System scentralizowanego zarządzania rojem bezzałogowych platform lądowych SCAR to przyszłościowy pomysł naukowców WAT. Celem tego ambitnego projektu było opracowanie sposobu koordynowania zespołu robotów realizujących zadania wsparcia działań taktycznych na polu walki.
Efektywne zarządzanie grupą maszyn
Opracowane w Wojskowej Akademii Technicznej rozwiązanie umożliwia organizowanie jednostek zdolnych do wymiany informacji ze sobą w tzw. rój. Rój podlega zarządcy, który może utworzyć dla wszystkich elementów wspólne zadania. SCAR to system, który nadzoruje ten proces, co gwarantuje, że każdy członek grupy otrzyma nowy rozkaz. Znacząco zwiększa to efektywność, gdyż system wspiera żołnierza i pozwala mu sprawnie zarządzać całym zespołem.
Żołnierz-zarządca tworzący rój uzyskuje także podgląd stanu każdego z elementów roju w czasie rzeczywistym. Obejmuje on:
- podgląd położenia,
- strumieniowanie wideo z elementów roju i monitoring stanu elementu w sieci SCAR – czy działa prawidłowo, czy pojawiają się przerwy bądź czy komunikacja ustała z jakiegoś powodu.
„Żywe raporty”
Jednym z innowacyjnych aspektów systemu SCAR jest możliwość współtworzenia tzw. „żywych raportów”. Rój po otrzymaniu zadania rozpoznania na bieżąco może aktualizować zawartość raportu, który pozostaje dostępny nawet w sytuacji kompletnej utraty roju. Każdy element roju posiada wgląd w aktualny stan raportu, dzięki czemu na bieżąco może dokonywać aktualizacji.
„Jeżeli w przypadku rozpoznania danego obszaru zostanie stworzone konkretne zadanie, zostanie ono zaakceptowane i zacznie być realizowane, w tym samym momencie w systemie powstaje raport. Ten raport może być aktualizowany przez każdy element roju” – wyjaśnia dr inż. Rafał Typiak z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT, kierownik zespołu projektowego SCAR. „Jeżeli jakiś element roju zaktualizuje swoją część raportu, na przykład dostarczy informację na dany temat, to ta informacja jest przekazywana wszystkim. Oznacza to, że wszystkie inne obiekty w roju wiedzą, że pojawiła się nowa informacja i czego ona dotyczy. Mają wgląd w treść. „Żywy” aspekt polega na tym, że raport można aktualizować do momentu zakończenia zadania, także w przypadku utraty elementów roju” – dodaje naukowiec.
W systemie SCAR raport jest przesyłany nie tylko do zarządcy, ale też do dowództwa. Jest to możliwe dzięki serwerowi SCAR, na który takie raporty trafiają ze wszystkimi bieżącymi aktualizacjami. Nawet w przypadku ogromnych strat w terenie działań pozostanie raport z rozpoznania, który pozwoli ocenić sytuację i podjąć odpowiednie działania.
Użytecznym aspektem systemu jest także fakt, że wszystkie jednostki wiedzą, jakie elementy pojawiają się w raporcie i dzięki temu nie dublują zdarzeń. Warto podkreślić, że „żywe raporty”, w których wszyscy mają dostęp do informacji, pozwalają uniknąć błędów. Każdy członek grupy może zweryfikować, czy informacja, którą chce wygenerować, znajduje się już w raporcie.
Pełna komunikacja, czyli Battlefield SCAR
SCAR wspiera działania ukierunkowane na jednostki bezzałogowe poprzez przygotowaną bibliotekę predefiniowanych komunikatów, które wykorzystują przygotowane protokoły komunikacyjne. Wykorzystywane są one zarówno w raporcie rozpoznania, jak i raportach zdarzeń. Dzięki temu możliwa jest zarówno łatwiejsza implementacja z systemami sterowania jednostek bezzałogowych, jak i szybkie przygotowanie informacji przez żołnierzy, którzy mogą uzupełniać skład roju, tworząc tzw. rój hybrydowy. Jest to część filozofii opracowanej w ramach realizacji projektu, nazwanej Battlefield SCAR.
Początkowo SCAR miał za zadanie łączyć ze sobą pojazdy autonomiczne, jednak rozwój pomysłu wiązał się także z rozbudową funkcjonalności istotnych z punktu widzenia rozpoznania inżynieryjnego. Choć SCAR ma wspierać żołnierzy dzięki rojom maszyn, umożliwia włączanie do zespołu także ludzi.
SCAR pozwala na szybkie przesyłanie komunikatów standaryzowanych. W jego protokole są informacje predefiniowane, zakodowane – w przypadku wykrycia przez platformę autonomiczną zdarzenia, po prostu wysyłany jest konkretny kod do systemu SCAR, zaś system interpretuje to jako odpowiednie zdarzenie. Zarządca w swoim raporcie otrzymuje informację o zdarzeniu i jego parametrach.
Wymagania wobec systemu zakładały jednak, że powinien on umożliwić przesłanie informacji, które nie są ustandaryzowane, a bardziej opisowe – na przykład o zasobach naturalnych, które można wykorzystać na danym obszarze, albo o parametrach dróg, po których poruszają się jednostki. Takie komunikaty nie mogą być predefiniowane. Jak odpowiedzieli na tę potrzebę twórcy rozwiązania? „Stworzyliśmy interfejs, który umożliwia operatorowi jednostki bezzałogowej tworzenie informacji opisowych, bardziej rozbudowanych. Obecność w systemie narzędzia, które najefektywniej wykorzysta właśnie człowiek, ponieważ to on najlepiej przygotuje, odczyta i zrozumie takie komunikaty, sprawiła, że zrodziła się w nas myśl, by wprowadzić pojęcie roju hybrydowego” – mówi dr inż. Rafał Typiak.
Rój hybrydowy obejmuje zarówno jednostki bezzałogowe, jak i ludzi – a cały ten zespół traktowany jest jako jeden „zasób” dla dowódcy. Ma to kolosalne znaczenie choćby dla sprawnego przepływu informacji, ponieważ każdy członek roju nie tylko otrzymuje każdą informację, lecz także odbiera aktualne komunikaty od pozostałych jednostek. I choć osoby wchodzące w skład roju nie mają takich samych uprawnień czy funkcjonalności jak zarządca, to jednak dostają informacje, których w normalnych warunkach poza systemem SCAR by nie otrzymali.
Dla systemu SCAR nie ma znaczenia rodzaj obiektu, który jest do niego podłączony, stąd też duża elastyczność rozwiązania. W skład roju można włączać zarówno ludzi, jak i dowolne maszyny – drony, jednostki pływające, bezzałogowe platformy lądowe, a w przyszłości nawet kolejne stworzone roboty.
Jak jest zbudowany SCAR?
Rdzeń projektu SCAR stanowi rozbudowany system informatyczny stosowany w światowej klasy rozwiązaniach BMS (Battlefield Management System). SCAR jest jednak wyposażony w dodatkowe moduły: wyposażenia zarządcy, serwer dowódcy i moduł elementu roju. To sprawia, że zakres jego funkcjonalności jest unikatowy.
Moduł wyposażenia zarządcy SCAR to zarówno sposób na interakcję z systemem, jak i próba realnego wykorzystania rzeczywistości rozszerzonej na polu walki. Rzeczywistość rozszerzona i wirtualna to potężne narzędzia do ciągłego utrzymania żołnierza w pętli decyzyjnej jednostek bezzałogowych, co wiąże się także z wyzwaniami. Jednym z nich jest poziom obciążenia sensorycznego. SCAR stara się zminimalizować go poprzez automatyczną klasyfikację informacji na różnych poziomach i wyświetlanie komunikatów w sposób skupiający uwagę wyłącznie na najważniejszych zdarzeniach.
SCAR ma za zadanie umożliwiać zarządzanie jednostkami bezzałogowymi. Zgodnie z założeniami projektu jednostkami zarządzanymi miały być głównie jednostki bezzałogowe. Aby umożliwić komunikację z zarządcą, otrzymywanie rozkazów i wysłanie informacji zwrotnych, powstały odpowiednie rozwiązania.
Moduły elementu roju to moduły elektroniczne, w które jednostka jest wyposażona, żeby móc wysłać informacje do zarządcy. Taki moduł można określić jako formę komputera. Co jednak w przypadku zarządcy, który jest człowiekiem i powinien otrzymywać informacje w sposób zrozumiały dla człowieka? Na tę potrzebę odpowiada moduł zarządcy roju, który składa się z układu przetwarzania, czyli rodzaju komputera, oraz z układu wizualizacji, czyli urządzenia, które pokaże zarządcy efekt działania roju, czyli wszystkie te zdarzenia, które rój wykryje.
Twórcy rozwiązania zaprojektowali dwa wizjery. Pierwszy z nich to tzw. wizjer główny, który wykorzystuje rzeczywistość rozszerzoną. Drugi wizjer służy do przedstawiania większości informacji. Skąd ten pomysł? Dr inż. Rafał Typiak wyjaśnia: „Chodzi o to, by zarządca był jak najmniej obciążany informacjami, które przychodzą z systemu, żeby nie musiał całkowicie angażować się w system. SCAR ma umożliwiać zarządcom swobodną realizację tej samej funkcji w ugrupowaniu, jaką normalnie pełnią bez systemu. Jeżeli żołnierz ma ubezpieczać albo stanowić część kolumny, to znaczy, że ma być w stanie utrzymywać tempo kolumny bez konieczności patrzenia cały czas na ekran czy zatrzymywania się, aby wchodzić w interakcje z komputerem. Stąd też dwa ekrany. Na jednym z nich wyświetlane są tylko i wyłącznie statusy. To tam prezentowane są informacje wymagające uwagi zarządcy, sygnalizujące zdarzenie”.
Twórcy rozwiązania ustawili poziomy zdarzenia pod względem ich hierarchii. Mają one specjalnie zaprojektowaną reprezentację graficzną. Użytkownik może śledzić zdarzenia, które są normalne i wynikają z prawidłowego działania systemu. Nie musi tego robić, ponieważ nie zajmują one jego pola widzenia. Natomiast zdarzenia krytyczne, które wymagają interwencji, mają zupełnie inną reprezentację graficzną – są przedstawiane tak, by jak najbardziej skupić uwagę i wymusić interakcję z drugim wyświetlaczem, na którym przedstawiony jest już bardziej szczegółowy opis tego, co się zdarzyło. Na drugim wyświetlaczu powstaje także raport, którego nie można w sposób przejrzysty przedstawić na wizjerze przeziernym. Taki raport absorbuje uwagę, stąd też decyzja, by przenieść go poza obszar rzeczywistości rozszerzonej.
Kontroler SCAR ma za zadanie umożliwić interakcję z systemem w sytuacji, w której żołnierz musi się przemieszczać. Wyjmowanie komputera, obsługiwanie klawiatury czy touchpada jest wówczas zarówno nieefektywne, jak i w wielu momentach niemożliwe, dlatego zespół projektowy przygotował rozwiązanie mobilne, czyli możliwość obsługi jedną ręką, za pomocą kilku podstawowych sposobów interakcji w celu wybrania różnych opcji.
SCAR i jego układ zasilania
System ma modułowy układ zasilania. Składa się z podstawowej jednostki, która dostarcza energię do wszystkich elementów elektronicznych i pakietów bateryjnych. To właśnie dzięki pakietom bateryjnym SCAR może działać w sposób nieustanny znacznie dłużej niż standardowo.
Bezpieczna komunikacja
SCAR wyposażono także w moduły ukierunkowane na bezpieczeństwo informacji i zasobów Wojska Polskiego. Dzięki wykorzystaniu autorskiego protokołu do transmisji rozkazów i statusów pomiędzy agentami roju a zarządcą możliwa jest implementacja własnych algorytmów szyfrujących. Ponadto SCAR może korzystać ze współcześnie stosowanych wojskowych układów SDR wyposażonych we własne mechanizmy zabezpieczające. Serwer SCAR jest to rozwiązanie, przez które kierowany jest cały ruch w sieci. Przeznaczony jest dla wyższych szczebli dowodzenia, które w razie konieczności posiadają możliwość całkowitego unieruchomienia elementów roju, bądź pełnego przekazania kontroli lokalnemu zarządcy, tworząc tym samym w pełni samodzielny rój hybrydowy.
SCAR ma za zadanie umożliwiać zwiększenie dynamiki prowadzenia działań wojskowych, co może pozwolić na zniwelowanie przewagi liczebnej bądź sprzętowej przeciwnika. Stosowanie nowoczesnych, mobilnych układów przetwarzania, które nie wymagają, aby żołnierz pozostawał stacjonarny podczas korzystania z nich, to przykład tzw. force multiplier, czyli elementu zwiększającego efektywność wysiłku i uzyskania znacznie lepszych rezultatów.
Praktyczne rozwiązanie – gdzie sprawdzi się SCAR
Głównym obszarem zastosowań systemu są aplikacje wojskowe. „SCAR został zaprojektowany w taki sposób, aby wspierać skalowalność” – mówi dr inż. Rafał Typiak, kierownik zespołu projektowego. „Załóżmy, że mamy zarządcę i elementy roju, które ma on do dyspozycji. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wprowadzić nowe elementy do systemu. Jak to zrobić? Wystarczy umożliwić im komunikację w SCAR przez wyposażenie ich w odpowiednie moduły. Mogą wówczas dołączyć do danego roju bez przerabiania systemu. Jest to skalowanie rozszerzające roje, tzw. skalowanie w bok” – wyjaśnia naukowiec.
Możliwe są także inne działania, na przykład włączenie dodatkowych zarządców. Jeżeli mamy dwa niezależne roje i dwóch dowódców, możemy włączyć jeden rój w drugi. SCAR umożliwia wykonywanie konkretnych, bardzo specjalistycznych zadań, a możliwości rozbudowy systemu są ogromne i nie ograniczają się wyłącznie do obecnie znanych rozwiązań. Oznacza to ponadczasowość i elastyczność rozwiązania, co w czasach ogromnego rozwoju technologii jest istotną kwestią.
Rozwiązanie z powodzeniem sprawdzi się także w obszarze cywilnym. SCAR może wspierać bezpieczeństwo imprez masowych, na przykład zbierając informacje od rojów jednostek latających, prowadzących pomiary wśród uczestników. System sprawdzi się także w akcjach ratunkowych – zebrane przez roje informacje o zdarzeniach czy ograniczeniach mogą być szybko wykorzystane do przygotowania i przeprowadzenia akcji ratunkowej.
Ogromne perspektywy na przyszłość
Realizacja projektu SCAR to znaczący krok Instytutu Robotów i Konstrukcji Maszyn Wydziału Inżynierii Mechanicznej Wojskowej Akademii Technicznej w kierunku opracowywania jednostek autonomicznych o zastosowaniu wojskowym.
Szeroki potencjał aplikacyjny projektu SCAR podkreślają inicjatywy międzynarodowe, w ramach których planowany jest jego rozwój. Aktualnie działania te obejmują wykorzystanie systemu w dwóch międzynarodowych projektach badawczo-rozwojowych. W jednym z nich, już uruchomionym, SCAR będzie pełnił funkcję warstwy komunikacyjnej pomiędzy pojazdami w konwoju, łączącym jednostki załogowe i bezzałogowe opracowywane przez stronę polską, a także będzie stanowił bramę dla interakcji z podobnymi rozwiązaniami partnerów międzynarodowych. W drugim projekcie planuje się wykorzystanie modułów zarządcy i infrastruktury SCAR do badania możliwości zwiększenia świadomości środowiskowej załóg pojazdów wojskowych.
SCAR powstał w ramach realizacji programu badań naukowych na rzecz obronności i bezpieczeństwa państwa „Przyszłościowe technologie dla obronności – Konkurs Młodych Naukowców”. Projekt SCAR znajduje się obecnie na poziomie demonstratora technologii.
SCAR zostanie zaprezentowany na stoisku Wojskowej Akademii Technicznej podczas Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego, który odbędzie się w dniach 6 – 9.09.2022 r. w Kielcach.
Dominika Naruszko
Grafika: Katarzyna Puciłowska
W przypadku zainteresowania rozwiązaniem zapraszamy do kontaktu bezpośredniego:
dr inż. Bogusława Gradzik
broker technologii
Wojskowa Akademia Techniczna
tel. 261 839 088
boguslawa.gradzik@wat.edu.pl