盧卓桓

摘要：本文通過對RoboCup救援仿真平臺的Viewers層進行研究，找出RCRSS實現(xiàn)可視化的方法與技術(shù)，并應(yīng)用該平臺的可視化技術(shù)對仿真地圖的顯示內(nèi)容加以補充、修改、刪減等，使地圖上所呈現(xiàn)的畫面更能滿足開發(fā)人員對仿真整體過程的把握以及對重要信息的獲取，從而能提高調(diào)試效率，減少開發(fā)時間。

關(guān)鍵詞：RCRSS；可視化；救援仿真

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0081-04

1 引言

RoboCup Rescue機器人救援仿真系統(tǒng)（RoboCupRescue Simulation System，RCRSS）是用計算機對真實世界的災(zāi)難進行模擬，災(zāi)難的發(fā)生是隨機的，如火災(zāi)會造成房屋燒毀，市民燒傷；隨著火勢的蔓延，又會造成道路的堵塞，市民被掩埋甚至被燒死，通信中斷等。其運行環(huán)境是國際RoboCup委員會提供的標準Server。該平臺由多個模塊組合而成，分別為：內(nèi)核（Kemel）、子仿真器（Sub-simulatiors）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、顯示器（Viewers）和智能體（Agent），如圖1所示[1]。其中，Viewers的作用是利用計算機圖形學相關(guān)技術(shù)將整個救援過程可視化，即將仿真的當前狀態(tài)，包括各種智能體的活動、當前火勢、道路的堵塞情況等，以圖形顯示出來[2]。本文將對Viewers層的實現(xiàn)進行分析，得到其實現(xiàn)方法，并在原來可視化的基礎(chǔ)上顯示我們所感興趣的內(nèi)容。

2 問題描述

在多智能體救援仿真系統(tǒng)中，災(zāi)難現(xiàn)場一般會通過2D的圖形界面顯示出來，其初始化界面如圖2所示。從該圖最上方一欄可以看到，該圖是的名稱是Kobe1，有300個仿真周期，有2條信道可供通信， Time為仿真周期，Score為仿真的分數(shù)。系統(tǒng)中的智能體用實心的小圓圈來表示：藍色代表警察，紅色代表火警，白色代表救援隊員，綠色代表市民。建筑物則是由多邊形來表示，深灰色的代表建筑物，淺灰色的代表道路。消防栓、避難所、救護中心、消防中心、警察局都以小圖片的形式形象地呈現(xiàn)在地圖中。當仿真進行了一段時間后（注：這是火災(zāi)現(xiàn)場），房屋將被燒毀，根據(jù)不同的燃燒程度，房屋顏色會不一樣，顏色越深，房屋的燒毀程度越大。房屋的燃燒會導致坍塌，從而導致道路堵塞，如圖3中道路上黑色不規(guī)則圖形表示路障。市民如果處在燃燒的房屋內(nèi)，則市民會被燒傷，當市民的血量為零時，市民會死亡。

RCRSS提供了仿真所必需的可視化場景，但對于仿真人員來說，只得到這些信息還遠遠不夠。比如，研究火警（Fire Brigade）的仿真人員想要知道火警的移動路徑；研究地圖分區(qū)的仿真人員想要直觀看出地圖上的區(qū)域是否按照既定的分區(qū)規(guī)則正確劃分等。而這些信息RCRSS并沒有提供，這就需要對系統(tǒng)的Viewers層進行研究，并應(yīng)用相應(yīng)的可視化技術(shù)將這些信息顯示出來。

3 RCRSS的可視化技術(shù)

3.1 RCRSS的世界模型

在RCRSS中，世界模型用于記錄系統(tǒng)環(huán)境中不同種類的對象[3]。比如，地圖上一個多邊形代表一間房屋，并具有房屋的一系列性質(zhì)，如大小，位置，燒傷程度等。各智能體在每個仿真周期都會通過自己獲取的信息構(gòu)建并更新一個代表自身周圍世界環(huán)境災(zāi)害信息的世界模型。這個世界模型包括智能體ID、智能體自身信息、周圍環(huán)境信息、仿真時間等。

在世界模型中，每種智能體、物體、房屋、道路等都有一個屬于自己且獨一無二的ID。所以，Viewers在具體顯示某一Entity（如房屋，道路，障礙等）或Agent（智能體）時，是通過ID來得到該Entity或Agent的相關(guān)屬性，進而通過特定的可視化技術(shù)將其顯示在仿真地圖上。

3.2 圖形圖像繪制技術(shù)

RCRSS可視化仿真平臺使用Java語言進行開發(fā)，圖形的繪制采用Java 2D技術(shù)。Java 2D提供了實現(xiàn)非常復雜圖形的機制，這些機制同Java平臺的GUI體系結(jié)構(gòu)很好地集成在一起。其中，在具體繪制圖形時多采用Graphics2D類。

Graphics2D類在保留了Graphics類的繪圖方法的基礎(chǔ)上增加了許多新的方法。新方法將幾何圖形作為對象來繪制。在java.awt.geom包中聲明的一系列類，分別用于創(chuàng)建各種身體圖形對象。常用的主要有：Line2D（線段類）、RoundRectangle2D（圓角矩形類）、Ellipse2D（橢圓類）、Arc2D（圓弧類）、QuadCurve2D（二次曲線類）、CubicCurve2D（三次曲線類）。

在RCRSS的Viewers中，每一圖層正是由線，矩形，圓形等基本圖形繪制而成的，比如智能體是一個小圓圈，房屋是一個多邊形等，再根據(jù)不同的屬性將圖形涂上不同的顏色。而一幅復雜的畫面則是由各個簡單圖層疊加而成的。

所以，在實現(xiàn)自己的圖層繪制時，同樣可以使用Graphics2D類進行基本圖形的繪制，并且，使用此方法與原來平臺的方法一致，可以完美地與原有可視化內(nèi)容結(jié)合起來。例如，畫一條線段使用：Line2D line = new Line2D.Double（x1， y1， x2， y2）； 畫一個矩形則使用：Rectangle2D rect = new Rectangle2D.Double（x1， y1， x2， y2）。

3.3 畫面合成技術(shù)

RCRSS的Viewers是實時地，動態(tài)地顯示著整個災(zāi)難發(fā)生及救援的過程。在這個過程中，房屋會被燒毀，道路會被堵塞，這些現(xiàn)象通過顏色和圖形的變化體現(xiàn)出來，而智能體的救援行動則是通過智能體的移動體現(xiàn)出來。僅在一張圖層上表現(xiàn)出動態(tài)復雜的圖像及動畫顯然是比較困難的。實際上，Viewers是由多個圖層疊加在一起后再顯示出一幅完整的，實時更新的圖像的，如圖4。

這樣一來，一幅復雜的圖像，便可以分解為一張一張簡單的圖層。在RCRSS中，最終呈現(xiàn)在我們眼前的地圖是由以下的圖層構(gòu)成的：

BuildingLayer（建筑圖層）：該圖層用來畫出建筑物，通過填充不同的顏色來表明建筑的燒傷程度或損壞程度；

RoadLayer（道路圖層）：該圖層用來畫出道路；

RoadBlockageLayer（道路堵塞圖層）：該圖層用來畫出道路上的堵塞物，即路障。

AreaIconLayer（建筑圖標圖層）：該圖層用來顯示出地圖上的小圖片，用小圖片代表警察局、消防中心、救援中心、消防栓和避難所等。

AnimatedHumanLayer（動畫人物圖層）：該圖層用來畫出三種智能體和市民，隨著智能體和市民的移動，該圖層會不斷更新重繪。

PositionHistoryLayer（歷史軌跡圖層）：該圖層用來顯示出智能體自上一周期到本周期的行走軌跡。

同樣的，我們在繪制的時候只需要繪制簡單的圖層，最終再按一定規(guī)則將圖層疊加成一幅復雜的圖像。RCRSS平臺已經(jīng)給開發(fā)人員提供了增加圖層的方法：public void addLayer（ViewLayer layer），當開發(fā)人員要往地圖中增加圖層時，只需要繪制好自己的圖層，然后調(diào)用該方法，便能將圖層加到地圖中，實現(xiàn)一定的疊加效果。

4 可視化的實現(xiàn)

本節(jié)將通過幾個例子對RCRSS可視化的實現(xiàn)做一些具體的介紹。

4.1 路徑可視化

路徑規(guī)劃在救援仿真中占有十分重要的地位，特別是對于警察清障來說，如何快速地連通整個災(zāi)難現(xiàn)場，為火警和救援隊員清理出最高效率的路線，幫助其快速到達救援目的地是實現(xiàn)有效救援工作的前提。

仿真人員通過路徑規(guī)劃算法得到的路徑一般是以路的ID的形式儲存起來。那么，首先需要將ID轉(zhuǎn)換為坐標，RCRSS平臺已經(jīng)提供了轉(zhuǎn)換的方法，轉(zhuǎn)換的函數(shù)是：

public Pair getLocation（@Nonnull StandardEntity entity）

該函數(shù)的返回一個數(shù)對，即是坐標點；參數(shù)是地圖中的實物entity，類型是StandardEntity。接著，需要根據(jù)ID找到對應(yīng)的實物entity，轉(zhuǎn)換方法是：

public StandardEntity getEntity（@Nonnull EntityID entityID）

由此得到的坐標并不是世界坐標，只是屏幕坐標，所以接下來要把坐標做一個轉(zhuǎn)換，映射到世界坐標上，才能繪出坐標點。比賽平臺提供了一個處理世界坐標和屏幕坐標之間轉(zhuǎn)換的類ScreenTransform，直接使用該類便能直接在地圖上繪出點來，將坐標點兩兩連線則構(gòu)成了一條路徑。實現(xiàn)步驟如圖5。

圖6為一個火警的路徑，其目的地用一個方形繪制出來。

4.2 分區(qū)可視化

分區(qū)策略在救援仿真系統(tǒng)中已經(jīng)成為了一種主流策略。

分區(qū)可視化的目標是要把幾個不同的分區(qū)用不同的顏色渲染，從而使開發(fā)人員能一目了然知道分區(qū)的結(jié)果，進而判斷分區(qū)算法的有效性和可行性。

分區(qū)后數(shù)據(jù)一般是以建筑ID的形式儲存起來，同一分區(qū)的數(shù)據(jù)儲存在一個列表中。這樣，有了同一分區(qū)建筑的ID，那么，我們就可以將一個分區(qū)的ID染上一種顏色。其實現(xiàn)流程圖如圖7，示例代碼如下：

private void drawPartition（Building b， Polygon shape， Graphics2D g）{

……

for（int j=0；j

if（b.getID（）.getValue（）==partitionData[j]） {

g.setColor（rendercolor.get（i））； //選色

g.fill（shape）； //填充

}

……

}

}

圖8為警察分區(qū)結(jié)果。

4.3 目標物尋找可視化

目標物尋找可視化是通過Entity的ID檢索到Entity的位置并在地圖上以其他顯眼的顏色標記出來，使調(diào)試人員能方便、迅速地找到相應(yīng)的Entity。

當調(diào)試人員輸入ID時，程序先把ID存放在列表中，然后與地圖上所有Entity的ID逐一比較，當找到對應(yīng)的Entity時則把該Entity染上其他顯眼的顏色。實現(xiàn)流程圖如圖9所示，示例代碼如下：

private void drawRoad（Road r， Polygon shape， Graphics2D g）{

if（r.getID（）.getValue（）==Integer.parseInt（id）） {

g.setColor（color）；

g.fill（shape）；

}

}

該段代碼為尋找某一路段。

圖10為目標物的尋找結(jié)果。

5 結(jié)語

RoboCup Rescue救援仿真系統(tǒng)是一種典型的多智能體異構(gòu)系統(tǒng)，近年來已經(jīng)成為最活躍的研究熱點之一。RCRSS一方面能夠推進人工智能等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，另一方面能夠為人們實際的救援行動提供決策支持，幫助我們創(chuàng)造一個安全的社會。其中，對RCRSS的可視化研究可以幫助開發(fā)人員進行調(diào)試，判斷算法的好壞，從而提高開發(fā)效率，減少開發(fā)時間，有著至關(guān)重要的作用。因此，基于RCRSS的可視化研究有著深刻的意義和重要的價值。

參考文獻

[1]RoboCupRescue Technical Committee. RoboCup-Rescue Simulator Manual [M]. RoboCup Rescue Technical Committee， 2000-7-1.

[2]管大琦.動態(tài)不確定環(huán)境下消防策略的研究與系統(tǒng)仿真[D].南京：東南大學機械工程學院，2009.

[3]吳云標.RoboCup救援仿真比賽的消防策略和消防智能體任務(wù)分配研究[D].廣東工業(yè)大學，2011.