Система 3D-моделирования, ориентированная для использования в тренажерах

Цели и задачи.

В настоящее время весьма актуальной является задача создания производственных тренажеров с применением в них систем трехмерной визуализации для оперативного отображения информации о состоянии сложных объектов. Такие тренажеры могут значительно улучшить и компьютеризированный процесс обучения, и операционную эффективность производственного процесса.

Хотя уже создано большое число пакетов и средств 3 Э-моделирования, их использование в производственных тренажерах затруднено, так как остается неясным ряд важных вопросов:

• в каких ситуациях необходимо использовать некоторый пакет визуализации;

• как осуществить интерактивное взаимодействие с пользователем и работу в режиме реального времени;

• каким образом сделать объекты фотореалистичными, т. е. узнаваемыми, и при этом обеспечить приемлемую цену необходимого аппаратного обеспечения;

• каким образом можно добиться того, чтобы графическая информация наилучшим образом усваивалась обучаемым;

• как можно усовершенствовать процесс разработки ЗБ-моделей для тренажера.

В связи с этим разработка оригинальной системы ЗБ-моделирования, ориентированной на использование в тренажерах и решающей ряд вышеперечисленных вопросов, представляется актуальной.

Хотя с недавнего времени интерактивную трехмерную компьютерную графику начали использовать в тренажерных технологиях, разработано систем 3 Б-моделирования не было. Существуют инструменты для создания интерактивной компьютерной графики и существуют методы для придания графическим объектам фотореалистичного вида, но остается неясным вопрос, как с их помощью быстро легко и эффективно создать интерактивные модели большого сложного технологического комплекса. Неясно также, каким образом можно добиться того, чтобы графическая информация наилучшим образом усваивалась обучаемым и при этом система была адаптирована к ресурсам потенциальных пользователей. На данный момент все эти вопросы индивидуально рассматриваются каждым разработчиком ЗБ-графических объектов для тренажеров. При этом на исследование тратится много времени, однако результаты этих исследований не всегда оказываются успешными. Не всегда оказываются приемлемы методы и средства, используемые для создания программ визуализации данных научных исследований, так как зачастую подобные программы работают только в одной операционной системе или/и не позволяют отображать двумерную и трехмерную графику одновременно в реальном времени.

Таким образом, задача исследования — разработка системы, обеспечивающей возможность использования трехмерного моделирования, как для отображения фотореалистичных образов реальных объектов, так и для отображения деловой графики и данных научных исследований (т.е. графиков, диаграмм и схем).

Для отображения фотореалистичных образов реальных объектов система ЗБ-моделирования должна обеспечивать следующие основные возможности.

1. Разработка ЗБ (трехмерных) графических объектов.

2. Редактирование ЗБ графических объектов.

3. Частичная автоматизация трехмерного моделирования.

4. Отображаемые трехмерные графические объекты должны быть фотореалистичными и легко узнаваемыми, так как они соответствуют реально существующим объектам.

5. Для повышения эффективности процесса обучения необходимо выделение особо значимых функциональных деталей объектов.

6. Система отображения трехмерных графических объектов должна допускать интерактивное взаимодействие с обучаемым, а также с комплексом технических средств и математической моделью, описывающей процессы реальной системы.

7. Для обеспечения работы тренажера в режиме реального времени, необходимо максимально оптимизировать процесс отображения совокупности трехмерных графических объектов в зависимости от характеристик аппаратного и программного обеспечения, необходимого для отображения этой совокупности.

Для отображения деловой графики и данных научных исследований система ЗО-моделирования должна обеспечивать следующие основные возможности:

1. отображение различных данных в виде 2D и 3D графика;

2. простоту подготовки данных для отображения;

3. настройку окна графиков;

4. печать графиков.

Общее требование для системы ЗО-моделирования следующее: легкая адаптация (переносимость) системы в различных операционных системах и их версиях (Windows, UNIX).

Эти требования были сформулированы таким образом, чтобы разработанная система могла быть использована для любых тренажеров, имитирующих трудно доступные процессы, происходящие внутри различных производственных установок.

В этой работе все вышеупомянутые вопросы исследованы в процессе разработки системы ЗО-моделирования для тренажера, имитирующего процесс загрузки/выгрузки ядерного топлива для реактора типа РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный) атомной электростанции с использованием специальной Разгрузочно-Загрузочной Машины (РЗМ). Тренажер был создан совместными усилиями разработчиков Ленинградской Атомной Станции (ЛАЭС), российского научного центра «Курчатовский институт» (РНЦ КИ) и.

Норвежского Института Энергетических Технологий (1РЕ) в 2000 году [100]. Тренажер подключен к полномасштабному тренажеру 3-го блока ЛАЭС, что позволяет проводить комплексную тренировку смены блока и максимально адекватно осуществлять в реальном времени технологическую последовательность операций с имитацией всевозможных физических взаимодействий между активной зоной реактора, технологическим каналом, топливным модулем, перегрузочным комплексом РЗМ и теплоносителем. Тренажер предоставляет возможность в полном объеме выполнять технологические операции и наблюдать за процессом перегрузки топлива на каждом этапе: от общего вида верхнего реакторного зала и маневрирования РЗМ до выгрузки отработавших топливных кассет в бассейн-хранилище временного хранения. В обучающие тренажерные программы включены некоторые неисправности, приводящие к авариям, среди которых: утечка из негерметичной топливной кассеты, повреждения труб, повреждение механизмов внутри скафандра. Тренажер был дополнен виртуальными моделями РЗМ и центрального зала, где находится РЗМ. Однако разработанные ЗБ-модели для тренажера РЗМ представляли собой общую не детализированную поверхность корпуса РЗМ и, следовательно, не давали полного представления о конструкции машины и процессах, происходящих при перегрузке топлива. Для решения этой проблемы потребовалось разработать новую ЗБ-модель РЗМ, которая была бы максимально детализирована, фотореалистична. Графическая информация, которую предоставляют ЗБ-модели РЗМ, должна быстро и легко усваиваться обучаемыми.

Результатом исследования стала разработка оригинальной системы ЗБ-моделирования и реализация ее для тренажера РЗМ. Наглядным пособием для обучаемого до этого времени служили схемы, фотографии и видеофильмы с изображением отдельных частей РЗМ. Однако они не давали исчерпывающего представления о конструкции машины, а наблюдать процесс ее работы было просто невозможно, так как вся ее конструкция скрыта под корпусом, который служит для защиты от радиации. Теперь система ЗЭ-моделирования позволяет реализовать такой уровень визуализации разнообразных процессов, который не может быть достигнут ни на каких других тренажерных средствах, а также на действующем оборудовании. Система помогла достаточно быстро и эффективно разработать модели оборудования РЗМ в мельчайших геометрических деталях и обеспечить интерактивность отображения их состояний, обусловленных текущей совокупностью моделируемых параметров и показателей функционирования.

Разработанная система ЗЭ моделирования состоит из двух основных частей: моделирование фотореалистичных образов реальных объектов и моделирование деловой графики и данных научных исследований. Все методы, используемые в системе, были реализованы при создании ЗБ-графических моделей для тренажера РЗМ. Были разработаны две программы, одна из которых оптимизировала процесс создания объектов со сложной геометрией, а вторая позволяет отображать данные в виде Ю и ЗО графиков.

Подобные системы ЗБ-моделирования могут применяться и в других тренажерах в случаях, когда обучение персонала на реальных объектах затруднено или невозможно. Это могут быть тренажеры, используемые в химическом производстве, в газоперерабатывающих станциях и т. д. Тренажеры с подобной системой позволяют визуально изучать процессы, происходящие внутри производственных установок и тем самым сократить вероятность возникновения ошибок персонала.

Краткое содержание глав.

В первой главе рассмотрены следующие понятия: тренажер, компьютерный тренажер и виртуальная реальность. Особое внимание уделено тренажерам для подготовки оперативного персонала электрических станций, так как энергетика может быть источником аварий с серьезными последствиями. К числу зависимых свойств энергетического производства, обеспечивающих безопасность, можно отнести методы организации подготовки и тренировки персонала, так или иначе участвующего в производстве и распределении электрической энергии. Был исследован вопрос об актуальности использования компьютерной графики, и в частном случае виртуальной реальности, в тренажеростроении и обучении. Также в первой главе рассмотрены существующие на данный момент методы и инструментальные средства разработки виртуальных сред. В главе приведен перечень фирм и организаций, работающих в сфере тренажеростроения и виртуальной реальности.

Вторая глава посвящена разработке системы ЗО-моделирования для создания фотореалистичных образов реальных объектов. Глава содержит описание методов разработки графических моделей, придания ЗО-объекту фотореалистичного вида, улучшения представления графической информации, оптимизации процесса разработки 3 D-графических моделей. Рассмотрено три метода для оптимизации ЗБ-моделей по времени, позволяющие адаптировать систему ЗО-моделирования к ресурсам потенциальных пользователей системы. В главе приведено описание разработанной программы VR-model для автогенерации файлов в формате VRML 2.0, содержащих геометрию поверхностей конических колес двух видов, резьбы винта и гайки. Программа позволила оптимизировать процесс разработки некоторых моделей со сложной геометрией. Все методы были разработаны и применены в процессе разработки графических моделей для тренажера РЗМ. Кратко рассмотрен вопрос об использовании ЗО-объектов в виртуальных руководствах. Была описана структура разработанного электронного интерактивного технического описания РЗМ с встроенными в него интерактивными трехмерными изображениями, которое в настоящее время используется на ЛАЭС в качестве справочного материала.

Третья глава содержит описание разработанной программы визуализации деловой графики и данных научных исследований, позволяющей отображать данные в виде 2D и 3D графиков. Программа удобна для просмотра и анализа большого объема числовых данных. В главе также содержится описание классов функций, разработанных для этой программы.

Заключение

.

Проведенное исследование показало необходимость разработки тренажеров с использованием интерактивной ЗБ-графики для сокращения ошибок во время технологического процесса по вине обслуживающего персонала. Последствия ошибок в некоторых областях деятельности человека, в том числе и энергетики, могут быть катастрофичными. Они могут приводить к крупнейшим экологическим катастрофам. Поэтому необходимо проводить тренаж операторов технологических процессов. Было показано, что 3D-компьютерная графика и, в частности, виртуальная реальность играют особо важную роль в тренажеростроении и в других сферах деятельности человека. Использование ЗБ-графики в тренажерах позволяет значительно улучшить и процесс обучения и оперативную эффективность, так как информация, представленная в графической форме, лучше усваивается обучаемым.

Были исследованы существующие в настоящее время инструментальные средства разработки виртуальных сред: язык моделирования виртуальной реальности VRML, графическая библиотека Open GL, пакеты 3D-моделирования и т. д.

Согласно сформулированным целям и задачам была разработана оригинальная система 3D моделирования, состоящая из двух основных частей:

1. моделирование фотореалистичных образов реальных объектов;

2. моделирование деловой графики и данных научных исследований. Схема разработанной системы ЗБ-моделирования представлена на рисунке.

Моделирующий комплекс (динамическая математическая модель, компьютерный тренажер).

Моделирование процесса.

Задание состояний 31>объектов.

События, генерируемые пользователем системы.

Броузер

Средство отображения трехмерных объектов.

Создание ЗЭобъекта в графическом редакторе.

Export Л.

Описание 31>объектов (VRML-файл).

Отображение фотореалистичных образов реальных объектов.

Файлы данных.

Базы данных (MS Access).

Данные.

Окно просмотра графиков.

Средство отображения деловой графики.

Отображение деловой графики и данных научных исследований.

Рис. 15. Схема системы ЗБ-моделирования.

Система ЗЭ-моделирования, рассматриваемая в работе, была разработана для компьютерного тренажера, имитирующего процесс загрузки/выгрузки ядерного топлива для реактора типа РБМК атомной электростанции. Однако, она может применяться и в других тренажерах в случаях, когда обучение персонала на реальных объектах затруднено или невозможно. Тренажеры с подобной системой позволяют визуально изучать процессы, происходящие внутри производственных установок и тем самым сократить вероятность возникновения ошибок персонала.

Для системы ЗБ-моделирования реализованы трехмерные графические модели следующих сборочных единиц разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ):

• подвижная биологическая защита;

• вспомогательный пульт управления мостом и тележкой;

• захват;

• верхняя часть скафандра;

• средняя часть скафандра;

• стыковочный патрубок;

• редуктор раздаточный;

• оптико-телевизионная система наведения.

Реализованы следующие ЗБ анимированные интерактивные кинематические схемы:

• кинематическая схема нижней части скафандра (см. рис. 2, рис. 3 в приложении 1);

• кинематическая схема механического перемещения захвата;

• кинематическая схема управления открытием и закрытием захвата;

• кинематическая схема ручного перемещения захвата (см. рис. 1 в приложении 1);

• кинематическая схема механизма поворота магазина (см. рис. 5 в приложении 1);

• кинематическая схема поворота оптико-телевизионной системы наведения (см. рис. 6 в приложении 1);

• кинематическая схема перемещения биологической защиты (см. рис. 4 в приложении 1).

Эти ЗБ-графические модели были созданы при помощи графического редактора Зек шах 4 и являются точно смоделированными и фотореалистичными. Особо значимые функциональные элементы РЗМ были выделены цветом. ЗБ-модели биологической защиты, корпусов магазина, стыковочного патрубка и верхней части скафандра могут отображаться с сечением. Чтобы была видна зубчатая передача, корпус раздаточного редуктора был изображен с полупрозрачным материалом. Для улучшения представления графической информации детали приводов были отодвинуты друг от друга методом удлинения валов вращения. Валы вращения были изображены в виде правильной многоугольной призмы, чтобы хорошо было видно, в какую стороны они вращаются. Чтобы процесс визуализации был оптимальным по времени, была упрощена графика и снижен уровень детализации трехмерных графических объектов.

ЗБ-модели поверхностей конических зубчатых колес, резьбы винтов и гаек с разрезом были автоматически сгенерированы разработанной программой УЯ-тоёе1 (см. приложение 3) для отображения в составе следующих составных частей РЗМ:

• привода управления захватом (см. рис. 1 в приложении 1);

• привода перемещения захвата (см. рис. 1 в приложении 1);

• привода поворота магазина (см. рис. 5 в приложении 1);

• привода поворота ключа герметизации (см. рис. 3 в приложении 1);

• привода перемещения биологической защиты (см. рис. 4 в приложении 1);

• привода подъема стыковочного патрубка (см. рис. 2 в приложении 1);

• привода поворота оптико-телевизионной системы наведения (см. рис. 6 в приложении 1);

• винтовой запорной пробки.

Было разработано виртуальное руководство «Интерактивное Электронное Техническое Описание РЗМ-488» (РЗМ-488 ИЭТО), в котором были использованы интерактивные трехмерные графические модели, разработанные для тренажера РЗМ.

В состав статических ЗО-моделей, используемых в РЗМ-488 ЭИТО, вошли следующие изображения: технологический комплекс РБМ-К 1000, средняя часть скафандра, задвижка параллельная двухдисковая, вспомогательный пульт управления мостом и тележкой, корпус звездочек, захват, стыковочный патрубок, шариковая пробка с обоймой, редуктор раздаточный.

В состав анимированных ЗБ-моделей, используемых в РЗМ-488 ЭИТО, вошли следующие изображения: топливный модуль с шариковой запорной пробкой, средняя часть скафандра, стыковочный патрубок, нижняя часть скафандра, кинематическая схема нижней части скафандра, корпус звездочек, захват, кинематическая схема механического перемещения захвата, кинематическая схема управления открытием и закрытием захвата, кинематическая схема ручного перемещения захвата, кинематическая схема механизма поворота магазина, кинематическая схема поворота оптико-телевизионной системы наведения, кинематическая схема перемещения биологической защиты, шариковая пробка с обоймой, винтовая пробка с обоймой, редуктор раздаточный.

В состав 3D элементов РЗМ с разборкой, используемых в РЗМ-488 ЭИТО, вошли следующие изображения: стыковочный патрубок с разборкой (условно), шариковая пробка с разборкой (условно).

В РЗМ-488 ЭИТО были добавлены и видеофрагменты в формате AVI, которые были созданы в пакете 3ds max 4 из анимированных кинематических схем, разработанных для тренажера РЗМ. В настоящее время РЗМ-488 ИЭТО используется на ЛАЭС в качестве дополнительного справочного материала.

Разработанные графические ЗБ-модели для тренажера РЗМ и виртуальное руководство РЗМ-488 ИЭТО являются прекрасным наглядным пособием при изучении конструкции данной установки, а также используются при переподготовке и обучении персонала работе на РЗМ, что, в свою очередь, сократит вероятность возникновения аварийных ситуаций по вине обслуживающего персонала.

Была разработана Программа Визуализации Данных для отображения данных научных исследований (см. приложение 4), которая в частном случае была использована в системе для просмотра и уточнения данных, задающих изменение внешних параметров трехмерных, фотореалистичных графических объектов. Программа визуализации данных позволяет имитировать график, вычерчиваемый самописцем в реальном времени. Программа позволяет отображать данные в виде поверхностей-сетей, т. е. ЗБ-графика. Эти данные считываются из текстового файла и необходимо разработать функции в классе TrendDataSourceSQL для считывания данных графика из базы данных MS Access. Программа полностью отлажена для отображения 2Б-графиков в операционной системе MS Windows. Для отображения ЗБ-графиков для программы необходимо разработать ряд дополнительных функций для обеспечения настройки окна графиков и печати графика. Свойства графической библиотеки OpenGL, используемой в Программе Визуализации Данных, позволяют легко адаптировать программу для ее использования в других операционных системах, например, в Unix.

Вся разработанная система ЗЭ-моделирования для компьютерного тренажера РЗМ получила высокую оценку руководства центра обучения и специалистов в области ядерной энергетики.