Mário Jorge Ferreira de Oliveira
Francisco Santos Sabbadini
Ilan Chamovitz (UFRJ/COPPE/PEP)
Paulo Roberto Souza Junior

Universidade Federal do Rio de Janeiro/COPPE/Programa de Engenharia da Produção

Artigo Publicado no II Simpósio de Excelência em Gestão e Tecnologia (SEGET), 2006.

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Resumo
O presente artigo apresenta um referencial teórico relativo a uma plataforma para simulação visual em 3D, desenvolvida no Programa de Engenharia de Produção da COPPE na década de 90. O sistema foi projetado, originalmente, como uma ferramenta para auxiliar alunos do curso de simulação a conduzir um experimento completo com um modelo de simulação a eventos discretos. Este artigo faz uma revisão da literatura e, a partir de uma perspectiva histórica, aponta as origens e a direção de desenvolvimento de novas pesquisas neste campo. Uma avaliação do cenário atual é realizada assim como são descritas as oportunidades de desenvolvimentos futuros nesta área emergente no campo da simulação a eventos discretos.
Palavras-chave: Modelagem, Simulação Visual em 3D.
1. Introdução
O desenvolvimento de recursos de computação nas últimas décadas resultou em um avanço significativo nas mais diversas áreas do conhecimento. A produção de computadores, com maior poder de processamento e custo reduzido, torna viável a utilização de modelos sofisticados para análise e solução de problemas complexos. O progresso tecnológico no campo da computação torna possível a obtenção de recursos gráficos e ambientes virtuais e novas possibilidades de aplicação práticas em várias áreas surgem a cada ano (LAGERGREN, 2002).
A Pesquisa Operacional (PO) é um campo onde se tem produzido uma grande quantidade de novas ferramentas para melhorar a maneira de estruturar e pensar sobre problemas existentes em várias áreas do conhecimento. Os métodos de PO são usualmente desenvolvidos por meio de modelos formais a abstratos. Modelagem é a arte de construir e utilizar modelos como ferramenta de análise. Uma revisão abrangente sobre o surgimento dos primeiros modelos de simulação na área de saúde é apresentada por De Oliveira (2000).
O hospital, como uma entidade social voltada para a atenção e cuidado aos pacientes é conhecido, há muito tempo, como uma área de aplicação para os métodos de PO. Modelos para avaliar a utilização de recursos na operação de sistemas de saúde são apresentados na literatura a partir da década de 60 (TUNICLIFE-WILSON, 1980). Esse tipo de abordagem tem sido direcionado para previsão de demanda, marcação de consultas, gerenciamento de filas e escala de pessoal (BENNETT, 1994). Aplicações recentes podem ser encontradas na gestão da capacidade de atendimento no Instituto Nacional do Câncer (GONÇALVES, 2004), em sistema de admissão de emergência hospitalar (SABBADINI, 2005), e no dimensionamento do serviço de atendimento móvel de urgência (GARCIA, 2006).

Atualmente, podemos encontrar aplicações sofisticadas, apoiadas em recursos tecnológicos avançados. A visualização da simulação vem sendo estudada por mais de uma década. O desenvolvimento de plataformas visuais interativas conduziu ao estudo de métodos voltados para a solução de problemas complexos. Um projeto originalmente desenvolvido por Balci (1997) foi pioneiro no sentido de propor, a um custo bastante elevado, protótipos de uma plataforma de simulação visual em 2D. Uma plataforma para a simulação visual em 3D (DE OLIVEIRA, 1999) e avanços recentes são apresentados e discutidos neste artigo.
2. Origens e Evolução
O avanço da modelagem visual na representação de objetos e a produção de equipamentos que suportassem as exigências na representação em 3D representaram um salto significativo. Dois conceitos citados na literatura devem ser destacados dada sua relevância na área de simulação visual: “Visual Interactive Simulation” (VIS), descrito por Hurrion (1976) e Visual Interactive Modeling (VIM) por Bell (1987). Segundo Wagner et al. (1996; 1997) os dois conceitos estão voltados para a produção de ferramentas que visam possibilitar a condução dos experimentos de simulação de uma forma mais amigável.
A principal característica de VIS é a sugestão de uma visualização de dados intermediários e a capacidade de interação com o modelo durante a realização da simulação de modo integrado, oferecendo ao usuário mecanismos para que este possa compreender e melhorar o sistema em estudo. Com relação a VIM, a idéia original era aumentar a produtividade do modelador, com ênfase na construção do modelo através dos recursos gráficos disponíveis naquela época. Ao detectarem esta diferença entre construção interativa de um modelo e a experimentação interativa do modelo construído, os autores sugerem a possibilidade de um ambiente VISM, incorporando tanto recursos de VIS quanto de VIM.
O termo “Visual Simulation Environment” (VSE) surgiu no período compreendido entre 1983 e 1995, a partir de um projeto da marinha americana, desenvolveu-se um método de simulação a evento discreto de propósito geral, para a análise de problemas complexos. Segundo Balci et al (1997), o sistema é composto de quatro módulos: Um editor, um simulador, uma ferramenta de análise dos resultados e um tutorial.
O projeto VSE resultou de um processo evolutivo desenvolvido a partir de dois outros projetos: “Simulation Model Development Environment” (SMDE) e “Visual Simulation Support Environment” (VSSE). Devido ao incremento da complexidade dos modelos de simulação e à necessidade de reduzir o ciclo de vida no desenvolvimento destes, iniciou-se, a partir de 1983, o projeto SMDE, voltado para a pesquisa de problemas complexos, no sentido de prover a integração de ferramentas baseadas em computador para aumentar a produtividade, a qualidade e reduzir o tempo de construção dos modelos (BALCI, 1997).
3. Plataforma para Modelagem de Simulação
Uma plataforma para modelagem de simulação foi desenvolvida na UFRJ, a partir de 1980. Originalmente direcionada para o ensino de simulação, com ênfase na modelagem de problemas, foi consolidada em 1990. O sistema foi projetado no sentido de facilitar aos alunos da disciplina de simulação a difícil tarefa de formular um problema, elaborar um modelo lógico e obter resultados através de uma interface com simuladores existentes. A plataforma apresentou uma proposta inovadora, no sentido de produzir a visualização dos resultados do experimento num ambiente virtual em 3D, o que ainda não tinha sido observado em qualquer publicação desta época. O primeiro exemplo foi desenvolvido para um hospital virtual, e será descrito a seguir.
3.1 Descrição da Plataforma de simulação visual
A plataforma é constituída de módulos desenvolvidos em linguagem C++ que disponibilizam as ferramentas necessárias para o experimento de simulação. Um método prático de modelagem, baseado no ciclo de vida das entidades envolvidas no modelo, é proposto e aplicado. O programa provê mecanismos que facilitam a criação de novas entidades e a edição de entidades já existentes. O sistema auxilia a formulação do problema e oferece uma interface lógica para a execução da simulação. Os módulos mais importantes são descritos a seguir.
3.1.1. Formulação

A formulação do problema é a etapa mais difícil e importante do experimento de simulação. Este é o passo inicial em que o usuário codifica o problema. O resultado deste módulo é código computacional com a lógica escrita em linguagem PASCAL. A formulação é composta por três elementos:
- Entidades: A funcionalidade do software oferece facilidade de edição de modo a permitir a inclusão do ciclo de uma entidade ou modificar algum atributo relacionado a uma entidade já existente, o que possibilita ao usuário navegar entre as entidades.
- Atividades: Esta funcionalidade é utilizada para checar a integridade da formulação. Se algum aspecto do problema real não foi considerado naquela etapa o usuário pode retornar ao módulo entidade e efetuar as mudanças necessárias.
- Filas: Esta funcionalidade foi projetada para possibilitar ao usuário definir as características da fila: as condições iniciais, as distribuições estatísticas de chegada e tempos de serviço. Além disso, permite analisar todas as filas relacionadas ao ciclo de vida das entidades existentes no sistema.
As figuras 1 e 2 apresentam o ciclo de vida das entidades e das atividades.

Figura 1. Ciclo de vida das entidades

Figura 2 Ciclo de atividades

3.2.2. Simulação
O módulo de simulação efetua a leitura dos resultados gerados no módulo de formulação e os direciona para um software de simulação a eventos discretos de acordo com a natureza e o tipo de problema. O processo se dá a partir do programa gerador, que lê a formulação desenvolvida pelo usuário e escreve um código em PASCAL ou C++. O código PASCAL faz a interface para um pacote de simulação. O código confere flexibilidade e auto-suficiência ao sistema.

3.1.3. Simulação visual em 3D
Este módulo utiliza as informações e o conhecimento contidos nos módulos anteriores e gera uma representação visual em 3D, que reflete aspectos práticos do experimento. O usuário pode ver a simulação acontecendo em um ambiente virtual. Definem-se também as câmeras que representarão a visão de diversos usuários, as quais são colocadas em pontos estratégicos do ambiente, para possibilitar a avaliação sob diferentes perspectivas. A construção do cenário é auxiliada por computador através da utilização de CAD (computer-aided design) conforme apresentado na figura 3.

Figura 3. Um exemplo de cenário virtual utilizado pela plataforma
Fonte: De Oliveira (1999)
A simulação visual 3D é o passo final do processo de modelagem proposto. Nesta etapa são definidas as posições de todos os objetos que irão compor o cenário. Os melhores resultados da simulação são transferidos para o cenário virtual. Uma interface com a biblioteca gráfica permite que os resultados do modelo originalmente formulado possam ser animados e apresentados.
Segundo De Oliveira (1999) os principais passos numa simulação visual 3D são: a) criar os objetos; b) criar o cenário; c) aplicar textura aos objetos; d) adicionar luz; e) criar uma câmera; f) animação; e g) renderização. O processo de visualização da animação consiste basicamente na exibição de uma série de imagens, a certa velocidade, onde os objetos mudam suas posições no cenário a partir de parâmetros definidos.
3.1.4. Aplicações práticas
Um exemplo prático com a utilização da plataforma proposta foi sua utilização na análise e avaliação de problemas de gerenciamento ocorridos no sistema de admissão do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho, no Rio de Janeiro. O fluxo de pacientes foi analisado e identificaram-se problemas de congestionamento, assim como longas filas de espera no sistema. Os dados necessários foram coletados e foi conduzido um experimento de simulação completo.
A análise da dinâmica do sistema de admissão revelou pontos críticos no layout da unidade operacional. Um cenário virtual foi desenvolvido e a simulação visual em 3D, apresentada na figura 4, foi usada como ferramenta para auxiliar os gestores do hospital a redefinirem o sistema de admissão e melhorar o serviço disponibilizado aos pacientes. A partir dos resultados obtidos foram sugeridas mudanças no projeto arquitetônico original no sentido de melhorar a qualidade do processo de atendimento.

Figura 4. Simulação visual em 3D com a plataforma proposta
Fonte: De Oliveira, 1999.
Gaspar(1998), em sua tese de mestrado na COPPE/UFRJ, produziu um exemplo de uma representação 3D dos resultados teóricos da simulação de modelos de fila de espera (figura 5).

Figura 5. Simulação de filas no hospital virtual com plataforma
Fonte: Gaspar, 1998
De Oliveira e Gabcan (2002) aplicaram a simulação visual 3D para observar o fluxo de pacientes, os processo de atendimento e, também, para análise do sistema de admissão, no Instituto de Doenças do Tórax, no Hospital Universitário Clementino Fraga Filho, na Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Moraes et al (2002) utilizaram a simulação visual 3D para estudar filas de atendimento em um hospital público considerando um ambiente multiusuário e incorporando elementos de uma nova área de aplicação que envolve conceitos de Multi-User Virtual Environment (MUVE), mostrado na figura 6.

Figura 6 - Modelo de simulação multiusuário
Fonte: Moraes et al (2002)

4. Trabalhos correlatos
Outras aplicações da simulação visual 3D, podem ser encontrados em áreas como manufatura, processos cirúrgico e estudos de tráfego. Na manufatura podemos citar o trabalho de Mueller-Wittig et al. (2002) e, também, Zhong e Yuan (2004) nos quais os autores desenvolveram uma fábrica virtual, utilizando técnicas de visualização em 3D para avaliar os resultados da simulação (figura 7).

Figura 7. Linha de Montagem em 3D utilizada em Mueller-Wittig et al. (2002)
Em estudos de tráfego, Hughes e Harkey (1999) utilizaram a simulação visual em 3D, integrando elementos de realidade virtual, para avaliar a percepção de ciclistas relacionada a fatores de risco selecionados no trânsito.
5. Crescimento da simulação visual 3D no cenário atual
A importância crescente do tema ‘”Simulação visual 3D” pode ser constatada a partir da sua inclusão na pauta de temas tratados em congressos, conferências e no número de projetos em desenvolvimento. Na fase exploratória da pesquisa foram identificados alguns congressos e conferências que já destacam o tema de forma específica:

a) WSC Winter Simulation Conference: a partir da edição de 2004 o tema simulação visual em 3D aparece agrupado com o tópico Realidade Virtual;
b) 11th International Conference on 3D Web Technology - http://www.web3d2006.org/;
c) 4th International Conference on Pervasive Computing http://www.pervasive2006.org/;
d) Image 2006 - http://www.public.asu.edu/~image/.

Além disso, foram identificados, também, grupos e associações que desenvolvem pesquisas e divulgam informações sobre o tema:
a) The Image Society - The Arizona State University - http://www.public.asu.edu/~image/;
b) 3D Group for Interative Simulation – University of Rhode Island - http://3dgroup.cs.uri.edu/?cat=11.
No Brasil, identificaram-se estudos nesta área que vem sendo desenvolvidos através de projetos ou vinculados a programas de mestrado ou doutorado:
a) UFRGS – Instituto de Informática : Estudos vinculados a teses de doutorado para o desenvolvimento de ambiente de simulação visual interativa orientada a objeto;
b) UFRJ – COPPE – Programa de Engenharia de Produção: desenvolvimentos através do projeto Simulação Interativa Visual, que abrange as seguintes linhas de pesquisa de simulação visual interativa multiusuário e simulação visual em 3D. Em função dos resultados alcançados estão sendo desenvolvidos estudos relacionados à simulação e realidade virtual, através de teses de mestrado e doutorado vinculadas ao projeto e que buscam a consolidação do conhecimento existente sobre a representação visual da dinâmica de modelos de simulação a eventos discretos.
6. Tendências
Algumas tendências de desenvolvimento relativas a simulação visual são o desenvolvimento de redes de ambientes virtuais, a simulação interativa multiusuário em vários campos: em cirurgias; na educação, por meio de jogos; na área militar, para manuseio de máquinas e armamentos. Existe, também, a tendência de se aproximar aplicações com tecnologias de imersão em ambientes virtuais, engenharia de performance humana, sistemas inteligentes, aprendizado baseado em jogos, simulação baseada em agentes, linguagens de simulação (software), interoperabilidade, simulação distribuída e mundos virtuais.
7. Conclusão
Neste artigo foi apontada a origem e a direção de desenvolvimento de uma plataforma inovadora para simulação visual em 3D, desenvolvida na COPPE/UFRJ na década de 90. Observa-se que apesar do sistema ter sido desenvolvido há mais de 20 anos atrás, sua importância pode ser constatada atualmente pelo crescente número de trabalhos que a utilizam e referenciam. O sistema foi desenvolvido numa época em que não havia muitos recursos de computação gráfica e os desdobramentos verificados acompanham o progresso tecnológico. A grande contribuição deste trabalho é ressaltar o método com ênfase no ciclo de vida das entidades, empregado pela plataforma apresentada. Esse método vem contribuindo para o desenvolvimento de muitas aplicações práticas na área social, particularmente em saúde e educação. O crescimento do interesse pelo tema foi percebido a partir da identificação de grupos, associações e do aparecimento de seções específicas em congressos e conferências nacionais e internacionais.

Referências
BALCI, O. et al. The visual simulation environment technology transfer. Proceeding of the Winter Simulation Conference, 1997.
BANKS, J. & CARSON, J. S. Discrete-event system simulation. Prentice-Hall International Series in industrial and system engeneering. New Jersey: Prentice-Hall, 1984.
BELL, P.C. & O´Keefe, R.M. Visual interactive simulation – history, recente developments and major issues, Simulation, 49, 3, (abstract). set. 1987.
BENNETT, J.C. A flexible approach to improving outpatient clinic organization, Paper presented at 20th meeting of the Working Group OR Applied to Health Services, 31, July-4, August, Chania, Greece, (1994).
De OLIVEIRA, M.J.F. 3D Visual Simulation Platform for the Project of a New Hospital Facility. In “ Monitoring, Evaluating, Planning Health Services”, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., pp 39-52, 1999, ISBN 981-02-4154-2
GABCAN, L. & De Oliveira, M.J.F. 3D visual simulation applied to new Thoraz Disease Institute. In Acessibility and Quality of Health Services. Proceeding of 28 meeting of the European Working Group on Operational Research Applied to Health Services, Rio de Janeiro, Brazil, pp. ‘195-206, 2002.
GARCIA, L.C. Dimensionamento de Recursos de Atendimento Móvel de Urgência da Região Metropolitana II do Estado do Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, 2006.
GASPAR, N.B. Representação Visual de Modelos de Fila de Espera. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, 1998.
GONÇALVES, A. A. Gestão da Capacidade de Atendimento em Hospitais de Câncer. Tese de doutorado, COPPE/UFRJ, 2004.
HUGHES, R. G. & HARKEY, D.L. Using visual simulation to evaluate Bicyclists´ perceptions of selected risk factors. Chapel Hill. University of North Carolina Highway Safety Research Center, 1999.
HURRION, R. D. The design, use, and required facilities of an interactive visual computer simulation language to explore production planning problem. Londres, Univ. of London, 1976. (PhD Thesis).
LAGERGREN, M. Modeling as a tool to assist in managing problems in health care, In: D. Boldy, J. Braithwaite and I. Forbes (Eds.), Evidence Based Management in Health Care: The Role of Decision Support Systems, Australian Studies in Health Service Administration, 92, (2002) 17-36.
MORAES, Adriana B. et al. A multi-user simulation of a hospital queue. In Acessibility and Quality of Health Services. Proceeding of 28 meeting of the European Working Group on Operational Research Applied to Health Services, Rio de Janeiro, Brazil, pp. ‘195-206, 2002.
MUELLER-WITTIG, W, JEGATHESE, R., SONG M., QUICK, J., WANG, H & ZHONG, Y. VIRTUAL Factory – Highly Interactive Visualization For Manufacturing. In Proceedings of the 2002 Winter Simulation Conference, 2002. Disponível em http://www.informs-cs.org/wsc02papers/142.pdf . Acessado em 16/04/2006
SABBADINI, F.S. Gerenciamento de restrições em hospital de emergência: um estudo de caso no hospital municipal Henrique Sergio Gregori. Dissertação de Mestrado, Universidade Estácio de Sá, 2005.
TUNICLIFE-WILSON, J.C. Review of population health care problems tackled by computer simulation, Public Health 94, (1980) 174-82.
WAGNER, P.E. et al. A new paradigm for visual interactive modeling and simulation. European Simulation Conference, 1996. 1997. Disponível em http://www.inf.ufrgs.br/cg/publications/pwagner/opr00VEA.pdf Acesso em 08/04/2006.
ZHONG, Y. & YUAN, X. 3D Visualization of discrete event simulation and its applications in virtual manufacturing. International Journal of CAD/CAM. Vol. 4, nr. 1, 2004.
ZYDA, M. J. et al. The software required for the computer generation of virtual environments. Proceeding of the Third Eurographics Workshop on object-oriented, 1992.