31 Maio 2007

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Simulação Virtual de Agentes Autônomos para a Identificação e

Controle de Incêndios Gustavo Pessin et al.

Simulação Virtual de Agentes Autônomos para a Identificação e Controle de Incêndios

em Reservas Naturais

Gustavo Pessin1

Fernando Osório1

Vinícius Nonnemmacher2

Sandro S. Ferreira2

Soraia Musse3

1Unisinos - PPG Computação Aplicada 2Unisinos - Graduação em Desenvolvimento de Jogos e Entretenomento Digital3PUCRS - FACIN

Apresentado por:Apresentado por:Prof. Dr. Fernando S. Prof. Dr. Fernando S. OSÓRIOOSÓRIO - - PPG Computação Aplicada / Unisinos { fosorio@unisinos.br }PPG Computação Aplicada / Unisinos { fosorio@unisinos.br }

RBV - Rede Brasileira de Visualização / FINEPRBV - Rede Brasileira de Visualização / FINEP

31 May 2007

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Simulação Virtual de Agentes Simulação Virtual de Agentes Autônomos para a Identificação Autônomos para a Identificação

e Controle de Incêndios em e Controle de Incêndios em Reservas NaturaisReservas Naturais

Gustavo Pessin, Fernando OsórioUnisinos – PIPCA

Vinícius Nonnemmacher, Sandro S. FerreiraUnisinos –GT JEDi

Soraia MussePUC-RS – FACIN

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MotivaçãoMotivação► ContextoContexto: anualmente são registrados 45.000 incêndios nas : anualmente são registrados 45.000 incêndios nas

florestas da Europa. Entre 1989 e 1993, 2,6 milhões de florestas da Europa. Entre 1989 e 1993, 2,6 milhões de hectares florestais na zona mediterrânica foram destruídos hectares florestais na zona mediterrânica foram destruídos pelo fogopelo fogo

► BrasilBrasil: Grande extensão territorial e expressivo número de : Grande extensão territorial e expressivo número de ocorrências de incêndios florestais ocorrências de incêndios florestais

► Órgãos públicosÓrgãos públicos envolvidos: Secretaria Nacional de Defesa envolvidos: Secretaria Nacional de Defesa Civil e a criação de novos CEPEDs - Centro de Estudos para a Civil e a criação de novos CEPEDs - Centro de Estudos para a Prevenção de Emergências e Desastres. Prevenção de Emergências e Desastres.

► Iniciativas do governoIniciativas do governo: : RBV – Rede Brasileira de Visualização (FINEP)RBV – Rede Brasileira de Visualização (FINEP)Competência de Segurança e Defesa (Civil e Militar) / UnisinosCompetência de Segurança e Defesa (Civil e Militar) / Unisinos

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PropostaProposta► Projeto e desenvolvimento de um Projeto e desenvolvimento de um ambiente virtual de simulaçãoambiente virtual de simulação realística utilizando realística utilizando agentes robóticos agentes robóticos

autônomosautônomos e e comunicativoscomunicativos. . Aplicação no processo de automatização da identificação e combate de incêndios em reservas florestais, usando agentes Aplicação no processo de automatização da identificação e combate de incêndios em reservas florestais, usando agentes

autônomos. autônomos.

► Simulação utilizada também no Simulação utilizada também no treinamentotreinamento e no e no acompanhamento de equipes - acompanhamento de equipes - estratégiaestratégia - de combate a incêndios. - de combate a incêndios.

► Os Os agentes planejam suas açõesagentes planejam suas ações baseados em dados de sensores, como GPS, odômetro, sensor de temperatura, baseados em dados de sensores, como GPS, odômetro, sensor de temperatura, entre outros.entre outros.

► As operações dos agentes autônomos são realizadas em um As operações dos agentes autônomos são realizadas em um terreno que simula aspectos naturaisterreno que simula aspectos naturais e respeita taxa de propagação e respeita taxa de propagação do fogo baseado na intensidade e orientação do vento, vegetação e topografia.do fogo baseado na intensidade e orientação do vento, vegetação e topografia.

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ObjetivosObjetivos► Recolher informações sobreRecolher informações sobre dados florestaisdados florestais, tipos de vegetação, topografia, e comportamento de , tipos de vegetação, topografia, e comportamento de

incêndios para criar o ambiente virtual mais realista possível; incêndios para criar o ambiente virtual mais realista possível;

► Simular incêndios em florestasSimular incêndios em florestas, reproduzindo de forma bastante realista o ambiente e a propagação dos , reproduzindo de forma bastante realista o ambiente e a propagação dos focos de incêndio; focos de incêndio;

► Pesquisar ferramentas ePesquisar ferramentas e técnicas de combate à incêndiotécnicas de combate à incêndio florestais utilizadas por bombeiros; florestais utilizadas por bombeiros;

► Simular de agentes móveis autônomosSimular de agentes móveis autônomos capazes de formar uma brigada de combate a incêndios; capazes de formar uma brigada de combate a incêndios;

► Simular o combate ao incêndioSimular o combate ao incêndio, incluindo a operação de identificação, comunicação, planejamento, , incluindo a operação de identificação, comunicação, planejamento, deslocamento e extinção do foco de incêndio pelos agentes => deslocamento e extinção do foco de incêndio pelos agentes => Operações realizadas de forma autônomaOperações realizadas de forma autônoma!!

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Fogo em Ambientes NaturaisFogo em Ambientes Naturais

► Estudo de Combustíveis Florestais Estudo de Combustíveis Florestais Combustíveis florestaisCombustíveis florestais = cobertura vegetal = cobertura vegetal

Importante parâmetro no processo de Importante parâmetro no processo de propagação dos incêndiospropagação dos incêndios

O Ministério da Agricultura do Brasil apresenta uma tabela com O Ministério da Agricultura do Brasil apresenta uma tabela com 13 modelos: 13 modelos:

* Herbáceo, arbustivo, manta morta, resíduos lenhosos, ...* Herbáceo, arbustivo, manta morta, resíduos lenhosos, ...

Cada Cada modelo de vegetaçãomodelo de vegetação tem um conjunto próprio de tem um conjunto próprio de propriedades: propriedades:

► Facilidade de deslocamento de agentes, Facilidade de deslocamento de agentes,

► Velocidades de propagação de incêndios, Velocidades de propagação de incêndios,

► Tipos de combate indicados.Tipos de combate indicados.

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Fogo em Ambientes NaturaisFogo em Ambientes Naturais► Estudo de Combustíveis Florestais Estudo de Combustíveis Florestais

Estudos dos modelos de florestas e resíduos florestais Estudos dos modelos de florestas e resíduos florestais são de grande importância para o aprimoramento dos são de grande importância para o aprimoramento dos modelos de simulaçãomodelos de simulação a serem implementados a serem implementados em ambientes virtuaisem ambientes virtuais. .

Por exemplo, aplicar no simulador as velocidades de propagação provindas de medições Por exemplo, aplicar no simulador as velocidades de propagação provindas de medições reais de reais de velocidade de propagaçãovelocidade de propagação e e velocidade de ventovelocidade de vento em parques nacionais. em parques nacionais.

* Vegetação arbustiva: velocidade do vento de 20km/h * Vegetação arbustiva: velocidade do vento de 20km/h => velocidade de propagação de 0,09m/s => velocidade de propagação de 0,09m/s

* Vegetação herbácea: velocidade do vento de 60km/h * Vegetação herbácea: velocidade do vento de 60km/h => velocidade de propagação de 1,94m/s=> velocidade de propagação de 1,94m/s

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Fogo Simulado Fogo Simulado

2D::SDL2D::SDL

3D::OSG+DEMETER+OD3D::OSG+DEMETER+ODEE

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RoBombeiros RoBombeiros Simulados Simulados [Agentes Autônomos][Agentes Autônomos]

2D::SDL2D::SDL

3D::OSG+DEMETER+OD3D::OSG+DEMETER+ODEE

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Técnicas Reais de OperaçãoTécnicas Reais de Operação► Estudo de técnicas reais de operaçãoEstudo de técnicas reais de operação a fim de: a fim de:

melhor entender como proceder para combater incêndiosmelhor entender como proceder para combater incêndios planejar as estratégias a serem implementadas nos agentes autônomosplanejar as estratégias a serem implementadas nos agentes autônomos

► Operações de combateOperações de combate Detecção: torres de vigilância, patrulhamento terrestre, patrulhamento por avião ou imagens de satélites?Detecção: torres de vigilância, patrulhamento terrestre, patrulhamento por avião ou imagens de satélites? Comunicação: Quanto tempo o responsável demora para receber o aviso de incêndio?Comunicação: Quanto tempo o responsável demora para receber o aviso de incêndio? Mobilização: Formação inicial do time (atribuições, responsabilidades).Mobilização: Formação inicial do time (atribuições, responsabilidades). Deslocamento: quanto tempo para chegar ao foco?Deslocamento: quanto tempo para chegar ao foco? Planejamento: Avaliar o comportamento do fogo e planejar estratégia de combate.Planejamento: Avaliar o comportamento do fogo e planejar estratégia de combate. Combate: Eliminação do incêndio.Combate: Eliminação do incêndio.

► + estudo de equipamentos de combate...+ estudo de equipamentos de combate...► + estudo de métodos e estratégias de combate...+ estudo de métodos e estratégias de combate...

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Técnicas Reais de OperaçãoTécnicas Reais de Operação► Estudo de técnicas reais de operaçãoEstudo de técnicas reais de operação a fim de: a fim de:

melhor entender como proceder para combater incêndiosmelhor entender como proceder para combater incêndios planejar as estratégias a serem implementadas nos agentes autônomosplanejar as estratégias a serem implementadas nos agentes autônomos

► Operações de combateOperações de combate Detecção: torres de vigilância, patrulhamento terrestre, patrulhamento por avião ou imagens de satélites?Detecção: torres de vigilância, patrulhamento terrestre, patrulhamento por avião ou imagens de satélites? Comunicação: Quanto tempo o responsável demora para receber o aviso de incêndio?Comunicação: Quanto tempo o responsável demora para receber o aviso de incêndio? Mobilização: Formação inicial do time (atribuições, responsabilidades).Mobilização: Formação inicial do time (atribuições, responsabilidades). Deslocamento: quanto tempo para chegar ao foco?Deslocamento: quanto tempo para chegar ao foco? Planejamento: Avaliar o comportamento do fogo e planejar estratégia de combate.Planejamento: Avaliar o comportamento do fogo e planejar estratégia de combate. Combate: Eliminação do incêndio.Combate: Eliminação do incêndio.

► + estudo de equipamentos de combate...+ estudo de equipamentos de combate...► + estudo de métodos e estratégias de combate...+ estudo de métodos e estratégias de combate...

Criação de Aceiros

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Dois Protótipos: 2D e Dois Protótipos: 2D e 3D3D

► 2D2D SDLSDL Validação Validação

inicial inicial dos conceitosdos conceitos

► 3D3D OSG + Demeter (terrenos) + ODE OSG + Demeter (terrenos) + ODE

(física)(física) Permite a visualização utilizando Permite a visualização utilizando

óculos especiais para visão estéreo, óculos especiais para visão estéreo, junto a Sala de Visualização de junto a Sala de Visualização de Realidade Virtual da RBV criada em Realidade Virtual da RBV criada em nossa Universidade.nossa Universidade.

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Protótipo: Sala de Protótipo: Sala de VisualizaçãoVisualização

► O hardware disponível na Sala de Visualização é composto de um O hardware disponível na Sala de Visualização é composto de um sistema de visão estereoscópica passiva, usando 2 projetores sistema de visão estereoscópica passiva, usando 2 projetores Christie LX34 e tela 3D com luz polarizada e óculos passivos, além Christie LX34 e tela 3D com luz polarizada e óculos passivos, além de um monitor de 21” com óculos estereoscópico ativo.de um monitor de 21” com óculos estereoscópico ativo. ► Os projetores e o monitor de 21” estão Os projetores e o monitor de 21” estão

ligados a estações de trabalho bi-ligados a estações de trabalho bi-processadas Xeon 2.8 GHz e Opteron 2.4 processadas Xeon 2.8 GHz e Opteron 2.4 GHz com placas de video Nvidia Quadro FX GHz com placas de video Nvidia Quadro FX 4500 (512 MB). 4500 (512 MB).

► A sala ainda possui uma parede com 6 A sala ainda possui uma parede com 6 monitores sincronizados (LCD Wall) e monitores sincronizados (LCD Wall) e dispositivos para interação, Gyromouse e dispositivos para interação, Gyromouse e SpaceBall.SpaceBall.

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Protótipo: ImplementaçãoProtótipo: Implementação► MapaMapa

Criado conceitualmente a partir Criado conceitualmente a partir de:de:

► Carta topográfica (UTM) Carta topográfica (UTM) 0578000, 6764000 até 0578000, 6764000 até 0584000,6770000 0584000,6770000 representando um quadrante representando um quadrante de 6km x 6km.de 6km x 6km.

► Mapa de modelo combustível Mapa de modelo combustível do Ministério da Agricultura.do Ministério da Agricultura.

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ImplementaçãoImplementação

► Fogo e VentoFogo e Vento

► Alastramento de dois focos► Sem vento► 2D► Áreas mais escuras

representam maior densidade de vegetação.

► Alastramento de um foco

► Vento leste-oeste► 2D

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ImplementaçãoImplementação► ComunicaçãoComunicação

Trocas de mensagens entre os agentes utilizando quadro-Trocas de mensagens entre os agentes utilizando quadro-negro (blackboard)negro (blackboard)

► Tratamento de erros de sensoresTratamento de erros de sensores PosicionamentoPosicionamento GPS real foi testado: apresentou erro médio de 18 metros! GPS real foi testado: apresentou erro médio de 18 metros! [5 [5

à 20m]à 20m]

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Simulação de Combate ao IncêndioSimulação de Combate ao Incêndio

1.1. Um agente satélite monitora focos de incêndio;Um agente satélite monitora focos de incêndio;

2.2. Ao identificar um foco de incêndio, envia uma Ao identificar um foco de incêndio, envia uma mensagem ao agente líder que, através de mensagem ao agente líder que, através de comunicação, solicita a informação de comunicação, solicita a informação de posicionamento de cada robô-combatente posicionamento de cada robô-combatente (RoBombeiro).(RoBombeiro).

3.3. O agente líder recebe mensagens com a O agente líder recebe mensagens com a identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade do vento.do vento.

4.4. O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados uma mensagem de “AGIR” passando a posição para uma mensagem de “AGIR” passando a posição para qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao incêndio.incêndio.

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Simulação de Combate ao IncêndioSimulação de Combate ao Incêndio

1.1. Um agente satélite monitora focos de incêndio;Um agente satélite monitora focos de incêndio;

2.2. Ao identificar um foco de incêndio, envia uma Ao identificar um foco de incêndio, envia uma mensagem ao agente líder que, através de mensagem ao agente líder que, através de comunicação, solicita a informação de comunicação, solicita a informação de posicionamento de cada robô-combatente posicionamento de cada robô-combatente (RoBombeiro).(RoBombeiro).

3.3. O agente líder recebe mensagens com a O agente líder recebe mensagens com a identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade do vento.do vento.

4.4. O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados uma mensagem de “AGIR” passando a posição para uma mensagem de “AGIR” passando a posição para qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao incêndio.incêndio.

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Simulação de Combate ao IncêndioSimulação de Combate ao Incêndio

1.1. Um agente satélite monitora focos de incêndio;Um agente satélite monitora focos de incêndio;

2.2. Ao identificar um foco de incêndio, envia uma Ao identificar um foco de incêndio, envia uma mensagem ao agente líder que, através de mensagem ao agente líder que, através de comunicação, solicita a informação de comunicação, solicita a informação de posicionamento de cada robô-combatente posicionamento de cada robô-combatente (RoBombeiro).(RoBombeiro).

3.3. O agente líder recebe mensagens com a O agente líder recebe mensagens com a identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade do vento.do vento.

4.4. O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados uma mensagem de “AGIR” passando a posição para uma mensagem de “AGIR” passando a posição para qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao incêndio.incêndio.

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Simulação de Combate ao IncêndioSimulação de Combate ao Incêndio

1.1. Um agente satélite monitora focos de incêndio;Um agente satélite monitora focos de incêndio;

2.2. Ao identificar um foco de incêndio, envia uma Ao identificar um foco de incêndio, envia uma mensagem ao agente líder que, através de mensagem ao agente líder que, através de comunicação, solicita a informação de comunicação, solicita a informação de posicionamento de cada robô-combatente posicionamento de cada robô-combatente (RoBombeiro).(RoBombeiro).

3.3. O agente líder recebe mensagens com a O agente líder recebe mensagens com a identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao identificação e distâncias de cada RoBombeiro ao foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade foco e coleta, com sensores, a direção e intensidade do vento.do vento.

4.4. O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados O agente líder envia aos RoBombeiros selecionados uma mensagem de “AGIR” passando a posição para uma mensagem de “AGIR” passando a posição para qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao qual deve se deslocar a fim de atuar no combate ao incêndio.incêndio.

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SimulaçãoSimulação

► Vídeo 3D: Vídeo 3D: http://www.youtube.com/watchhttp://www.youtube.com/watch?v=y7Y7PxrDizE?v=y7Y7PxrDizE

► 2D::Criação de um aceiro natural (área livre 2D::Criação de um aceiro natural (área livre de vegetação) ou um aceiro químico de vegetação) ou um aceiro químico (aplicação de retardantes químicos).(aplicação de retardantes químicos).

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ConclusãoConclusão

► Sistema de Sistema de simulação multi-agentesimulação multi-agente, baseado em um , baseado em um ambiente de realidade virtualambiente de realidade virtual, para o , para o controle de incêndioscontrole de incêndios em florestas utilizando em florestas utilizando agentes autônomos e comunicativosagentes autônomos e comunicativos. .

► Protótipo do sistemaProtótipo do sistema permite acompanhar a simulação e o permite acompanhar a simulação e o deslocamento dos deslocamento dos “robôs-bombeiros”“robôs-bombeiros”, implementado junto a , implementado junto a uma sala de visualização com tela de projeção e monitor uma sala de visualização com tela de projeção e monitor adaptados ao uso de óculos estereoscópicos (ativo e passivo), adaptados ao uso de óculos estereoscópicos (ativo e passivo), permitindo assim uma melhor imersão junto ao ambiente permitindo assim uma melhor imersão junto ao ambiente virtual e junto a simulação. virtual e junto a simulação.

► Os primeiros resultados demonstraram que ambientes de Os primeiros resultados demonstraram que ambientes de Realidade Virtual como este podem vir a ter um papel muito Realidade Virtual como este podem vir a ter um papel muito importante no importante no planejamento e execução de operações de planejamento e execução de operações de combate a incêndioscombate a incêndios em reservas naturais. em reservas naturais.

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Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros► Atualmente: desenvolvendo com ODE um veículo com propriedades sensorio-motoras Atualmente: desenvolvendo com ODE um veículo com propriedades sensorio-motoras

físicas. Sensor de distância (radar, laser ou infravermelho) permite o veículo se físicas. Sensor de distância (radar, laser ou infravermelho) permite o veículo se deslocar através do controle por uma rede neural artificial.deslocar através do controle por uma rede neural artificial.

► Implementação de novas estratégias de combate a incêndios, para comparação com Implementação de novas estratégias de combate a incêndios, para comparação com a atual estratégia implementada, bem como para comparação com técnicas a atual estratégia implementada, bem como para comparação com técnicas convencionaisconvencionais

► Implementação de uma versão do sistema que permita o controle manual dos robôs-Implementação de uma versão do sistema que permita o controle manual dos robôs-bombeiros, ao contrário do automático e autônomo, de modo a permitir o bombeiros, ao contrário do automático e autônomo, de modo a permitir o treinamento de equipes de combate a incêndiotreinamento de equipes de combate a incêndio

► Adaptação da atual implementação de modo a permitir uma melhor parametrização Adaptação da atual implementação de modo a permitir uma melhor parametrização do sistema e incorporação (importação) de modelos reais de terrenos e de vegetaçãodo sistema e incorporação (importação) de modelos reais de terrenos e de vegetação

► Extensão do sistema para permitir a inclusão de novos métodos e estratégias de Extensão do sistema para permitir a inclusão de novos métodos e estratégias de combate a incêndios, como por exemplo, o uso de métodos aéreos de combate ao combate a incêndios, como por exemplo, o uso de métodos aéreos de combate ao fogofogo

► Validação das simulações junto a especialistas de combate a incêndio em florestasValidação das simulações junto a especialistas de combate a incêndio em florestas

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► Agradecemos ao CNPq, Agradecemos ao CNPq, Unisinos, FAPERGS e a Unisinos, FAPERGS e a FINEP (RBV - Rede FINEP (RBV - Rede Brasileira de Visualização) Brasileira de Visualização) pelo apoio a este trabalho.pelo apoio a este trabalho.

Gustavo Pessin, Fernando OsórioGustavo Pessin, Fernando Osório

Unisinos – PIPCAUnisinos – PIPCA

Vinícius Nonnemmacher, Sandro S. Vinícius Nonnemmacher, Sandro S. FerreiraFerreira

Unisinos –GT JEDiUnisinos –GT JEDi

Soraia MusseSoraia Musse

PUC-RS – FACINPUC-RS – FACIN