documentazione. Pertanto si è dovuto attendere che P - 4

alcuni errori nel software fossero individuati e le correzioni incluse dal DMSO in una versione aggiornata. Sono peraltro già da tempo disponibili versioni commerciali dell'infrastruttura HLA che in futuro aumenteranno sempre più le prestazioni e la facilità di utilizzo: sempre secondo i criteri di costi contenuti, per questo progetto si è optato per la soluzione gratuita. In figura 5 è mostrato lo schema del collegamento HLA stabilito tra Cetena e Alenia. A Genova si è lavorato in ambiente Microsoft su PC, mentre a Torino si è preferito utilizzare soluzioni legate al sistema operativo Unix. Gli switch etichettati "LAN" e i due router sono componenti standard di ogni rete TCP/IP, e le linee nere indicano cavi Ethernet di collegamento. La componente RTI che gestisce il traffico ed il funzionamento dell'hla è indicata in figura come residente a Genova, ma è stata indifferentemente posta anche a Torino, su un qualunque processore situato sulla stessa rete. Due federati "stealth observer" fanno parte della federazione, per poter osservare dall'esterno le operazioni aeronavali in corso. A Genova è stato utilizzato uno schermo PC, Dome Simulatore Federato Viewer Federato Viewer Stereoscopico Front-end Federato Velivolo Federato Nave LAN RTI ISDN router LAN Torino ISDN link ISDN router Genova Fig. 5. Schema del collegamento HLA. mentre a Torino è stato possibile realizzare una visualizzazione stereoscopica su uno schermo retroproiettato da 67". Entrambi i visualizzatori offrono, a chi non si trova nel dome del simulatore di volo, una visualizzazione assai più eloquente di una semplice mappa bidimensionale, ciò anche grazie alla possibilità di variare a piacere il punto di vista dell'osservatore. Il visualizzatore stereoscopico risulta ovviamente più adatto per poter apprezzare la dinamica relativa tra le due entità. Come specificato nei paragrafi precedenti, il federato velivolo è costituito da un front-end che comunica con il simulatore tramite un anello in reflective memory basato su bus VME, indicato in arancione nella figura. P - 5

In figura 6 sono mostrate due vedute di un volo di avvicinamento: sono visibili parte della cabina di pilotaggio (in nero) e l'hud (Head-Up Display) del velivolo, in verde. Dopo aver instaurato il collegamento, si è proceduto ad un semplice sorvolo del ponte della portaerei. In un secondo momento sono state effettuate manovre in cui vi era qualche interazione tra nave e aereo, in pratica ponendo quest'ultimo sul ponte ed effettuando manovre su di esso. Solo successivamente la manovra di appontaggio è stata messa a punto. Gli appontaggi portati a termine con successo sono stati registrati, e possono essere riprodotti in ogni momento sui visualizzatori. Fig. 6. Avvicinamento (a) e (b). 5 CONCLUSIONI La valutazione d'insieme dell'esperienza acquisita è molto positiva. Per Alenia Aeronautica, il progetto si inserisce nell'ambito dello sviluppo di un Synthetic Environment, che parte da applicazioni aeronautiche ma può evolvere in ambito interforze. La struttura HLA applicata a simulazioni distribuite è stata valutata "in azione", osservandone le prestazioni e individuandone le problematiche, specialmente relative all'inclusione in federazioni HLA di federati "legacy", ovverosia preesistenti e non concepiti con architettura aperta. Per Cetena invece si è trattato di uno sviluppo della funzione di "Model Provider". Oggigiorno è ben conosciuta la figura dell Internet Provider, cioè di quella società od ente in grado di fornire accessi ad internet. Nel mondo della simulazione, soprattutto dopo l introduzione dell'hla, si può individuare la figura del Model Provider: quell attore (società, ente di ricerca, etc.) che, avendo le conoscenze necessarie per modellare un ambiente o sistema, ne crea un'implementazione e la rende disponibile ad altri con l uso di un protocollo di comunicazione standardizzato. L'architettura HLA è stata concepita proprio per facilitare il riutilizzo di risorse in questo modo. In questo progetto, Cetena ha agito come Model Provider verso Alenia Aeronautica, e lo stesso si può dire di Alenia nei confronti di Cetena. In conclusione, si è aperta la possibilità futura per entrambi i partecipanti di intraprendere progetti in cui sia richiesto un livello di interoperabilità più elevato, tale da sfruttare più pienamente i servizi offerti dall'hla. P - 6

6 ACRONIMI DIS DMSO NATO HLA HUD IEEE ISDN LAN NIREUS RAO RTI SBDVP SE SIMNET TCP/IP VME WAN Distributed Interactive Simulation Defense Modeling and Simulation Office North Atlantic Treaty Organization High Level Architecture Head-Up Display Institute of Electrical and Electronic Engineers Integrated Services Digital Network Local Area Network NATO Interoperability and Reusability Study Response Amplitude Operators Run-Time Infrastructure Simulation-based Design and Virtual Prototyping Synthetic Environment Simulation Network Transmission Control Protocol/Internet Protocol Versatile Module Equipment Wide Area Network P - 7