Sierż. pchor. Dawid Maślanik, student ostatniego roku studiów magisterskich na Wydziale Cybernetyki Wojskowej Akademii Technicznej, pod opieką promotora dr. hab. inż. Andrzeja Najgebauera, prof. WAT, stworzył narzędzie wspomagające podejmowanie trudnych decyzji strategicznych. Dzięki temu rozwiązaniu eksperci zyskają konkretne wsparcie, które matematycznie wyliczy i zaprezentuje najlepsze scenariusze dla danej decyzji.
Sierż. pchor. Dawid Maślanik przed rozpoczęciem studiów w WAT ukończył studia inżynierskie na Politechnice Warszawskiej. Jednak od zawsze jego marzeniem były pełne studia oficerskie i zdobycie wykształcenia, dzięki któremu chciałby w przyszłości zostać wartościowym pracownikiem Sił Zbrojnych RP. „Zdecydowałem się na studia w Wojskowej Akademii Technicznej ze względu na renomę uczelni łączącej aspekty wojskowości oraz wykształcenia inżynierskiego. Zależało mi na miejscu, w którym będę mógł rozwijać swoje zainteresowania, m.in. pasję do programowania i elektroniki” – mówi #młodyinnoWATor.
Dzięki indywidualnemu tokowi studiów w Wojskowej Akademii Technicznej sierż. pchor. Maślanik w pełni mógł się zaangażować w tworzenie i rozwijanie systemu do prowadzenia gier strategicznych dla potrzeb planowania strategicznego. Pracę nad swoim rozwiązaniem rozpoczął jeszcze podczas studiów inżynierskich, a w ramach pracy dyplomowej – na podstawie modeli formalnych i prac prototypowych realizowanych w Zespole Modelowania, Symulacji i Informatycznego Wspomagania Decyzji w Sytuacjach Kryzysowych i Konfliktowych kierowanym przez dr. hab. inż. Andrzeja Najgebauera, prof. WAT – opracował program wspierający podejmowanie decyzji dotyczących m.in. rozwoju sił zbrojnych.
Temat na pracę inżynierską i opis modeli formalnych oraz prac prototypowych realizowanych w zespole badawczym podsunął mu promotor, widząc ogromne zainteresowanie dyplomanta sztuczną inteligencją i chęcią rozwoju w tym kierunku. Choć wyniki pracy inżynierskiej sierż. pchor. Maślanika spotkały się z bardzo pozytywnym odbiorem, młody twórca miał jeszcze sporo pomysłów na udoskonalenie rozwiązania, dlatego postanowił kontynuować ten temat podczas studiów magisterskich.
Rozwiązanie opracowane przez studenta WAT to program o budowie modułowej. Do tej pory twórca wdrożył dwa moduły – alokacji sił zbrojnych oraz harmonogramowania wydatków budżetowych. Użytkownicy mogą zdefiniować dowolne zadania, a system wyliczy najlepsze sposoby osiągnięcia celów. Rozwiązanie wspiera programowanie rozwoju Sił Zbrojnych RP i jest skierowane do ekspertów Sztabu Generalnego Wojska Polskiego i osób, które na co dzień podejmują decyzje strategiczne. To skuteczne narzędzie wspomagania procesów decyzyjnych, które wspiera racjonalne planowanie rozwoju sił zbrojnych i pomaga podejmować trudne decyzje z pomocą konkretnych danych uzyskanych dzięki obliczeniom matematycznym, na przykład na podstawie oszacowanych przez system kosztów. Pozwala to na praktyczną i solidną ocenę poszczególnych scenariuszy i łatwiejszy wybór najlepszego w danym momencie rozwiązania.
Głównym, bardziej skomplikowanym, elementem programu jest moduł służący do rozwiązywania zadania optymalizacji alokacji sił zbrojnych. „Przez alokację rozumieć należy wyznaczenie struktury sił zbrojnych ugrupowania – wraz z wyposażeniem – mogącego odpowiednio zareagować na działania przeciwnika, a także określenie potencjalnych strat stron konfliktu oraz kosztów pozyskania i utrzymania ugrupowania. Niekoniecznie muszą to być konkretne, już istniejące jednostki, ponieważ dzięki programowi można dowolnie definiować je na podstawie zasobów, którymi się aktualnie dysponuje. Pozwala to na dużą elastyczność, a tworzenie takich modułów kalkulacyjnych umożliwia optymalne zarządzanie zasobami militarnymi. Moduły kalkulacyjne mogą reprezentować jednostki bojowe odpowiadające potencjałowi batalionu w wojskach zmechanizowanych lub dywizjonu w innych rodzajach wojsk. Moduły te przydziela się, aby zrealizować konkretne zadania wojskowe, które użytkownik zdefiniował w programie” – wyjaśnia podchorąży Maślanik.
„Jeżeli na przykład musimy bronić się w terenie ciężkim, otwartym, górskim albo zurbanizowanym przez określony czas albo z ograniczonymi kosztami, to program po prostu przyjmuje to zadanie i na podstawie zasad działania zaimplementowanych algorytmów obliczy konkretny przydział, dokładne zapotrzebowanie niezbędne do tego, aby zadanie spełnić. Możemy nawet dodać wiele kolejnych założeń, między innymi: obronę lub atak, pospieszne albo przygotowane, rodzaj terenu czy współczynnik użycia lotnictwa. Jeśli stwierdzamy ograniczenia, to program także je uwzględni. Może w ogóle nie chcemy brać pod uwagę na przykład bojowych wozów opancerzonych, więc wystarczy, że to zaznaczymy w odpowiednim oknie dialogowym” – dodaje.
Drugim, mniej skomplikowanym elementem programu jest harmonogramowanie. „Pozwala ono na zdefiniowanie zadania, na przykład zakupu określonej liczby czołgów, a program pomaga w najlepszym rozplanowaniu kosztów i zasobów, tak aby nie tylko zrealizować nasze założenia, ale i osiągnąć najlepsze efekty w określonym czasie. Dzięki temu otrzymujemy plan na lata obejmujący wydatki, które należy ponieść w określonych terminach” – wyjaśnia sierż. pchor. Maślanik. To nie wszystko, bo program pozwala także uwzględnić inne zadania, które mogą być konieczne do zrealizowania głównego celu. „Nie sformujemy batalionu czołgów, jeżeli tych czołgów nie mamy. To oznacza, że musimy zdefiniować zadanie produkcji lub zakupu czołgów. W zaprojektowanym programie tego typu zadania można dowolnie stawiać i przemieszczać w prosty sposób, uwzględniając przy tym zarówno te poprzedzające, następujące, jak i wykluczające” – tłumaczy twórca.
Student Wojskowej Akademii Technicznej opracował, zaprojektował i wdrożył w rozwiązaniu cztery algorytmy. Dają one cztery różne efekty obliczeniowe. Wszystkie algorytmy #młodyinnoWATor napisał samodzielnie. Trzy z nich: genetyczny, optymalizacji rojem cząstek oraz optymalizacji kolonią mrówek, bazują na literaturze i są znanymi na świecie metodami rozwiązywania szczególnie skomplikowanych zadań optymalizacji. Dyplomant wykorzystał wcześniej wymyślone oraz sprawdzone zasady działania, by zaimplementować je we własny sposób, uwzględniając przy tym specyfikę zadania, z którym musiał się zmierzyć. Najważniejszy jest jednak czwarty, w pełni autorski algorytm. Na potrzeby projektu autor z WAT nazwał go algorytmem probabilistycznym przeszukiwania najbliższego sąsiedztwa. Nazwę tę wybrał z powodu związku – wprawdzie dość odległego – z dwoma metodami: algorytmem probabilistycznym i przeszukiwania najbliższego sąsiedztwa. Choć sierż. pchor. Maślanik nie korzystał z ich działania, wybrał tę nazwę ze względu na uzyskany efekt oraz wyniki, charakteryzujące w jego ocenie te właśnie metody. „Zrobiłem to w całości zgodnie ze swoim pomysłem. Nie korzystałem w tym przypadku z żadnej literatury – bazowałem wyłącznie na doświadczeniach z pozostałymi trzema algorytmami oraz całej wiedzy, którą zdobyłem w ramach studiów na Wydziale Cybernetyki w WAT. W testach okazało się, że to właśnie mój autorski algorytm uzyskuje najlepsze efekty, ma największy dynamizm i osiąga najmniejszą wartość funkcji celu pod koniec działania” – mówi #młodyinnoWATor.
Aplikacja programowa studenta Wojskowej Akademii Technicznej opiera się na modelach matematycznych opracowanych w zespole badawczym Wydziału Cybernetyki. #młodyinnoWATor wykorzystał algorytmy heurystyczne, które są stosowane do zadań matematycznych wtedy, kiedy znalezienie najlepszego rozwiązania, jakie tylko jest możliwe, jest… niemal niemożliwe albo można je uzyskać w bardzo długim czasie – komputer liczyłby wiele lat, zanim udałoby mu się uzyskać wynik. W takiej sytuacji wykorzystuje się metody przybliżone, algorytmy heurystyczne, które zaproponują racjonalne rozwiązanie w rozsądnym czasie. Nie jest także wykluczone, że to właśnie taki algorytm znajdzie najlepsze rozwiązanie.
„Algorytm przeszukuje najbliższe sąsiedztwo rozpatrywanego rozwiązania, a gdy tam go nie znajduje, zmienia rozwiązanie w oparciu o zaimplementowane zasady probabilistyczne. Okazuje się, że działa to bardzo skutecznie w porównaniu z pozostałymi algorytmami, które szukają z reguły kolejnych rozwiązań, zmierzając w określonym kierunku. Mój autorski algorytm raczej „skacze” po zbiorze rozwiązań dopuszczalnych, dzięki czemu, jak pokazuje praktyka, jest znacznie większa szansa na znalezienie tego najlepszego rozwiązania. Takie działanie cechuje się również większą elastycznością w porównaniu z trzema pozostałymi, wcześniej zaimplementowanymi, metodami” – ocenia sierż. pchor. Maślanik.
Algorytm optymalizacyjny w każdej iteracji poprawia rozwiązanie, czyli ustala nowy wektor modułów kalkulacyjnych ocenianych przez trzy kryteria i ostatecznie proponuje najlepszy z punktu widzenia tych kryteriów zestaw jednostek bojowych do obrony przed działaniami przeciwnika.
#młodyinnoWATor przetestował już swoje narzędzie. Uwzględnił przy tym różne kryteria analizy porównawczej algorytmów, m.in. czas rozwiązywania, czyli czas potrzebny algorytmowi na zakończenie działań i znalezienie rozwiązania, tempo zbieżności – ile razy funkcja celu, którą należy jak najbardziej zminimalizować, zmieniała się w czasie wykonywania zadania. „Może się okazać, że dany algorytm bardzo szybko skończył zmieniać swoją wartość funkcji celu, a zatem dalsze działania są już stratą czasu, skoro nie poprawiał nic więcej w tym rozwiązaniu. Może to być przesłanka, żeby algorytm zmienić tak, by szybciej kończył działania” – wyjaśnia podchorąży. Podczas działania algorytmu użytkownik widzi funkcję celu na bieżąco, więc w chwili, gdy sam stwierdzi, że dana wartość mu odpowiada, może przerwać działania i otrzymać najlepsze w danym momencie rozwiązanie.
Innowacyjność docenił także dr hab. inż. Andrzej Najgebauer, prof. WAT, promotor pchor. Maślanika: „Wkład dyplomanta to opracowanie nowej wersji oprogramowania do prowadzenia analiz strategicznych, a w szczególności propozycja modyfikacji algorytmu genetycznego i wprowadzenia do porównania innych wariantów algorytmów decyzyjnych. Niewątpliwie innowacyjnym elementem w proponowanym podejściu jest autorski algorytm stochastyczny przeszukiwania najbliższego sąsiedztwa, który daje często dla złożonych sytuacji decyzyjnych lepszą z punktu widzenia przyjętych kryteriów alokację jednostek bojowych do obrony przed spodziewanym atakiem przeciwnika”.
Rozwiązanie studenta WAT już wspiera ustalanie nowych struktur ugrupowań wojsk dla założonego scenariusza działań militarnych, pokazuje wykresy oraz rezultaty obliczeń, a #młodyinnoWATor nadal je rozwija. Można je będzie także wykorzystać z innym oprogramowaniem, na przykład symulatorem działań taktycznych, opracowanym również na Wydziale Cybernetyki Wojskowej Akademii Technicznej.
System elastycznie można dopasować do swoich potrzeb – wprowadzać nowe dane, usuwać lub zmieniać zadania i poszczególne elementy. Można wprowadzić na przykład nowy rodzaj czołgów albo wybrany rodzaj przeciwnika, a nawet inną strukturę, gdyby zamiast pary śmigłowców miałyby występować trójki.
W narzędziu można wykonać zadanie budżetowe, uwzględnić sprzęt wojskowy, utworzyć z niego dowolne struktury, także zupełnie nowe, które jeszcze w ogóle nie istnieją w Wojsku Polskim.
Dyplomant WAT postawił także na maksymalną intuicyjność programu, a podczas prac rozmawiał z potencjalnymi użytkownikami m.in. o ich potrzebach i uwagach. Uwzględnił je w swojej pracy, bo jak stwierdza, program jest elastyczny i ma jak najlepiej służyć innym. Dzięki temu obecna postać jest przyjazna użytkownikowi.
Nowe rozwiązania często wymagają także sporych kosztów wdrożenia. Jak podkreśla #młodyinnoWATor, jego propozycja nie wymaga dodatkowych wydatków. „Mój program opiera się na FOSS, czyli bazie free and open-source software, co oznacza brak opłat licencyjnych. Nie potrzebuje nawet połączenia z Internetem. Wystarczy zwykły komputer, na którym można uruchomić desktopową aplikację i zainstalować bazę danych” – wyjaśnia sierż. pchor. Maślanik. Student przygotował także wygodne instrukcje obsługi, które nie tylko ułatwią użytkownikom korzystanie z programu, lecz także wyeliminują koszty ewentualnych szkoleń, które często są związane z wdrażaniem nowych systemów.
Rozwiązanie jest także bezpieczne pod względem cyberataków. Nie wymaga połączenia z Internetem i nie komunikuje się z nim w żaden sposób, co uniemożliwia nieuprawnionym osobom dostęp do tego oprogramowania.
Projekt wzbudził już spore zainteresowanie, m.in. podczas Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego w Kielcach i Defence24 Day, na których sierż. pchor. Dawid Maślanik zaprezentował program specjalistom. Rozmowy z przyszłymi użytkownikami podczas tych wydarzeń pozwoliły mu udoskonalić narzędzie i jeszcze lepiej dostosować je do określonych potrzeb. To jednak nie koniec prac, bo rozwiązanie jest skalowalne, a dyplomant ma już kolejne pomysły, jak je rozwijać. Chciałby dodać następne algorytmy, wielodomenowość, a także uwzględnić dodatkowe obszary. Obecnie rozwiązanie obejmuje aspekt powietrzny i lądowy, jednak w przyszłości twórca planuje dodać aspekt morski czy wojny elektronicznej. Możliwości rozwoju jest mnóstwo, a studentowi WAT nie brakuje pomysłów i zapału, by je realizować.
Z uznaniem pracę #młodegoinnoWATora ocenia także jego promotor, dr hab. inż. Andrzej Najgebauer, prof. WAT: „Pchor. Maślanik zaangażowany jest w prace projektowe zespołu naukowego, wykazując się dużą pomysłowością przy realizacji zadań badawczych w zakresie prototypowego programowania działań zespołów planistycznych. Projekty, w ramach których uczestniczy, należą do bardzo istotnych zagadnień decyzyjnych SZ RP. Każde przyspieszenie obliczeń i zastosowanie nowych rozwiązań w zakresie sztucznej inteligencji do wsparcia planowania operacyjnego i strategicznego jest ważnym kierunkiem badań i praktycznych zastosowań w systemie obronności państwa oraz aktualnych kierunków prac NATO w ramach Science and Technology Organization oraz NATO Allied Command Transformation, a w których jestem osobiście zaangażowany jako polski przedstawiciel w NATO Modelling and Simulation Group”.
Optymalizacja, a tym samym użytkowość projektowanych rozwiązań jest dla #młodegoinnoWATora priorytetem. Jeszcze zanim rozpoczął studia w Wojskowej Akademii Technicznej, zainteresował się programowaniem, a nawet stworzył autorski program komputerowego wspomagania projektowania przestrzeni magazynowej, który rozwiązywał zadania zaprojektowania przestrzeni ze strefami regałowymi, buforowymi, z dokami przeładunkowymi na podstawie zadanych przez użytkownika parametrów. Dzięki temu możliwe było łatwe zaprojektowanie przestrzeni tak, by dany magazyn mógł pomieścić lub przyjąć określoną liczbę jednostek ładunkowych paletowych. Pozwalało to na ocenę różnych wygenerowanych przez program wariantów projektowych przestrzeni magazynowej, a w konsekwencji wybranie tego optymalnego.
Młody twórca od zawsze stawia na użyteczność i tworzenie lepszych rozwiązań dla istniejących wyzwań. „Nauka powinna służyć ludziom i przynosić konkretne efekty, które pozwalają nam się rozwijać” – podsumowuje sierż. pchor. Dawid Maślanik i dodaje, że rozwój jest dla niego bardzo ważny, a swoje przyszłe zawodowe wybory wiąże właśnie z karierą naukową. Najchętniej w Wojskowej Akademii Technicznej.
Dominika Naruszko
Fot. Mariusz Maciejewski, Alicja Szulc, Rafał Kudyba
Artykuł powstał w ramach cyklu #młodziinnoWATorzy, w którym prezentujemy projekty, prace naukowe i dyplomowe, nowoczesne rozwiązania ambitnych studentów Wojskowej Akademii Technicznej, dla których 100% to za mało.