Современные технологии визуального
моделирования в сложных имитационных моделях[1]
К.М. Хримпач,
ст. инж., Lab45_1@ipu.ru,
И.М. Кусков,
ст. инж., Lab45_1@ipu.ru,
А.М. Кусков,
техник, Lab45_1@ipu.ru,
С.К.
Данилова,
к.т.н.,
ИПУ РАН, г. Москва
Рассматривается
проблема разработки визуального и графического представления технических
средств управления и средств мониторинга параметров движения модели
многоцелевого, многорежимного морского подвижного объекта (МПО) в различных
задачах маневрирования. Приводятся наиболее рациональные с точки зрения
восприятия оператором МПО способы визуализации систем управления движением и
систем мониторинга параметров движения. Приводятся используемые при этом
современные программные средства разработки графического интерфейса.
Considers the problem of visual and graphic presentation development for
technical control and monitoring of moving parameters facilities of the multypurpose models, multymode sea moving object in different maneuvering tasks. There are
shown the most rational from the point of view of sea moving object operator’s
perception ways of the control systems and the moving parameter’s monitoring
systems visualization. Proposed the modern software of
graphics user’s interface development for developing system.
Управление классом морских многоцелевых, многорежимных
подводных объектов (МПО) является сложным из-за:
·
нелинейности математической модели движения МПО высокой
размерности;
·
многомерного управления и сложности процессов в технических
средствах управления (ТСУ) при их функционировании;
·
многоуровневой организации многофункциональной комплексной
системы управления техническими средствами (КСУ ТС) в различных режимах
управления;
·
воздействия возмущений на МПО со стороны неоднородной среды
и в аварийных ситуациях [1].
Соответственно, в основу какой-либо задачи ставится
разработка программных комплексов полномасштабного имитационного моделирования
движения объекта, работы технических средств управления и воздействия
возмущений. Поэтому, разработка визуального и графического представления
динамики управляемого объекта в различных режимах движения является актуальной.
Ограничим круг рассматриваемых проблем по визуализации. В
данном докладе рассматривается проблема графического и визуального
представления информации, как для проектировщика, так и для информационной
поддержки оператора управления на посту в самом объекте. В докладе информация
разделяется на плоскостную – как набор параметров
выводимых в цифровом представлении или в форме динамических фазовых портретов
движения в реальном времени – и пространственную. Таким образом, подсистему
графического отображения движения объекта необходимо строить с учетом
визуального движения объекта в плоскости и пространстве для различных задач
управления, различных режимов и различных целей.
Вначале опишем важные для последующих выводов особенности
человеческого восприятия информации.
Известно, что из всей воздействующей на человека информации,
на слух воспринимается не более 10%, зрительно около 30%, а если человек
вовлечён в процесс восприятия информации – около 60%. В любом случае, основной
объём информации воспринимается именно органами зрения. Наши глаза находятся в
постоянном движении, это является необходимым условием построения образа
объекта.
В зависимости от конкретной области зрительная информация
строится с учётом критериев, направленных на повышение эффективности
воздействия.
Зрение обладает очень важным свойством – выделение объекта
на фоне их множества. Причём это может быть совершенно незнакомый объект в
незнакомом окружении. Такое поведение обусловлено выделением контура, фигуры, и
фона. Фигура имеет характер вещи. Это выступающая вперед и относительно
устойчивая часть видимого мира. Фон имеет характер неоформленного окружения,
отступает назад и кажется непрерывно продолжающимся за фигурой. Фигура, в
отличие от фона, представляет собой стабильное и константное образование. В
некоторых случаях для восприятия необходимо выделение контура объекта. При этом
контур играет важную роль при запоминании образа объекта [2].
Таким образом, мы описали проблему человеческого восприятия
визуальной информации и образов. Теперь перейдем к проблемной области, в
которой применяются средства визуализации.
Морские подвижные объекты (МПО) обладают чрезвычайной
степенью сложности, как по составу технических средств, так и по их
управляемости в целом. Управление МПО осуществляется при помощи специальных
постов управления и мониторинга за движением МПО. На управляемость МПО влияет
множество различных факторов, игнорирование которых может легко привести к
потере судна и его экипажа. Поэтому, в процессе маневрирования необходимо
постоянно осуществлять отслеживание динамики изменения параметров движения, на
основе которых определяется то или иное управляющее воздействие.
Посты управления и мониторинга за состоянием МПО можно
разделить на 2 типа: посты мониторинга за внутренним состоянием объекта
(цистерн, рулей, отсеков) и панели мониторинга движения объекта в водной среде,
включающие в себя панели мониторинга за параметрами движения объекта,
мониторинга донного и ледового рельефа водной среды, а также пространственного
положения МПО.
Рассмотрим характерные особенности данных систем мониторинга
с точки зрения их наибольшей информативности для восприятия операторами постов
управления.
1. Мониторинг состояния цистерн и отсеков
Цистерны и отсеки в МПО представляют собой резервуары с
водой, за счет заполнения/продувания которых
осуществляется регулировка плавучести МПО. В их составе присутствует некоторый
набор арматуры, с помощью которых происходит управление балластом. Точный
внешний вид арматуры не имеет информативной ценности для оператора управления,
так что при визуальном отображении их можно обозначить схематичными блоками с
некоторой информацией об их состоянии. Больший интерес для оператора поста
управления имеет визуальная информация о наполненности цистерн и отсеков,
необходимая для того, чтобы оператор имел наиболее полное представление о
доступных ему ресурсах.
2. Мониторинг состояния системы рулевого управления
Рулевое управление вносит довольно большой вклад в случае
движения МПО в горизонтальной плоскости и в пространстве. Рули расположены на боковых
корпусах МПО (носовые и кормовые рули), а также в хвостовой части. По
визуальному отклонению рулей МПО от горизонтальной плоскости можно в любой
момент времени достаточно легко определить направление маневра, совершаемого
МПО. За изменение дифферента при движении МПО, как правило, отвечают носовые и
кормовые рули. За изменение курса ответственны хвостовые рули, отклоняющиеся в
горизонтальной плоскости. При крутых маневрах, часто используются как боковые,
так и хвостовые рули. С точки зрения информативности визуализации их положения,
графически отображать положение рулей имеет смысл на фоне направлений
составляющих линейных и угловых скоростей МПО, давая, тем самым, оператору
возможность предсказать дальнейшее поведения объекта. Для лучшего графического представления работы
рулей в МПО целесообразно отображать три проекции МПО: на горизонтальную
плоскость, дающую возможность наблюдать за изменением курса МПО и поворотом
хвостовых рулей; на боковую вертикальную плоскость, позволяющую осуществлять
мониторинг изменения угла дифферента МПО, глубины погружения, пройденного пути,
а также положения боковых рулей; на фронтальную вертикальную плоскость,
позволяющую осуществить мониторинг параметров крена и курса, а также отображать
положение боковых рулей друг относительно друга.
3. Мониторинг параметров движения МПО
Помимо прочего, оператору мониторинга МПО необходимо
постоянно осуществлять слежение за изменением параметров движения МПО, таких, как
компоненты скорости, углы, координаты, угловые скорости и пр. Можно выделить 2
вида мониторинга за данными параметрами: мониторинг текущих значений, когда на
приборную панель выводятся значения параметров движения в данный момент
времени, и графический мониторинг, позволяющий отслеживать динамику изменения
параметров движения во времени. По набору значений параметров в данный момент
времени только очень опытный моряк может предсказать возможность дальнейшего
развития ситуации. Поэтому, при разработках систем мониторинга динамики
изменения параметров движения целесообразно использовать их графическое
представление, которое может дать возможность на их основе предсказать
дальнейшее возможное поведение МПО.
Графическое представление параметров движения сможет
оказаться еще более информативным, если к временны́м графикам
действительных параметров движения добавить графики прогноза заданных значений
через некоторый момент времени. Данное введение позволит оператору с некоторой
степенью точности получить будущие значения параметров, а также даст
возможность более оперативно отслеживать возможные внештатные ситуации и
вовремя приступать к их устранению.
Для восприятия общей картины движения МПО человеком,
недостаточно информации, поступающей с приборов и графиков. Также ситуация
осложняется тем, что при управлении другими подвижными объектами (самолеты,
вертолеты, машины), в средства взаимодействия с внешним миром входят окна и
иллюминаторы, предоставляющие оператору непосредственную информацию о
пространственном положении управляемого объекта и параметрах внешней среды.
Большую часть времени движения МПО он находится в состоянии, в котором
непосредственного контакта с внешней средой нет.
Обучение управлению “с нуля” в условиях отсутствия контакта
с внешней средой, является сложной задачей для личного состава МПО. Также важно
учитывать, что комплекс разрабатывается для проведения сложных симуляций и
отработки алгоритмов. Учитывая все вышеперечисленное, считается целесообразным
включить в средства представления визуальной информации полную трехмерную
модель моделируемой ситуации.
Итак, мы охватили пространственные и плоскостные задачи и
описали средства, необходимые для визуализации. Теперь приведем ряд правил, на
основе которых строятся визуальные модули:
1) Экраны управления:
·
Верхняя панель состоит из вкладок: “файл”, “параметры”,
“запуск” и пр. из соображений стандартизации, для удобства визуального
восприятия;
·
Общий экран предоставляет основные параметры каждого из
режимов для быстрой и наглядной демонстрации возможностей системы;
·
Конфигурация кнопок и управляющих элементов на экране не
должна полностью повторять, но должна быть близка к реальной конфигурации
управляющих элементов на борту;
·
Отображение средств управления должно обеспечивать оператора
максимальной степенью информативности о происходящих процессах, как с самими
ТСУ, так и с МПО в целом.
2) Экраны
3D-среды:
·
Просмотр 3D-среды должен вестись посредством ряда
моделируемых в среде камер, закрепляемых на различных частях моделируемой
модели МПО, или свободно перемещаемых по всей моделируемой среде;
·
В центре экрана располагаются основные показатели курса:
глубина, тангаж, крен, курс, дифферент в проекциях
МПО на фронтальную и боковую вертикальные плоскости.
·
Показатели отображаются прозрачными,
чтобы позволять осматривать визуальную 3D-среду;
·
Должна быть доступна по нажатию горячей клавиши
схематическая карта местности. Целесообразно располагать её в углу экрана
(верхнем или нижнем), она не должна занимать больше ⅙ рабочей области экрана;
·
Должна быть доступна по нажатию горячей клавиши
схематическая карта МПО с разделением на отсеки и технические средства
управления. Целесообразно располагать её в углу экрана (верхнем или нижнем),
она не должна занимать больше ⅙ рабочей области экрана;
·
Учитывая, что система является средой разработки и
тестирования, необходима командная панель, на которой в текстовом режиме
выводится системная информация и любая по желанию пользователя информация о
3D-среде;
Таким
образом, общий вид 3D-интерфейса выглядит следующим
образом:
рис. 1 Шаблон экрана управления
3) Экраны
мониторинга:
·
Экраны мониторинга должны содержать в себе мониторинг
текущих значений параметров движения МПО;
·
Экраны мониторинга должны отображать графическую динамику
изменения параметров движения МПО во времени, а также график их прогнозирования
на некоторый задаваемый временной промежуток;
·
Оператор должен иметь возможность в любой момент выбора
необходимых параметров мониторинга, а также опции их размещения на координатных
плоскостях (на одной, или нескольких);
·
Экраны мониторинга должны отображать также состояния
технических средств, рулевого и балластного управления. Выбор необходимых для отображения ТСУ также должен осуществляться
оператором посредством графического интерфейса.
Описав общие требования к визуальному представлению,
перейдем к построению архитектуры этой системы и описанию её проектных решений.
В первую очередь, система является многорежимной [3], что
накладывает основное требование к системе – максимальная гибкость в работе с
различными объектами исследования. Это означает, что различные модули,
применяемые для одних объектов исследования, должны гибко сочетаться с другими.
Один из способов добиться таких требований – модульное построение системы,
которое позволит набирать конфигурацию системы из модулей, как из кубиков.
Помимо этого, модульная архитектура позволяет разнести посты управления и
мониторинга в модели на различные рабочие станции. Таким образом, появляется возможность
реализации децентрализованной архитектуры имитационной модели, ядро которой
(математическая модель) будет рассчитываться на мощном сервере, а посты
управления и мониторинга с логикой их работы будут реализованы на отдельных
рабочих станциях, взаимодействующих с сервером по протоколам сетевого обмена.
Система виртуальной реальности состоит из базы данных
виртуальной реальности, библиотеки различных графических моделей, а также базы
вспомогательных файлов [4]. Опишем модули, отвечающие за реализацию функций
визуального представления и мониторинга. За создание 3D среды и ряда эффектов
отвечают базы геометрических примитивов и технология Unity3D. За создание
оконных форм и интеграции в них вышеописанных элементов отвечает технология
QWT. Для 3D среды создаются карта ландшафта и подвижные объекты, которые
собираются из базы примитивов и базы ландшафтов, на которые впоследствии
накладываются цвета и текстуры из базы текстур. Далее изображение должно быть
помещено в интерфейсное окно. Элементы интерфейса, такие как панель окна,
кнопки, закладки создаются на основе шаблонов QWT базы 2D примитивов и базы
текстур. Схема функциональных связей модулей и баз приведена на рис. 2.
Таким образом, предполагается добиться максимальной гибкости
системы для различных задач.
рис. 2 Связи модулей и баз
Заключение
Представленные в статье средства визуального представления
информации призваны верифицировать – на уровне специалистов по управлению
движением – модели движения МПО, работу технических средств, воздействия
возмущений и проверить адекватность их физическим процессам с учётом
технической реализации ТСУ, КСУ ТС и модели возмущений, а также определить
эффективность созданной КСУ ТС во всех режимах функционирования.
Литература
1. Борисов
В.Г., Данилова С.К., Чинакал В.О. Применение средств
виртуальной реальности при создании комплексных тренажеров и систем управления.
Труды международной конференции ”Системы проектирования, технологической
подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного
продукта (CAD/CAM/PDM – 2009)”. ИПУ РАН, г. Москва,
2009.
2. Психология и физиология восприятия
информации. [Электронный ресурс] — http://psyhotronika.ru/psixo/.
3. Борисов
В.Г., Данилова С.К., Чинакал В.О. Разработка системы
отображения виртуальной реальности с использованием типовых объектов и
конфигурирования. // Труды ХХХII Всероссийской конференции “Управление движением морскими
судами и специальными аппаратами”. ИПУ РАН, г.Адлер,
2005.
4. Ромакин В. А.,
Балабанов А.В. Структура системы виртуальной реальности для интерактивных
учебных пособий. // Труды международной
конференции ”Системы проектирования, технологической подготовки производства и
управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM –
2008)”. ИПУ РАН, г. Москва, 2008.