Реализация средств виртуальной реальности в этапах жизненного цикла объектов судостроения

А.С. Рябоконь
Ведущий инженер по АСУП,
ФГУП «Адмиралтейские верфи»
Санкт - Петербург

Введение

Машиностроение во всем мире претерпевает глубокие изменения, связанные с совершенствованием процессов управления проектированием, изготовлением, эксплуатацией и обновлением сложной наукоемкой продукции. Модернизация сферы морской индустрии связана с необходимостью повышения качества высокотехнологичной и наукоемкой продукции машиностроения, ускорения темпов его обновления, снижения стоимости производства и владения техникой. Подобные задачи наукоемких и высокотехнологичных производств не могут быть решены без развития соответствующей научно-образовательной среды.

Следует отметить, что понимание термина «виртуальная реальность» не является однозначным, и представление о виртуальной реальности претерпело ряд изменений за последнее время. Это связано с бурным развитием компьютерной техники и технологий за последние несколько лет. Мы рассматриваем виртуальную реальность, прежде всего с точки зрения возможности для человека внедриться в смоделированный компьютером абстрактный мир визуальных объектов, взаимодействовать с ними и влиять на ход протекающих в них процессов как на сущности реального мира.

рис. 1 Фрагмент интерактивной модели отсека корабля.

1. Компьютерные технологии и этапы жизненного цикла изделия.

Объект судостроения, как сложный технический объект рассматривается с позиций поддержки его полного жизненного цикла и соблюдения стандартов CALS-технологий применительно к технической документации поставляемой с кораблем, а также информационной поддержки процессов технического обслуживания, материально-технического обеспечения в течение жизненного цикла корабля.

Система комплексного представления знаний об объекте судостроения средствами виртуальной реальности, или как мы ее называем: «Виртуальный корабль» позволяет наглядно представить корабль не только «от киля до клотика», но и на всех уровнях его функционирования и на всех этапах его использования.

Для решения практических задач на разных этапах жизненного цикла корабля, укрупнено это:

- проектирование;

- постройка;

- техническая эксплуатация;

- ремонт и модернизация;

- утилизация,

применяются различные средства.

Используемые средства компьютерных технологий для обеспечения процессов проектирования и постройки базируются на CAD/CAM/CAE системах, где в основе информационной модели изделия лежит его трехмерная CAD – модель. Данная информационная модель изделия объективно не способна по ряду причин удовлетворить все требования информационного сопровождения всех этапов Ж.Ц. корабля. Она не всегда является полной, содержит большой объем текстовых табличных данных, а используемые для ее создание CAD/CAM/PDM системы либо не имеют собственных механизмов внедрения интерактивности объектов и информации, либо использование этих средств затруднено.

CAD-модели, созданные в обеспечение проектных и построечных работ, либо содержат информацию, избыточную для задач технического обслуживания и обучения, либо не содержат достаточной информации для этих целей.

Информационное сопровождение таких этапов жизненного цикла объекта судостроения, как: техническая эксплуатация, боевое применение, ремонт, модернизация, утилизация, а также всех случаев взаимодействия с техникой в аварийных и нештатных ситуациях сводится к созданию полного комплекса интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР) - интерактивной электронной документации, которая комбинирует трёхмерные модели с текстовой, графической и мультимедийной информацией.

2. Обзор типов ИЭТР и возможностей их применения.

В настоящем докладе рассматриваются средства виртуальной реальности, обеспечивающие решение задач создания интерактивных электронных технических руководств. Нами проведен анализ этих средств и выработаны рекомендации по их применению.

Статический Web сайт.

Преимущества ИЭТР такого типа заключается в удобстве доступа средствами электронных сетей. Структура обеспечивает быстрый доступ к интересующей пользователя части информации.

Однако, статический Web сайт не имеет собственных средств интерактивности.

рис. 2 Страница корпоративного интранет портала ФГУП «Адмиралтейские верфи»

Рекомендуется как база для ИЭТР других типов и во всех случаях, когда необходима структуризация большого объема информации.

Учебный фильм.

Являясь сравнительно дешевым в реализации, не дает возможности изучения объекта с различных точек зрения. Недостаточно иллюстративно демонстрирует несколько процессов, протекающих параллельно в реальном времени. Но при этом является наилучшим средством демонстрации строго определенной последовательности действий по принципу: «Делай – раз, делай – два!», без возможных альтернатив.

Компьютерная игра.

Дает возможность отработки нелинейного сценария, обеспечивает эффект присутствия в среде и вид от первого лица. Характеризуется неоправданно высокой трудоемкостью и стоимостью разработки. Требует при использовании применения мощной аппаратной базы. Обычно используется в случаях, когда необходима демонстрация управления процессами оператором (имитация пульта).

Средства анимации и визуализации в составе тяжелых CAD/CAM/CAE/PDM систем.

Дают возможность изучения объекта с различных точек зрения в процессе отработки сценария, возможность моделирования реальной антропометрии человека и поведения человека внутри технической системы. Кроме того, моделируется одновременная совместная работа группы людей.

рис. 3 Отображение фрагмента CAD – модели изделия в системе САПР.

Данные средства требуют наличия 3D модели, созданной именно в данной CAD/CAM/CAE/PDM системе.

В случае отсутствия у пользователя ИЭТР данной CAD/CAM/CAE/PDM системы, он может использовать только записанный видеоряд.

Технологии VRML – компьютерных моделей.

Используемые на ФГУП «Адмиралтейские верфи» технологии и инструменты компании ParallelGraphics являются на наш взгляд наиболее эффективным средством создания ИЭТР, т.к. позволяет: изучать объект с различных точек зрения в процессе отработки сценария, дает возможность включения ИЭТР в качестве фрагмента в HTML документ, может использоваться для создания видеоряда на базе данного типа руководства, не требует мощной аппаратной базы и сложного ПО от компьютера пользователя.

Однако, данные средства подразумевают наличие 3D CAD модели, степень детализации (и трудоемкость создания) которой определяется назначением и объемом руководства. При этом основной проблемой создания ИЭТР является упрощение и оптимизация модели. Под упрощением в данном случае понимается исключение из рассмотрения компонентов модели, которые являются лишними с точки зрения сценария ИЭТР, а под оптимизацией – упрощение геометрии модели с целью уменьшения объема рабочего файла ИЭТР.

Используемые для создания ИЭТР такого типа алгоритмы позволяют с заданной степенью детализации упростить и оптимизировать существующие CAD-модели, и представить облегченные трехмерные модели для операций в режиме реального времени. При этом, потребители (эксплуатанты) получают возможность работать с такими объектами без установки специализированного программного обеспечения. Другим достоинством предлагаемой технологии является доступность разработанных моделей корабельной техники для удаленных потребителей в любой точке мира, по обычным телекоммуникационным каналам связи.

ИЭТР такого типа успешно применяются для:

- моделирования процессов сборки/разборки изделий, замены их элементов;

- моделирования процессов штатного обслуживания изделий;

- моделирования сборки изделия при его изготовлении;

3. Примеры применения средств виртуальной реальности в интерактивных учебных материалах.

Представляемые нами примеры ИЭТР и интерактивных учебных материалов выполнены средствами технологий ParallelGraphics и с использованием другого подобного инструментария. Это: фрагмент учебного пособия по изучению устройства отсека корабля, ИЭТР по штатному обслуживанию конкретного устройства (аппарат ДУК – С), интерактивный макет помещения, фрагмент каталога ЗИП по изделиям судового машиностроения.

рис. 4 Фрагмент интерактивного учебного пособия по изучению общего устройства корабля.

рис. 5 Фрагмент ИЭТР по штатному обслуживанию устройства ДУК-С.

При разработке данных ИЭТР использованы твердотельные CAD - модели, выполненные в САПР КОМПАС-График.

Следует подчеркнуть наличие принципиального различия в подходах к 3D моделированию с точки зрения степени детализации. В случае рассмотрения процессов обслуживания конкретного оборудования степень детализации модели определяется назначением объемом руководства, а при макетировании помещений главным критерием выбора степени детализации модели является «узнаваемость» объектов.

рис. 6 Фрагмент интерактивной модели музея ФГУП «Адмиралтейские верфи».

При разработке интерактивной компьютерной модели музея ФГУП «Адмиралтейские верфи» использовались традиционные для компьютерного 3D дизайна средства, такие как: 3D Studio Max, технологии визуализации Cult 3D, и др. Проблема оптимизации модели в данном случае решалась путем замены сложной геометрии объектов с большим количеством полигонов фото текстурами.

Имитационные компьютерные системы позволяют моделировать действия человека в нормальных и экстремальных ситуациях, в том числе и таких, воспроизведение которых в реальных условиях недопустимо по соображениям безопасности или стоимости.

Технологии ИЭТР на основе виртуальной реальности могут эффективно применяться как для создания учебных пособий, так и для разработки эффективных средств решения практических задач по сопровождению этапов жизненного цикла объектов судостроения.