La informática y las capacidades gráficas informáticas siguen mejorando y evolucionando. Lo que antes era ciencia ficción, como el renderizado fotorrealista en tiempo real ahora común en los videojuegos, hasta la realidad virtual (RV) de bajo coste, es ahora algo común. A medida que la gente experimenta estas tecnologías en su vida personal, aumenta la demanda y la expectativa de que la simulación informática utilizada en un entorno empresarial o institucional tenga un grado similar de contenido visualmente atractivo y de experiencia de usuario. Estas capacidades contribuyen a la aceptación y utilidad de estas herramientas. Este estudio de caso sugiere un enfoque, así como herramientas y técnicas, utilizadas para automatizar y reducir los recursos necesarios para desarrollar modelos tridimensionales (3D) del entorno de un gran campus a partir de datos tradicionales de dibujo asistido por ordenador (CAD) bidimensionales (2D) que pueden utilizarse en la simulación por ordenador.
En los Institutos Nacionales de la Salud (NIH), una agencia federal de apoyo a la investigación biomédica básica, la Oficina de Servicios de Investigación (ORS), Oficina de Gestión de Calidad (OQM) ha implementado varios modelos de simulación por ordenador que han apoyado la planificación de emergencia mejorada y la mejora en la prestación rentable de los servicios de ORS a la comunidad NIH. Estos esfuerzos están diseñados para integrarse en un modelo holístico de Apoyo a las Decisiones Operativas en el Campus (CODS) que proporcionará una plataforma flexible para comprender y probar mejoras en la prestación de servicios en un entorno virtual.
Además de un componente analítico, este modelo utiliza una representación muy visual del campus de los NIH. Esto aumenta la utilidad de la simulación, ya que "la visualización de imágenes gráficas del comportamiento dinámico de un modelo durante su ejecución permite al usuario descubrir errores a simple vista" (Bijl, Boer 2011). El campus de los NIH consta de más de 90 edificios en 310 acres de terreno. Los edificios del campus van desde el Complejo del Centro Clínico de 242 camas y 3,2 millones de pies cuadrados, hasta los primeros edificios de los NIH construidos en la década de 1930. El campus cuenta con unas 9.000 plazas de aparcamiento en superficie y en estructuras de varios niveles.
La creación de este "mundo virtual" en un entorno de simulación por ordenador puede consumir considerables recursos y tiempo del personal. Los conocimientos necesarios para ser un modelador 3D eficiente y eficaz son considerablemente diferentes de los necesarios para ser un modelador de simulación eficaz. A menudo, las organizaciones con un gran inventario de instalaciones, como los NIH, mantienen planos CAD tradicionales en 2D con fines de planificación y gestión del espacio. Los datos CAD pueden tener diferentes grados de conformidad con las normas y las mejores prácticas que pueden dificultar la conversión eficiente a un modelo 3D.
Al desarrollar el modelo CODS, OQM identificó la necesidad de desarrollar una representación en 3D de la red de carreteras, aparcamientos y circulación peatonal del campus, el acceso al campus tanto para empleados como para visitantes, y los exteriores de los edificios, incluidas las entradas y salidas apropiadas. Además, algunas partes del modelo CODS requerían la visualización del interior de los edificios del campus, representando mínimamente las paredes y puertas interiores, y cómo circulan los ocupantes por el espacio físico. Para hacer frente a estos retos, OQM ha desarrollado varias herramientas, técnicas y métodos de flujo de trabajo para utilizar estos activos CAD 2D en la simulación informática 3D.
Lamentablemente, no existe un "método" único para convertir datos CAD 2D en 3D y utilizarlos posteriormente en un modelo de simulación. Hablando específicamente de CAD 2D, "los diseños CAD son adecuados para la generación de modelos sólo si su construcción sigue convenciones específicas del dominio; las convenciones pueden ser un acuerdo entre el usuario de CAD y el constructor del modelo de simulación (Lorenz, Schulze 1995). Las organizaciones han acumulado activos CAD a lo largo del tiempo y la conformidad con las normas no siempre se integra en los requisitos a medida que estos activos se desarrollan y actualizan.
Además, hay que distinguir entre convertir un plano 2D en 3D para visualizaciones o recorridos virtuales en primera persona y aprovechar los datos y la información de un dibujo CAD para utilizarlos en la simulación como herramienta de toma de decisiones. Para obtener valor en la toma de decisiones a partir de la simulación de la distribución de un plano, no sólo es necesario visualizar, sino también disponer de algún modo de acceder y utilizar los datos de ubicación subyacentes y las relaciones espaciales de los elementos representados en la visualización.
El enfoque general para crear un modelo de espacio interior en 3D en Simio incluye 3 pasos principales. En primer lugar, se crea la distribución general del espacio interior, incluidas las habitaciones y las puertas, como un modelo 3D. El segundo paso consiste en desarrollar el recorrido de circulación de los ocupantes por todo el edificio. Por último, estas geometrías se importan al software de simulación, en nuestro caso Simio, para utilizarlas en la simulación por ordenador. Partiendo de los planos CAD de cada edificio, Autodesk AutoCAD desarrolló una extracción de datos para exportar las anotaciones de las habitaciones y sus coordenadas respectivas a un archivo de hoja de cálculo. Cabe señalar que algunos edificios del campus tienen 19 plantas con 400 habitaciones por planta. Este archivo se limpió, se clasificó por "plantas" y se estandarizó en un formato delimitado por comas. Se desarrolló una extensión personalizada de Trimble SketchUp (paso 1) para importar esta información a un dibujo 3D de SketchUp.
A continuación, se importaron las vistas en planta a SketchUp y se orientaron adecuadamente. Las puertas no eran objetos CAD estandarizados en los dibujos proporcionados, por lo que se desarrolló otra extensión de SketchUp (paso 2) para identificar y colocar diversos objetos de puerta estandarizados en el modelo de SketchUp. A continuación, las vistas en planta se convirtieron en "perfiles" limpios utilizando diversas herramientas, técnicas y complementos de SketchUp. Además del producto estándar Sketchup, se utilizaron herramientas de Trimble Extension Warehouse que incluyen CleanUp, Edge Tools, Selection Toys y Architect Tools desarrolladas por Thomas Thomassen. El objetivo de este ejercicio era rellenar los espacios dentro de la geometría CAD del muro con "caras" de SketchUp y crear polígonos 2D sólidos que representaran la geometría del muro. Este paso fue, con diferencia, el que más tiempo llevó, pero gracias al uso de estas técnicas se pudo crear una vista en planta relativamente grande (por ejemplo, 400 habitaciones, 200.000 pies cuadrados) en 2-3 horas. A continuación, los polígonos 2D se extruían para crear una representación básica de la geometría interior en 3D.
Además, se dibujó en SketchUp una red básica de circulación por los principales pasillos del edificio. Se desarrollaron otra serie de extensiones de SketchUp para automatizar la "conexión" de estos recorridos principales con las puertas y habitaciones de todo el edificio (pasos 3-7).
Por último, esta geometría se exportó mediante una extensión personalizada de SketchUp (paso 8) a un archivo de hoja de cálculo en el que se anotaron la definición, el nombre y la ubicación del objeto; y para los enlaces generados, el objeto inicial y final y los vértices. A continuación, estos datos se importaron a un modelo Simio mediante un complemento proporcionado por LOGIO.
El proceso y el flujo de trabajo utilizados para desarrollar la vista del campus son similares. Como base para los contornos de los edificios se utilizó un dibujo CAD de todo el campus. La masa de cada edificio se aproximó a partir de estos contornos y se añadieron detalles relativamente menores basados en observaciones físicas para transmitir una sensación del entorno del campus. El campus y la red viaria circundante, así como una parte de la red peatonal, se obtuvieron a partir de una combinación de documentos de planificación general de los NIH y una consulta de datos de OpenStreetMap a través de Overpass Turbo.
Utilizando estos métodos, el equipo del proyecto pudo alcanzar el objetivo de producir un modelo 3D que proporcionara un nivel de detalle suficiente para visualizar y simular el movimiento de los ocupantes dentro de una instalación del campus de los NIH, y tanto el movimiento de personas como el del tráfico en el entorno del campus. Los métodos de flujo de trabajo y las secuencias de comandos de la API de SketchUp aprovecharon los limitados datos disponibles de los diseños 2D para eliminar muchos de los pasos repetitivos que requerían mucho tiempo si las características del modelo debían desarrollarse individualmente. Para el complejo de 18 plantas y 3,2 millones de pies cuadrados del Centro Clínico NIH que se modeló, esto supuso un ahorro de tiempo de cientos de horas. La red de carreteras del campus, utilizando datos de OpenStreetMap, pudo crearse en unos minutos, y es menos propensa a errores, frente a varios días de volver a trazar manualmente una imagen aérea.
En el curso de este proyecto, se reconoció que las geometrías resultantes de SketchUp también podrían utilizarse en muchas aplicaciones de motores de juegos que incluyen física, detección de colisiones y avatares controlados por el jugador y objetos no jugadores. Aunque las técnicas se desarrollaron específicamente para un modelo de Simio, muchas de ellas podrían aplicarse de forma más amplia y genérica. Los scripts ruby de SketchUp, o alguna variación de los mismos, por ejemplo, pueden escribirse conforme a las normas de Trimble Extension Warehouse y ponerse a disposición de todos los usuarios de Sketchup.
Las organizaciones del sector privado que estén interesadas en colaborar o conceder licencias de estas tecnologías deben ponerse en contacto con los autores y los acuerdos apropiados pueden concertarse a través de la Oficina de Investigación Interna de los NIH, Oficina de Transferencia de Tecnología.
El equipo de OQM desea expresar su agradecimiento a la dirección de los NIH y de ORS/ORF, así como al numeroso personal que ha apoyado este proyecto.