Структура системы моделирования и эргономического анализа комплекса технических средств

оперативно-диспетчерского управления (ОДУ)

В.В. Зверков,

В.В. Петухов,

АтомЭнергоПроект, г. Москва,

Е.И.Артамонов,

д.т.н., проф., зав. лаб.,

В.А. Ромакин,

аспирант,

В.Ю.Тремба,

к.т.н.,

ИПУ РАН, г. Москва

Введение

Задача моделирования и эргономического анализа комплекса технических средств ОДУ сводится к построению объемной геометрической модели (3D-модели) сцены комплекса, определению зоны видимости оператором отдельных приборов, вычислению всех необходимых геометрических размеров между оператором и соответствующими приборами, а также к сравнению полученных результатов с требованиями ГОСТа.

Сложность задачи моделирования и эргономического анализа определяется большим количеством приборов и органов управления, с которыми взаимодействует оператор,  а  также значительным числом вычисляемых в реальном времени эргономических характеристик. Это определило выбор метода реализации в пользу программного обеспечения на языке С++ с использованием библиотек графических процедур OpenGL (Open Graphics Library).Использование стандартных CAD-систем для такой узкоспециализированной задачи не представляется возможным из-за их громоздкости и проблематичности в достижении реального времени.  

3D-модель сцены включает различные автоматизированные рабочие места операторов, панели управления, средства отображения информации и т.п., с требуемым уровнем подробности изображения отдельных элементов. 3D-модель пультов управления может быть разработана отдельно, например, в   системе 3D STUDIO MAX и введена в систему в .x формате. Этот формат используется для представления моделей в виде конечных элементов с описанием вершин объектов (координаты, нормали) и порядок формирования на их основе треугольников, кроме того, описываются материалы, используемые в моделях, и, если необходимо - идентификатор текстуры и координаты их наложения на соответствующие поверхности. 

Зона видимости и ее геометрические характеристики определяются как пересечение плоскостей 3D модели комплекса с конусом, вершина которого находится у глаз оператора, а вектор высоты коллинеарен вектору направления взгляда оператора.  

Структура программного обеспечения (ПО)

Структура программного обеспечения представлена на рис.1.

 


Рис.1

Она включает геометрический процессор (ГП), блоки визуализации (БВ), хранения динамических (БПДМ) и статических (БПСМ) моделей пультов, расчета эргономических характеристик (БРЭХ) и управления процессом моделирования (БУПМ).

 Геометрический процессор (ГП) в каждый дискретный момент времени преобразует состояние 3D модели комплекса технических средств ОДУ и 3D модели «зоны видимости», в фиксированные значения их проекций на картинную плоскость.  

 В блоке расчета эргономических характеристик (БРЭХ) вычисляется 3D модель «зоны видимости».  

В блоках памяти динамических (БПДМ) и статических моделей (БПСМ) располагаются 3D геометрические модели комплекса и необходимые текстуры. 3D модели разрабатываются на автономных CAD-системах и вводятся в БПДМ и БПСМ в стандартной форме.  

В БПСМ 3D геометрическая модель записана в виде последовательных текстовых записей, содержащих группы координат, описаний конечных элементов, нормалей поверхностей, а также группы ссылок на файлы текстур соответствующих поверхностей. 

На основе статической модели в ГП формируется динамическая модель с учетом  информации, поступающей от блока управления процессом моделирования (БУПМ).

БУПМ устанавливает определенные режимы работы программного обеспечения, подключая соответствующие блоки: задания положения оператора (БЗПО), задания положения наблюдателя (БЗПН), управления режимами визуализации (БУРВ).

Блок визуализации (БВ) отображает проекцию моделей на картинную плоскость с учетом установленных в блоках БЗПО, БЗПН и БУРВ режимов. Библиотека OpenGL содержит необходимые для этого процедуры отображения  графических объектов и их свойства. Формат данных о геометрической модели в OpenGL практически совпадает с используемым внешним форматом представления 3D модели, что значительно упрощает структуру блоков БПСМ и БВ.

Программа на  OpenGL представляет собой последовательную запись процедур, описывающих 3D-модель. Выполнение программы сводится к последовательному вызову процедур, инициализации свойств и отображению на экране дисплея соответствующих объектов.

 

Управление процессом моделирования и эргономического анализа.

 

В программном обеспечении имеются следующие режимы управления: просмотром геометрической модели сцены со стороны оператора или со стороны наблюдателя, определение и подсветка зоны видимости оператором отдельных приборов, вычисления всех необходимых геометрических размеров между оператором и соответствующими приборами, а также сравнению полученных результатов с предъявляемыми требованиями.

 

r1

Рис.2

Включение различных вариантов просмотра (переключение камеры наблюдения) производится  клавишами:

F6 - вид на пульты управления со стороны оператора (рис.2),

F5 - вид на пульты управления и оператора со стороны наблюдателя (рис.3). На рисунке оператор изображен в виде красного шара. Для перевода  оператора в положение сидя нажимается клавиша  «End”, в положение стоя – «Home”.

 

r8

Рис.3

 Перемещение камеры наблюдения производится нажатием клавиш: W- вперед, S- назад, A – влево, D – вправо. Поворот камеры наблюдения - нажатием на левую клавишу мыши и ее перемещением или нажатием клавиш:  Arrow Left  - влево, Arrow Right  - вправо, Pg Up – вверх, Pg Down - вниз.

Включение и выключение режима подсветки зоны видимости оператора производится нажатием клавиши «пробел» (см. рис.3,4).

 

Рис.4

В режиме вычисления эргономических характеристик выбираются соответствующие элементы (приборы, надписей на панелях, органы управления и т.п.) на предмет определения фактических эргономических характеристик их расположения по отношению к оператору.  Приборы и надписи выделяются мышью. Информация о выделенном элементе (размеры, расстояние до оператора, угол обзора) выводится в верхней части экрана (рис.5). Этот режим включается и выключается клавишей F2.  

 

Размеры

Рис. 5.

Литература

1.  Зверков В.В., Петухов В.В., Артамонов Е.И., Разумовский А.И., Ромакин В.А. Особенности использования средств виртуальной реальности при моделировании эргономических характеристик пультов безопасности АЭС. Материалы Ш-ей Международной конференции и выставки  CAD/CAM/PDM – 2003. Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН. Москва 2003 г. стр.3-13.