автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Метод синтеза структур, модели и инструментальные средства интерактивных систем объемного геометрического моделирования

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ им. В. А. ТРАПЕЗНИКОВА РАН

У На правах рукописи

б;

4841032

Балабанов Андрей Валерьевич

МЕТОД СИНТЕЗА СТРУКТУР, МОДЕЛИ И

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИНТЕРАКТИВНЫХ СИСТЕМ ОБЪЕМНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 [.¡АР 2011

Москва-2011

4841032

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН

Научный руководитель: Артамонов Евгений Иванович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Хачумов Вячеслав Михайлович

доктор технических наук, профессор

Ротков Сергей Игоревич

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Московский государственный

технологический университет «СТАНКИН»

Защита диссертации состоится 70.2011г. ъ/4 часов

на заседании Диссертационного совета Д002.226.02 Учреждения Российской академии наук Институте проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН по адресу: 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 65. Телефон Совета: (495) 334-93-29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПУ РАН.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук

Лебедев В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Понятие «интерактивная система» (ИС), применительно к компьютерной графике и системам автоматизированного (человеко-машинного) проектирования (САПР), появилось с начала 70-х годов. С совершенствованием устройств ввода отпала необходимость вводить операторы входного языка в текстовом виде вручную; достаточно стало указать на значки, их заменяющие, в перечне, представленном на экране дисплея. В программном обеспечении наметился переход в структурной организации интерактивных систем от пакетов графических программ к программным системам. Сформировалось понятие системной целостности программного обеспечения ИС, объединяющее процессорную часть, средства ввода-вывода информации и управления базами данных. Примерами таких систем являются: AutoCAD, SolidWorks, I-Deas и др.

С начала 90-х годов появился новый класс ИС - интегрированные системы, охватывающие несколько этапов жизненного цикла изделий, например, CAD/CAM, CAD/CAM/PDM и т.п. Появление интегрированных ИС напрямую было связано со стандартами по CALS-технологиям (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) - технологиям непрерывного компьютерного сопровождения изделия на всех этапах его жизненного цикла от маркетинга до утилизации. CALS-технология отличается от традиционной технологии следующими особенностями: на всех этапах жизненного цикла изделия создается электронная документация, используются единая обобщенная модель изделия и международные стандарты на форматы и структуры данных по обмену информацией об изделии. Кроме того, CALS-технология предусматривает параллельную и территориально распределенную работу над создаваемым изделием.

Согласно CALS-технологии, на стадии проектирования должны создаваться ЗБ-модели изделия, которые используются для поддержки изделия на последующих стадиях жизненного цикла. Таким образом, в CAD/CAM/PDM системах центральная роль отводится той части систем, которая связана с построением, анализом, преобразованием и использованием в сопутствующих расчетах ЗБ-моделей, а саму эту часть систем можно выделить в отдельный класс - интерактивные системы объемного геометрического моделирования (ИСОГМ). Этот класс систем нашел, кроме того, самостоятельное применение в виде специализированных систем таких, как интерактивные технические руководства, тренажеры, системы виртуального программирования роботов и т.п.

Сложность задач ЗО-моделирования в реальном времени предъявляет все более высокие требования к производительности и объемам памяти вычислительных систем. Под эти требования совершенствуются основные средства разработки ИСОГМ, такие как методы структурного проектирования систем и инструментальные средства для их создания.

Варианты структурной организации ИСОГМ рассматриваются на начальных этапах жизненного цикла создаваемых систем с использованием

различных методов структурного проектирования. Особенности используемых методов в существенной степени проявляются на последующих этапах проектирования и формируют соответствующие эксплуатационные характеристики ИСОГМ такие, как сложность разработки, наладки и использования, надежность, экономичность, безопасность и др. Поэтому совершенствование уже существующих и разработка новых эффективных методов структурного проектирования ИСОГМ являются весьма актуальными задачами.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка формализованного метода синтеза структур (МСС) ИСОГМ с оптимизацией этих структур по критериям быстродействия и сложности программной реализации.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ современных методов структурного проектирования систем;

- проведены анализ, классификация и формальное описание структур данных ЗБ-моделей и способов их преобразования;

- выполнена систематизация реализаций типовых операций в алгоритмах функционирования ИСОГМ;

- разработан МСС как метод формализованной генерации вариантов структур ИСОГМ и выбора лучшего варианта структуры;

- разработаны формализованные процедуры выполнения операций со структурами алгоритмов ИСОГМ;

- разработаны инструментальные средства для создания ИСОГМ;

- выполнена апробация МСС и инструментальных средств путем построения специализированных ИСОГМ.

Методы исследований. Результаты диссертации базируются на теории графов, методах компьютерной графики, аналитической геометрии, структурного, функционального и объектно-ориентированного проектирования.

Научная новизна.

1. Развит МСС систем применительно к задачам ЗБ-моделирования в части систематизации программных реализаций типовых алгоритмов по преобразованию, хранению и визуализации структур данных геометрических моделей.

2. Разработан принцип построения обобщенных сетевых моделей (ОСМ) структур специализированных ИСОГМ, учитывающий возможные варианты программной реализации алгоритмов ЗБ-моделирования. ОСМ отображают возможные варианты реализации структур ИСОГМ; вершины ОСМ представляют собой структуры данных ЗБ-моделей, а

ребра - качественные показатели программных реализаций отдельных операций алгоритма.

3. Впервые проведена классификация более 100 существующих структур данных ЗО-моделей по точности представления информации и способам кодирования с целью построения ОСМ создаваемых ИСОГМ.

4. Получены теоретические оценки сложности кодирования наиболее распространенных структур данных ЗО-моделей для расчета качественных показателей реализаций в ОСМ.

5. Для разработанного метода МСС созданы инструментальные средства разработки ИСОГМ, включающие базы данных ЗЭ-моделей с их качественными характеристиками, программные реализации алгоритмов построения ЗО-моделей с различными структурами данных, примеры построения ОСМ структур специализированных ИСОГМ.

Достоверность результатов исследований подтверждается корректностью постановок задач, применением математических методов и строгих критериев оценки вариантов реализации структур ИСОГМ, а также результатами практического применения предложенных в диссертации моделей ИСОГМ, метода МСС и инструментальных средств.

Практическая ценность.

1. Разработанный метод МСС позволяет формализовать решение задачи построения оптимальных структур интерактивных систем объемного геометрического моделирования и, в отличие от существующих методов (ГОЕРО, ИМЬ, А1Ш), учитывает различные способы кодирования и точности представления ЗО-моделей, а также их возможные преобразования.

2. Полученные теоретические оценки сложности кодирования структур данных и построение ОСМ позволили обоснованно производить выбор лучшего варианта программной реализации ИСОГМ.

3. Разработанные ОСМ специализированных ИСОГМ, базы данных ЗО-моделей и программные реализации отдельных операций алгоритмов функционирования ИСОГМ могут использоваться разработчиками в качестве инструментальных средств при создании своих специализированных систем.

4. Результаты диссертационной работы использовались при разработке ОСМ и ЗО-моделей для интерактивного технического руководства по сборке узлов и агрегатов автомобиля (для ООО «Техстанко»), системы ситуационного моделирования, системы управления движением магнитной капсулы эндоскопа (по проекту РФФИ № 09-08-00123-а), медицинского тренажера для проведения операции стентирования (для ООО «Техстанко»), пула свободных производственных мощностей предприятий виртуальной корпорации (по государственному контракту ГК № 02.740.11.0488), установки послойного синтеза деталей из

металлических порошков (для ОАО «Национальный институт авиационных технологий», тема 09-64М).

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты были использованы при реализации следующих проектов:

1. Разработка интерактивного учебного пособия по сборке узлов и агрегатов автомобиля для профильных учебных заведений г. Москвы (совместный проект с ООО «Техстанко»),

2. Медицинский тренажер для освоения операции стентирования (совместный проект с ООО «Техстанко»).

3. Создание гетерогенной распределенной компьютерной системы для управления в реальном времени децентрализованными высокотехнологичными производствами, объединенными в виртуальные корпорации (государственный контракт ГК№ 02.740.11.0488).

4. Разработка установки послойного синтеза деталей из металлических порошков (ОАО НИАТ, тема 09-64М).

5. Разработка теории магнитной локации и управления движением магнитной капсулы эндоскопа и создание макета измерительно-управляющего комплекса с капсулой (проект РФФИ № 09-08-00123-а).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской молодежной конференции по проблемам управления ВМКПУ'2008 (ИПУ РАН, 2008), IV Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Проблемы управления и информационные технологии ПУИТ'08» (Казань, 2008 г.), Семинаре молодых ученых ИПУ РАН 2009 (ИПУ РАН, 2009), III Отраслевой научно-технической конференции (МТУСИ, 2009), УШ-Х Международных конференциях «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта САБ/САМ/РОМ» (ИПУ РАН, 2008, 2009 и 2010 гг.), Семинаре молодых ученых ИПУ РАН (ИПУ РАН, 2010).

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации опубликованы в 18 печатных работах, среди которых 3 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ ([1-3] в списке публикаций по теме диссертации).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 115 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 55 рисунков и 5 таблиц. Список литературы состоит из 55 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются понятие ИСОГМ, а также история и современные тенденции развития средств их создания. Показана актуальность задачи совершенствования средств структурного проектирования таких систем и создания инструментальных средств для их построения.

В главе 1 проведен анализ современных методов структурного проектирования программно реализованных систем. Рассмотрены особенности международного стандарта IDEF (Integrated DEFinition, 1981 г.), стандарта фирмы IDS Scheer - метода ARIS (Architecture of Integrated Information Systems, 1997 г.), унифицированного языка моделирования UML (Unified Modeling Language, 1996 г.), рекомендованного международной организацией IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Для каждого из вышеперечисленных методов разработаны сравнительные примеры проектирования программных систем, которые показали, что достоинствами этих методов являются: ускорение процесса разработки систем, улучшение их эксплуатационных характеристик и обеспечение передачи знаний по принципам структурной организации. Инструментальные средства для IDEF-, ARIS- и UML-проектирования, кроме того, позволяют непосредственно генерировать программный код системы.

К недостаткам проанализированных методов относятся: отсутствие средств формализованного синтеза структур систем (методы позволяют проводить только анализ вариантов построения структур, предложенных разработчиками); отсутствие учета специфики используемых структур данных; отсутствие формального определения минимальной неделимой части структуры проектируемой системы, что может вызывать ошибки уже на этапе первоначальной декомпозиции; отсутствие теоретической базы для построения обобщенных моделей структур проектируемых систем. Перечисленные недостатки усложняют проектирование, повышают его трудоемкость и подверженность отрицательному влиянию человеческого фактора.

На сегодняшний день автору не известны методы, непосредственно предназначенные для синтеза структур ИСОГМ. Проведенный анализ методов структурного проектирования показал, что наиболее пригодным для ИСОГМ методом, основанном на формализованном синтезе структур, является метод Е.И. Артамонова1, разработанный вначале для проектирования цифровых устройств и развитый им в последующем применительно к программному обеспечению САПР и к структурам виртуальных производств. Метод Е.И. Артамонова был выбран автором диссертации в качестве базового при разработке МСС ИСОГМ.

В главе 2 описывается разработанный метод синтеза структур ИСОГМ. Метод основан на операциях со структурами алгоритмов функционирования ИСОГМ.

1 Artamonov E.I. Automation of digital device structure design. B-215, ACTA IMEKO, 1973.-P. 561-570.

Основные характеристики структур алгоритмов функционирования ИСОГМ зависят от параметров М, О, q, где M - множество структур данных ЗБ-моделей; О - множество операций над структурами данных; q - множество связей между операциями, характеризующих структуру алгоритма.

При этом M = (А, Ф, А), где А - множество способов кодирования структур данных ЗБ-моделей, Ф - множество форм внешнего представления структур данных, А - множество точностей кодирования структур данных.

Способ кодирования а е. А определяется форматом файла данных. Результатом кодирования является множество кодовых слов SAl!, где Ак - код, служащий формальным языком описания ЗБ-моделей. Одна и та же структура данных может быть представлена множеством SA в

соответствии с множеством используемых кодов А = {А,.....AK,...,AN}, т.е. ЗБ-

модель с одной и той же структурой данных может быть закодирована по-разному, например, CSG - конструктивная блочная геометрия может быть закодирована с использованием форматов *.sldprt (формат SolidWorks), *.dwg (формат AutoCad), *.cgr (формат CATIA), *.dxf (формат AutoCad для обмена графическими данными между ИСОГМ) и в других языках (кодах).

Форма внешнего представления феФ определяется типом файла, в котором содержится описание ЗБ-модели, и может быть бинарной, символьной и смешанной (примером смешанной формы внешнего представления является ♦.dxf-формат, где наряду с символами содержатся массивы данных в бинарной форме).

Точность кодирования Se А показывает максимальное отклонение геометрической формы ЗБ-модели от теоретического эталона.

sJd™*~d«\.m%,

^max

где dm(yi,drl - одноименные размеры ЗБ-модели и теоретического эталона, соответственно; dmr< - максимальный размер ЗБ-модели.

В отличие от существующих методов проектирования структур систем, введены понятия локального алгоритма и локальной структуры, позволяющие выделять минимальные неделимые части алгоритма функционирования и генерировать возможные варианты реализации структур ИСОГМ. Локальным алгоритмом (JIA) будем называть связную часть алгоритма функционирования ИСОГМ, в которой для всего набора операций над ЗБ-моделями не изменяются параметры аеА, феФ и 5еА. Программной реализацией JIA является множество локальных структур (JIC). В диссертации доказано, что JIA является минимальной неделимой частью общего алгоритма функционирования ИСОГМ при анализе и синтезе структур ИСОГМ.

Суть операций со структурами алгоритмов заключается в предварительном разбиении (декомпозиции) алгоритма функционирования ИСОГМ на JIA, образовании ЛС и последовательном объединении ЛА в смысле реализации их

в одной ЛС. Каждая операция со структурами алгоритмов сопровождается построением обобщенной сетевой модели структуры (ОСМ) программной реализации ИСОГМ, содержащей множество ЛС, упорядоченных по связям между операциями в общем алгоритме функционирования. Лучший вариант структуры программной реализации ИСОГМ выбирается исходя из минимальной сложности кодирования структур данных ЗО-моделей.

Приведем пример выделения ЛА в алгоритме функционирования ИСОГМ и образования ЛС для реализации ЛА. Пусть имеется некоторая ЗБ-модель (рис. 1). Алгоритм функционирования ИСОГМ, предназначенной для работы с такой моделью, можно разделить на три ЛА: построение цилиндра, отверстия и фаски. Такое деление связано с различными способами кодирования, соответственно, цилиндра, отверстия и фаски.

Сквозное

Фаска

Цилиндр

Рис. 1. Пример ЗБ-модели

Для выбора лучшего варианта программной реализации алгоритма функционирования ИСОГМ, необходимо построить ОСМ, в которой будут отражены возможные варианты программной реализации для всех ЛА.

а б в г

Рис. 2. Множества ЛС для типовых ЛА ИСОГМ

Для типовых ЛА, используемых в ИСОГМ, на рис. 2 показаны множества ЛС: ввода описаний ЗО-моделей (рис. 2а), преобразования структур данных (рис. 26; в виде эллипса условно обозначен полный граф преобразований структур данных), выполнения различных операций над ЗБ-моделями (рис. 2в), вывода результатов работы с ЗБ-моделями (рис. 2г).

Вершинами ЛС на рис. 2 являются следующие структуры данных 30-моделей:

- CSG (Constructive Solid Geometry) - ЗО-модель образуется в результате выполнения теоретико-множественных операций (объединение, вычитание, пересечение) над твердотельными примитивами (куб, сфера, цилиндр, конус, тор и др.);

B-rep (Boundary Representation) - ЗО-модель представляется ограничивающими поверхностями, с указанием их лицевых сторон в структуре данных (как правило, последовательностью записи точек, определяющих поверхность);

- Vox (Voxels) - ЗО-модель представляется трехмерным массивом точек -вокселей - с координатами i, j, к',

- 2,5D - ЗО-модель представляется исходным поперечным сечением и матрицей преобразования его вдоль трехмерной кривой.

Построение Построение Построение

Рис. 3. ОСМ первоначального разбиения алгоритма функционирования

ИСОГМ на JIA

На рис. 3 представлена ОСМ, соответствующая первоначальному разбиению алгоритма функционирования ИСОГМ на ЛА. Вершинами ОСМ являются структуры данных, посредством которых можно представить ЗО-модель, ребрами - качественные показатели реализации соответствующих операций (указаны сверху), эллипсами - полные графы, в которых возможны преобразования каждой структуры данных в каждую. Каждому ребру назначается вес, исходя из теоретической оценки сложности кодирования соответствующей структуры данных. Типы структур данных и теоретические оценки сложности их кодирования приведены ниже в табл. 1.

Рис. 4. Вариант реализации алгоритма ИСОГМ для ОСМ, представленной на рис. 3

Выбор лучшего варианта реализации алгоритма функционирования ИСОГМ сводится к определению кратчайшего пути в сети (на рис. 3 отмечен пунктирной линией). Для заданного в ОСМ (рис. 3) набора ЛС вариант реализации алгоритма ИСОГМ показан на рис. 4. Построение ЗЭ-модели производится в три операции. Методом пространственной экструзии (2,5D) окружность, определяющая поперечное сечение цилиндра, вытягивается вдоль его оси. Далее производится построение сквозного отверстия вычитанием (CSG) из полученного цилиндра другого цилиндра, определяющего отверстие. На заключительной операции вычитанием (CSG) конуса из цилиндра строится фаска.

Реализация алгоритма функционирования ИСОГМ, представленная на рис. 4, получена по результатам первоначальной декомпозиции. Следующая реализация получаются путем последовательного объединения JTA, в смысле программной реализации в одной JIC, и построения новой ОСМ с новым набором JIC.

Автором определены правила объединения JIA, которые заключаются в том, что параметры а(еЛ и ^-еФ объединяемых друг с другом ЛА приводятся к единому виду, обеспечивающему минимальную общую (для всего алгоритма ИСОГМ) сложность кодирования структур данных ЗБ-моделей, а точность S выбирается исходя из условия 5 = min ¿> , где п - число

/=1,и

объединенных локальных алгоритмов.

Построение Построение

цилиндра и фаски

Рис. 5. ОСМ после объединения ЛА построения цилиндра и отверстия

CSG

Рис. 6. Вариант реализации алгоритма ИСОГМ для ОСМ, представленной на рис.5

ОСМ, полученная после объединения ЛА построения цилиндра и отверстия показана на рис. 5, а ее реализация - на рис. 6. В отличие от предыдущей реализации, построение отверстия производится методом пространственной экструзии, а не вычитанием цилиндров; при этом изменяется способ кодирования отверстия и, соответственно, сложность программной реализации ИСОГМ.

2,50

Рис. 7. Вариант реализации алгоритма в одной ЛС

Таким образом, последовательный перебор операций объединения структур алгоритмов производится до тех пор, пока все операции не будут реализованы в одной ЛС (рис. 7). Полученные промежуточные варианты реализации после каждой операции объединения ЛА сравниваются между собой, и выбирается лучший вариант.

Разработанный МСС ИСОГМ позволяет определить источники образования различных вариантов структурной организации ИСОГМ, установить взаимосвязи между характеристиками алгоритмов их функционирования и программными реализациями алгоритмов, формализовать процесс генерации множества вариантов структурной организации ИСОГМ и выбор лучшего варианта. Метод является развитием выбранного базового метода в части:

- анализа и классификации структур данных ЗБ-моделей;

- теоретических оценок сложности программной реализации структур данных;

- построения ОСМ специализированных ИСОГМ;

- создания инструментальных средств и баз данных ЗБ-моделей для вновь создаваемых ИСОГМ.

В главе 3 представлены анализ и классификация структур данных ЗБ-моделей, полученные теоретические оценки сложности их программной реализации, а также инструментальные средства для разработки специализированных ИСОГМ.

Анализ и классификация структур данных ЗБ-моделей. Результаты анализа структур данных ЗБ-моделей, а также полученные теоретические оценки сложности их реализации в программных системах представлены в табл. 1.

Структура данных

Внутрисистемные описания объектов _(ТВОО)_

Теоретическая оценка сложности _кодирования_

Поверхностное представление множеством точек и аппроксимирующей функцией

ТВОО{О,ТЬ}[атю,8твоо]^(Рю,Р0„...

—>^0> Рп\>-- >РПт)

аппроксимирующая функция, где и, у е [0,1]; В", В'" - полиномы Бернштейна,

ВЦ')-,

порядок поверхности; р - точки управления.

<=0 у-о

п,т - количество точек управления вдоль кривых, ограничивающих поверхность

Поверхностное представление сеткой конечных элементов

ТВОО{йъЩ[аТЮО

] =>('«104.1.'м.-

для формата *.у/г1

+*]£" (Зук" (х,у,г)+ >/ +

+ £ [2м,?'"Г (г'8<ь) + + + с=0

+з ++ ))

п - количество треугольников для _представления модели_

ТВ0О{О,Щ[атхю,8тю\

4,АЛЛАЛ-.К,УХХХХ, «.«Г,я)

для формата *.зИ

1=0

л - количество треугольников для представления модели

Проволочная (каркасная)геометрия

ТВ00{0,ТЬ}{апт

¿¿¿.....х'М&.МЛ ¿¿.¿-.¿.¿.¿я'.-М.

(.0 ^>0 + Эй*™*" (г, я, 6))

/я - количество точек ¡-ой ломанной; п - количество ломанных в _проволочной модели_

2,50 модель

ТВОО{0,ТЬ}[атюо,бжю]^ (х, ,у, ,г,, х2,у2,:„-х1,у1,г,,{мг},{г})

И-1

/=0

+ 3 ^"(х^.у^^))

Ш - количество кусочных полиномов; П - количество сечений

Воксельное представление

ТВ00{О,ТЬ}[аТ100

> ^ТВОО ] ^ ' ./| > К > К}.-

л. {С,}....,

К = ^ «-»»¿(ЗиГ' (¿,7,4) + »^' + /=о

+ЗЧ°'°Г (г, я, 6) + + Зм>,лу + 3<"" + и - количество вокселей в модели

Конструктивная блочная геометрия (CSG) < : * \\ "N/ M \ / Я—V PrimiUvd Faal «(1,2,3,4), fo«Î«( 2,6,5,1). Лет? «(3,2,6,7), Face! «(4,8,7,3), +»;•")+и*;*"++»;"""')+»,*"')+ т - количество примитивов в модели (т > 1); я - количество граней в /-ом примитиве (и > 4); / - количество точек ву-ой грани (/ > 3)

Prtai«™2:jW, «(1,2,3,4), Face', «(2,6,5.1), Face', «(3,2,6,7), К»! «(4,8,7,3),

Model = Primi/iVel - Pri>n<i<Ve2

Граничное представление (B-Rep) Гйч «{1Д34), Rus, «(2Ç 51), Fan, «(487,3), /5к,«(1Д&4).йг!; «(5611)9), lice,, «(1411,15,14), Й1Ч,«{1|,1ЯК15), /ш;, «( КЗЦЦ.Лпь «( 13,14.15.16) а,-[¿¿((«с+<;+<)+ + (<■ + »у + «С) + 3 (<* (г,*,6) + +№:'',:<г+-иг'"+»г)+иг'++ п - количество граней в модели (и > 4); т - количество ребер в /-ой грани (/>3)

Привязка к параметрически заданному базисному элементу : î*Ï " ТВ00{О,ТЬ][аТт,0ТЮ1]=>(Р,1-\{Р),Р,(Р).....F.(P)) к +А, $>,№)) /=1 я - количество параметров модели

В таблице приняты следующие обозначения:

- длина машинного слова, байт; w- коэффициент, определяемый типом

переменной (double => w = 2 ; float =>w = \\ short =>w = 0,5): w""6v {ixyz),wmà!i (iN) -коэффициенты для индексов вершин и нормалей; wv(x,y,z),wN(Nx,Ny,Nz^ -коэффициенты для координат вершин и нормалей; wcohr (r,g,b) - коэффициент для составляющих цвета в системе RGB; wamt„wdjIf,wiimisi,wsprc,wMi:,wlmp -коэффициенты для интенсивности света (amb ), цвета рассеянного света ( diff ), цвета излучаемого света (emiss), цвета при зеркальном отражении света от поверхности (spec), степени зеркального отражения (shin) и прозрачности (transp); iwimx - максимальный индекс вершины, определяющей треугольники поверхности; ст.к - количество интерполяторов цвета; wf(^,'Vt)A'J,v»"(j:,j',z) -коэффициенты для координат нормалей и вершин; w0(x,y,z) - коэффициент для координат вершин ломанных; wf- коэффициент для толщины ломанной; wCSec (x,y,z)- коэффициент для координат начала и конца кусочных полиномов, описывающих исходное плоское сечение модели; wf (transi,rot) - коэффициент для элементов матриц преобразования Мг ; vf;1""" [xf" - коэффициент

для координат центров сечений (принадлежат кривой Г); ws"p - коэффициент для шага сетки; w™*(ij,k) - коэффициент для координат вокселя в массиве;

w"'"sl" - коэффициент для веса узла массива; Ki,k>wij.i<'wu,t~ коэффициенты для координат к-ой точки у-ой грани /-го примитива; и-;"" - коэффициент для идентификатора теоретико-множественной операции (Set-Theoretical Operation) над г'-ым примитивом; коэффициент для идентификатора твердотельной

модели; w^w^u'!j,w™'wu>w'j~ коэффициенты типа переменной для координат начала и концау'-ro ребра г-ой грани; KBasd-объем кода базисного элемента.

Классификация структур данных по способам и точности кодирования приведена в Приложении А диссертации. Пример такой классификации представлен в табл. 2.

Таблица 2

№п/п Система Способ кодирования Диапазон изменения значений параметров ЗО-моделей

Бинарный Символьный

1 GERBER ,*gerber ±999999

2 Hewlett Packard •*hpgl ±999999

3 Системы виртуальной реальности ,*wrl -2147483648... 2147483647 1.2е-38 ... 3.4е38 2.2е-308... 1.8е308

4 Системы послойного ,*stl (ASCII) 1.2е-38 ... 3.4е38

5 синтеза ,*stl (bin) 1.2е-38 ... 3.4е38

6 AutoCAD ,*dwg •*dxf 1.2е-38... 3.4е38 2.2е-308 ... 1.8е308

7 ACIS .*sat 1.2е-38... 3.4е38

8 ACIS ,*sab 1.2е-38... 3.4е38

В результате проведенного анализа установлено, что, в основном, все современные геометрические процессоры поддерживают перечисленные в табл. 1 структуры данных ЗО-моделей. Конкретные структуры данных в разных применениях могут различаться по параметрам множеств А,Ф,Д.

Инструментальные средства ИСОГМ. К инструментальным средствам относится набор программно реализованных блоков, используемых при построении специализированных систем с их заранее определенными характеристиками и особенностями структур данных. Это дает возможность до момента физической реализации систем заранее определять их сравнительные характеристики.

Рис. 8. ОСМ интерактивного технического руководства

На рис. 8 показана разработанная ОСМ интерактивного технического руководства (ИТР) по сборке узлов и агрегатов автомобиля, где указаны реализации в виде готовых универсальных систем проектирования и специализированных средств. Стрелками обозначен выбранный кратчайший путь в сети, который был взят за основу при построении структуры программной реализации ИТР. ОСМ, представленная на рис. 8, также впоследствии использовалась для разработки ряда специализированных ИСОГМ, представленных в главе 4.

Рис. 9. ЗБ-модели из разработанной БД

К инструментальным средствам относится также созданная база данных ЗБ-моделей (некоторые модели приведены на рис. 9) для ИСОГМ, включающая несколько десятков моделей сборочных единиц для использования в машиностроении, биологических объектов и объектов подводного мира для решения задач ситуационного моделирования, моделей сосудов сердца и кишечника для использования при создании медицинских тренажеров, управления магнитной капсулой и др.

В главе 4 представлены разработанные алгоритмы функционирования специализированных ИСОГМ, синтезированы структуры их программной реализации, создано программное обеспечение. Были разработаны следующие специализированные ИСОГМ.

1. Интерактивное учебное пособие (ИУП) для изучения узлов и агрегатов автомобиля. ИУП предназначено для изучения устройства и принципа работы, а также технологий сборки, ремонта и технического обслуживания машин, механизмов и оборудования при помощи ЗБ-моделей.

Рис. 10. Структурная схема ИУП

На основе ОСМ (рис. 8) разработана структурная схема ИУП (рис. 10), которая включает интерпретатор входных сообщений (ИВС), геометрический процессор (ГП), преобразователи (Пр1, Пр2), базу данных ЗБ-моделей (БД ЗБ), дисплей (Д).

ИВС предназначен для преобразования символьного способа кодирования входных сообщений пользователя во внутренний (бинарный) способ кодирования ГП и подачи соответствующих команд ГП.

ГП осуществляет необходимые геометрические преобразования 30-моделей (перемещение, вращение, масштабирование, сборку, разборку).

БД ЗБ содержит ЗБ-модели изделий машиностроения в специально разработанном бинарном формате.

Пр1 осуществляет преобразование способа кодирования ЗБ-моделей, используемого для их хранения в БД ЗБ, в способ кодирования, используемый в ГП.

Пр2 формирует терминальный файл для отображения ЗВ-моделей на дисплее Д.

В соответствии со структурной схемой (рис. 10) были разработаны программные средства, позволяющие производить операции сборки/разборки ЗБ-моделей в интерактивном режиме.

Для ИУП автором разработаны ОСМ, структурная схема и ЗБ-модели. ИУП внедрено в ООО «Техстанко» и используется для обучения студентов.

2. Медицинский тренажер для освоения интервенционных методов диагностики и лечения заболеваний сосудов сердца. Тренажер представляет собой аппаратно-программный комплекс и позволяет при помощи аппаратной имитации сосудов и реального хирургического инструмента отрабатывать практические навыки проведения операций. Аппаратная часть тренажера включает направляющие элементы для ввода реального хирургического инструмента, систему датчиков, персональный компьютер и органы управления (клавиатура, мышь, джойстик). Аппаратная часть тренажера синхронизирована с программной, посредством которой производится построение, геометрические преобразования и визуализация на дисплее ЗБ-моделей коронарных сосудов и хирургического инструмента, что позволяет хирургу наблюдать в реальном времени за имитируемой операцией и приблизиться к реальным условиям ее проведения.

Рис. 11. Структурная схема тренажера

Создана структурная схема тренажера (рис. 11), которая содержит аппаратный блок (АБ) с двумя датчиками фиксации линейного перемещения катетера и тросика со сменными инструментами, а также программную часть с блоками: сопряжения с аппаратной частью (БС); построения ЗБ-модели сосудов сердца (БЗБ); базы данных ЗБ-моделей сосудов сердца пациентов (БД); базы данных результатов компьютерной томографии сосудов сердца пациентов (БДКТ); преобразования форматов данных компьютерной томографии сосудов сердца пациентов в формат ЗБ-модели (БПРКТ); геометрических преобразований ЗБ-модели (БПР) и отображения процесса проведения операции (БО).

В рамках работы по созданию тренажера, автором разработан алгоритм построения ЗБ-моделей коронарных сосудов на основе 2Б-сечений компьютерной томографии, а также ОСМ и структурная схема тренажера.

Результаты работы внедрены в ООО «Техстанко» и используются при создании медицинских тренажеров для освоения операции стентирования сосудов сердца.

3. Система ситуационного моделирования. Система позволяет создавать конкретные ЗВ-сцены, управлять перемещениями объектов, автоматически планировать и вычислять их траектории движения с использованием алгоритма поиска кратчайшего пути.

Рис. 12. Прокладывание кратчайшего маршрута Пример построения траектории движения приведен на рис. 12.

Рис. 13. Моделирование движения подводного аппарата

Система позволяет моделировать в интерактивном режиме основной объект, движущийся по маршруту, и объекты окружающей среды (рис. 13). В системе предусмотрена возможность изменения в реальном времени характера движения основного объекта и управления координатами точки наблюдения.

Вклад автора в создание системы ситуационного моделирования заключается в разработке ОСМ структуры системы, построении ЗВ-моделей подводных аппаратов и объектов подводной фауны.

4. Система виртуальной настройки роботов (СВНР) позволяет производить настройку посредством моделирования поведения роботов на ЗВ-моделях (рис. 14). При этом геометрический процессор СВНР формирует описание процесса сборки на внутреннем языке системы, которое затем преобразуется в управляющую программу робота (на рисунке слева).

í i- ■

mfH/f*' -

-

К г"?f Hlfi ii

J ™ ж

& В ► « • f? s

Roíale rotor. EO.D. I.D. 1.0. 0.0 Dock waeher_bearlng, O, rotor, 0 Move washer_tjearíng, -7.S, -101 .a. Rotate washeTjjearmg. -127.8. 0.3, Rotate washer „bearlog, -69.2, -Q.7, Dock bearing 302,0, groupl.1 Move bearIn(J02. 9.1, -122.3, 6Í.S Rotate beaiing„302. -52.2, -0.3, 0.9, Dock bearing_202. 0, group!. 7 Move bearlng_202, -30.2. -55.0. -95 Rotate bearlng_202. -127.8. 0.3.41.: Dock covcr, 0. groupl, 10 Move cover. -45.5. -102.6. 54.B Rotate cover, -91.5, -0.7, 0.3, -0.7 Rotate cover. -107.S. 0.8. 0.2. -0,6 Dockwasherl, 0,_groupl, 18 Move washerl, 43.5. -117.0. 50.7 Rotate washer!. -127.8, 0.3, -0.9, 0. Dock screwl, 0, groupl, 22 Move screwl, ZS.B. -119.5, 57.0 Rotate screwl. -41.4. 0.0, 0.9, -0.4 Move allenkey. -76.4, -76.8, 64.8 Rotate allenkey, -104.5. -0.6. 0.0, -0 Rotate allenkey. -134.4, 0.7,0.3,-0. Move „group Jool 15.Б. 5.2, -12.7 Rotate~_gtoupjoo1, Э60.0.15.5.5.2 Dock washerl, 0, groupl, 19 Movewashtrl. 20~2,-120.7, 20.7

важна

Рис. 14. Настройка робота на операцию сборки генератора

Разработка ОСМ структуры СВНР, ЗВ-моделей изделий машиностроения и алгоритма сборки для его последующей программной реализации являются вкладом автора в создание СВНР.

5. Пул свободных производственных мощностей предприятий виртуальной корпорации. Пул является составной частью гетерогенной распределенной системы управления в реальном времени децентрализованными высокотехнологичными производствами,

объединенными в виртуальную корпорацию и представляет собой программное обеспечение, позиционируемое на сервере виртуальной корпорации. Пул свободных производственных мощностей предназначен для генерации перечня предприятий, способных произвести требуемую продукцию в заданном объеме и с надлежащим качеством. Перечень предприятий предназначен для того, чтобы помочь потенциальному заказчику выбрать оптимальный вариант размещения заказа.

Рис. 15. Структурная схема пула

Разработана структурная схема пула (рис. 15). Согласно схеме термины входного языка (ТВЯ) преобразуются в соответствующий внутренний формат указанных ИСОГМ. Далее в интерфейсе процессора ПР1 происходит преобразование каждого из внутренних форматов ИСОГМ во внутренний формат пула *.npc (Native Pool Code), после чего производится оценка структур данных по сложности кодирования. На основании полученных оценок генерируется набор возможных реализаций процесса разработки и производства продукции. Из числа реализаций, выбранных в процессоре ПР1, в ПР2 производится генерация нового набора возможных реализаций по критерию свободной производственной мощности. Полученный набор реализаций процесса разработки и производства продукции соответствует конкретным производственным предприятиям, перечень которых поступает на устройство вывода. Выбор конкретной реализации (предприятия) остается за человеком (на основе объективных и субъективных неформализованных критериев).

Вклад автора в работу по созданию виртуальной корпорации заключается в синтезе структуры пула свободных производственных мощностей, анализе и классификации структур данных ЗБ-моделей, а также выводе теоретических оценок сложности их программной реализации.

Работа проводилась в рамках государственного контракта ГК№ 02.740.11.0488.

6. Система управления магнитной капсулой эндоскопа позволяет определять пространственные и угловые координаты магнитного диполя (капсулы) посредством системы тонкопленочных магниторезистивных датчиков магнитного поля. В основу работы системы положено решение задачи магнитной локации. Проверка работоспособности численного алгоритма определения координат магнитного диполя и имитация работы системы выполнялись на специальном стенде, для которого автором была разработана ЗБ-модель кишечника (рис. 16). Работа проводилась в рамках проекта РФФИ № 09-08-00123-а.

Рис. 16. Структурная схема стенда и ЗБ-модель кишечника

7. Геометрический процессор (ГП) установки послойного синтеза.

Установка предназначена для изготовления прототипов изделий путем послойного спекания металлического порошка. ГП служит для построения сечений деталей, предназначенных для послойного спекания лучом лазера, и их штриховки, служащей для определения места установки материала поддержки.

Разработана структурная схема ГП, которая содержит следующие элементы: модуль управления; модуль чтения и анализа ЗБ-модели в формате модуль ориентации ЗБ-модели изделия относительно плоскости подложки; модуль построения траекторий перемещения лазерного луча; модуль построения контуров сечений; модуль построения эквидистант контуров; модуль построения штриховки контуров; библиотека поддержки графических форматов; библиотека алгоритмов аналитической геометрии; библиотека алгоритмов инженерной графики.

Рис. 17. Последовательность получения сечений

В соответствии с разработанной структурной схемой были созданы программные средства, позволяющие преобразовывать входной формат 3D-модели (*.stl - Stereo Lithography) во внутренний формат ГП и далее выполнять сечение ЗБ-модели плоскостью и построение штриховки полученного сечения (рис. 17).

Автором проведен анализ символьной и бинарной версий формата данных *.stl, предназначенного для реализации процессов быстрого прототипирования. Кроме того, разработаны тестовые ЗО-модели для оценки быстродействия ГП.

Работа проводилась в рамках темы 09-64М для ОАО «Национальный институт авиационных технологий».

В Заключении приводятся общие выводы по диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ методов структурного проектирования систем. Показано, что такие методы, как IDEFO, UML, ARIS не предлагают формальную процедуру декомпозиции и синтеза структур интерактивных систем объемного геометрического моделирования. Разработан МСС — метод синтеза структур интерактивных систем объемного геометрического моделирования, позволяющий формализовать решение задачи построения и оценки этих структур.

3. Проведена классификация структур данных 3D-мод ел ей по точности представления и способам кодирования информации. Проведен анализ более 100 существующих структур данных 3 D-моделей.

4. Разработаны аналитические соотношения для оценки сложности кодирования наиболее распространенных структур данных.

5. Разработан принцип построения ОСМ специализированных ИСОГМ, учитывающий возможные варианты программной реализации алгоритмов ЗО-моделирования.

6. Созданы инструментальные средства разработки ИСОГМ, на основе которых построены специализированные ИСОГМ для машиностроения (сборочный тренажер, система виртуального программирования роботов) и медицины (тренажер по стентированию кровеносных сосудов, прототип системы магнитной локации и управления капсулой эндоскопа).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Ромакин В.А., Разумовский А.И., Балабанов A.B. Создание графических учебных пособий и ЗО-тренажеров // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2009. №4. - С. 40-46.

2. Артамонов Е.И., Ромакин В.А., Балабанов A.B. Программные средства виртуальной настройки роботов // Автоматизация в промышленности. 2010. №5,- С. 54-55.

3. Балабанов A.B. Оптимизация структуры входных данных для программного обеспечения машинной графики // "T-Comm -

Телекоммуникации и транспорт". Спецвыпуск "Технологии информационного общества". - Часть 2. - 2009. - С. 125-126.

Публикации в трудах конференций:

4. Артамонов Е.И., Балабанов A.B., Ромакин В.А., Щегольков М.Ю. Принципы создания интерактивных технических руководств / Материалы 35-й Междунар. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (IT+S&E*08)».-Открытое образование, 2008 - С. 97-98.

5. Артамонов Е.И., Ромакин В.А., Балабанов A.B. Операции на виртуальных моделях объектов машиностроения // Материалы 36-й Междунар. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (IT+S&E*09)». — Открытое образование, 2009. - С. 70-72.

6. Балабанов A.B., Ромакин В.А. Разработка интерактивных учебных пособий на основе виртуальной реальности // Материалы III Всероссийской молодежной конф. по проблемам управления (ВМКПУ'2008). — М.: ИПУ РАН, 2008. - С. 222-223.

7. Ромакин В.А., Балабанов A.B. Использование средств виртуальной реальности при разработке интерактивных учебных пособий / Материалы IV Всероссийской школы-семинара молодых ученых «Проблемы управления и информационные технологии (ПУИТ '08)».

— Казань: КГТУ, 2008. - С. 12-15.

8. Ромакин В.А., Балабанов A.B. Интерактивные учебные пособия на основе средств виртуальной реальности в CALS-технологиях / Информационные технологии и системы (ИТиС'08): сборник трудов конференции. - М.: ИППИ РАН, 2008. - С. 115-117.

9. Артамонов Е.И., Ромакин В.А., Балабанов A.B. Программные средства для создания электронных технических руководств / Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности. Материалы Международной конференции «AEROSPACE-2008». Под. ред Е.И. Артамонова - М.: ИПУ РАН, 2008 - С. 40-41.

10. Ромакин В.А., Балабанов A.B. Структура системы виртуальной реальности для интерактивных учебных пособий / Материалы VIII Международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (CAD/CAM/PDM - 2008).

- М.: ИПУ РАН, 2008. - С. 49-52.

П.Касаткин С.И., Поляков П.А., Поляков О.П., Артамонов Е.И., Балабанов A.B., Ромакин В.А. Система контроля и управления магнитной капсулой эндоскопа // IX Международная конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM - 2009), М.-.ИПУ РАН, 2009. - С.13-18.

12. Артамонов Е.И., Балабанов A.B., Ромакин В.А. Технология создания специализированных систем на основе средств виртуальной реальности // IX Международная конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM-2009), М.: ИПУ РАН, 2009. - С. 19-24.

13. Артамонов Е.И., Балабанов A.B., Ромакин В.А., Смирнов C.B. Структурное проектирование медицинских тренажеров // IX Международная конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM - 2009), М.: ИПУ РАН, 2009. - С.54-58.

14. Балабанов A.B. Разработка пула свободных производственных мощностей предприятий виртуальной корпорации // Информационные технологии и системы (ИТиС'10): сборник трудов конференции. - М.: ИППИ РАН, 2010. - С. 217-226.

15. Ромакин В.А., Балабанов A.B. Разработка системы виртуальной настройки роботов // Труды XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». В 3 томах. Т.1. - М.: Издательский дом МЭИ. - С. 172-175.

16. Касаткин С.И., Муравьёв A.M., Поляков П.А., Поляков О.П., Артамонов Е.И., Балабанов A.B., Ромакин В.А., Савельев К.А. Система магнитной локации и управления капсулой эндоскопа // X Международная конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM-2010), М.: ИПУ РАН, 2010. - С.66-71.

17. Артамонов Е.И., Балабанов A.B., Ромакин В.А. Тренажер для освоения диагностических и интервенционных процедур при сердечнососудистых заболеваниях // X Международная конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM-2010), M.: ИПУ РАН, 2010. - С.72-74.

18. Артамонов Е.И., Балабанов A.B., Ромакин В.А., Сизова JI.H. Разработка графического редактора для послойного лазерного синтеза // X Международная конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM-2010), M.: ИПУ РАН, 2010. - С.75-77.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА В СОВМЕСТНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

[1, 3, 4, 8, 10, 12] - разработаны ЗБ-модели составных частей автомобиля, определены способы преобразования их структур данных.

[2, 5, 6,] - разработаны ОСМ алгоритмов функционирования специализированных ИСОГМ, произведен синтез их структур, выбраны наилучшие варианты структурной организации.

[9] - разработана ЗБ-модель кишечника человека.

[11] - на основании данных компьютерной томографии созданы ЗБ-модели коронарных сосудов сердца.

[13, 15 - 18] - произведен формализованный выбор и теоретическая оценка сложности кодирования структур данных, а также построение ЗБ-моделей.

Заказ № 164/02/2011 Подписано в печать 22.02.2011 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 Vv// www.cfr.ru; e-mail: info@cfr.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СТРУКТУРНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ

1.1 Современный подход к структурному проектированию.

1.2 Современные средства структурного проектирования.

1.2.1 Методология ГОЕБО.

1.2.1.1 Функциональный блок.

1.2.1.2 Интерфейсная дуга.

1.2.1.3 Декомпозиция.

1.2.1.4 Ограничения сложности ГОЕРО-диаграмм.

1.2.2 Унифицированный язык моделирования ЦМЬ.

1.2.2.1 Общие сведения.

1.2.2.2 Диаграммы языка ЦМЬ.

1.2.3 Метод синтеза структур систем.

1.2.3.1 Этапы формализованного синтеза структур систем.

1.2.3.2 Примеры генерации возможных вариантов реализации систем.

1.2.3.3 Построение сетевых моделей вариантов реализации структур систем.

Актуальность работы. Понятие «интерактивная система» (ИС), применительно к компьютерной графике и системам автоматизированного (человеко-машинного) проектирования (САПР) [15], [28], [39], [56], появилось с начала 70-х годов. С совершенствованием устройств ввода отпала необходимость вводить операторы входного языка в текстовом виде вручную; достаточно было указать на значки, их заменяющие, в перечне, представленном на экране дисплея. В программном обеспечении наметился переход в структурной организации интерактивных систем от пакетов графических программ к программным системам. Сформировалось понятие системной целостности программного обеспечения ИС, объединяющее процессорную часть, средства ввода-вывода информации и управления базами данных. Примерами таких систем являются: AutoCAD, SolidWorks, I-Deas и др.

С начала 90-х годов появился новый класс ИС - интегрированные системы, охватывающие несколько этапов жизненного цикла изделий, например, CAD/CAM, CAD/CAM/PDM и т.п. Появление интегрированных ИС напрямую было связано со стандартами по CALS-технологиям (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) [25] — технологиям непрерывного компьютерного сопровождения изделия на всех этапах его жизненного цикла от маркетинга до утилизации. CALS - технология отличается от традиционной технологии следующими особенностями: на всех этапах жизненного цикла изделия создается электронная документация, используются единая обобщенная модель изделия и международные стандарты на форматы и структуры данных по обмену информацией об изделии. Кроме того, CALS -технология предусматривает параллельную и территориально распределенную работу над создаваемым изделием.

Согласно CALS-технологии, на стадии проектирования должны создаваться 3D модели изделия, которые используются для поддержки изделия на последующих стадиях жизненного цикла. Таким образом, в CAD/CAM/PDM системах центральная роль отводится той части систем, которая связана с построением, анализом, преобразованием и использованием в сопутствующих расчетах объемных геометрических моделей, а саму эту часть систем можно выделить в отдельный класс — интерактивные системы объемного геометрического моделирования (ИСОГМ). Этот класс систем нашел, кроме того, самостоятельное применение в виде специализированных систем таких, как интерактивные технические руководства, тренажеры, системы виртуального программирования роботов и т.п.

На сегодняшний день, технологии ЗЭ моделирования относятся к числу передовых технологий, позволяющих повысить качество и сократить сроки выпуска продукции. Важность применения современных технологий ЗБ-моделирования в промышленности отметил президент России Дмитрий Анатольевич Медведев [21].

Сложность задач объемного геометрического моделирования в реальном времени предъявляет все более высокие требования к производительности и объемам памяти вычислительных систем. Под эти требования совершенствуются основные средства разработки ИСОГМ, такие как методы структурного проектирования систем [16], [50] и инструментальные средства для их создания [44], [45], [46], [51].

Варианты структурной организации ИСОГМ рассматриваются на начальных этапах жизненного цикла создаваемых систем с использованием различных методов структурного проектирования. Особенности используемых методов в существенной степени проявляются на последующих этапах проектирования и формируют соответствующие эксплуатационные характеристики ИСОГМ такие, как сложность установки, наладки и использования, надежность, экономичность, безопасность и др. Поэтому совершенствование уже существующих и разработка новых эффективных методов структурного проектирования ИСОГМ являются весьма актуальными задачами.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка формализованного метода синтеза структур (МСС) ИСОГМ с оптимизацией этих структур по критериям быстродействия и сложности программной реализации.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ современных методов структурного проектирования систем;

- проведены анализ, классификация и формальное описание структур данных ЗБ-моделей и способов их преобразования;

- выполнена систематизация реализаций типовых операций в алгоритмах функционирования ИСОГМ;

- разработан МСС как метод формализованной генерации вариантов структур ИСОГМ и выбора лучшего варианта структуры;

- разработаны формализованные процедуры выполнения операций со структурами алгоритмов ИСОГМ;

- разработаны инструментальные средства для создания ИСОГМ;

- выполнена апробация МСС и инструментальных средств путем построения специализированных ИСОГМ.

Методы исследований. Результаты диссертации базируются на теории графов, методах компьютерной графики, аналитической геометрии, структурного, функционального и объектно-ориентированного проектирования.

Научная новизна.

1. Развит МСС систем применительно к задачам ЗБ-моделирования в части систематизации программных реализаций типовых алгоритмов по преобразованию, хранению и визуализации структур данных геометрических моделей.

2. Разработан принцип построения обобщенных сетевых моделей (ОСМ) структур специализированных ИСОГМ, учитывающий возможные варианты программной реализации алгоритмов ЗО-моделирования. ОСМ отображают возможные варианты реализации структур ИСОГМ; вершины ОСМ представляют собой структуры данных ЗБ-моделей, а ребра - качественные показатели программных реализаций отдельных операций алгоритма.

3. Впервые проведена классификация более 100 существующих структур данных ЗБ-моделей по точности представления информации и способам кодирования с целью построения ОСМ создаваемых ИСОГМ.

4. Получены теоретические оценки сложности кодирования наиболее распространенных структур данных ЗБ-моделей для расчета качественных показателей реализаций в ОСМ.

5. Для разработанного метода МСС созданы инструментальные средства разработки ИСОГМ, включающие базы данных ЗБ-моделей с их качественными характеристиками, программные реализации алгоритмов построения ЗБ-моделей с различными структурами данных, примеры построения ОСМ структур специализированных ИСОГМ.

Достоверность результатов исследований подтверждается корректностью постановок задач, применением математических методов и строгих критериев оценки вариантов реализации структур ИСОГМ, а также результатами практического применения предложенных в диссертации моделей ИСОГМ, метода МСС и инструментальных средств.

Практическая ценность.

1. Разработанный метод МСС позволяет формализовать решение задачи построения оптимальных структур интерактивных систем объемного геометрического моделирования и, в отличие от существующих методов

ШЕБО, ЦМЬ, АПК), учитывает различные способы кодирования и точности представления ЗБ-модслей, а также их возможные преобразования.

2. Полученные теоретические оценки сложности кодирования структур данных и построение ОСМ позволили обоснованно производить выбор лучшего варианта программной реализации ИСОГМ.

3. Разработанные ОСМ специализированных ИСОГМ, базы данных ЗБ-моделей и программные реализации отдельных операций алгоритмов функционирования ИСОГМ могут использоваться разработчиками в качестве инструментальных средств при создании своих специализированных систем.

4. Результаты диссертационной работы использовались при разработке ОСМ и ЗБ-моделей для интерактивного технического руководства по сборке узлов и агрегатов автомобиля (для ООО «Техстанко»), системы ситуационного моделирования, системы управления движением магнитной капсулы эндоскопа (по проекту РФФИ № 09-08-00123-а), медицинского тренажера для проведения операции стентирования (для ООО «Техстанко»), пула свободных производственных мощностей предприятий виртуальной корпорации (по государственному контракту ГК № 02.740.11.0488), установки послойного синтеза деталей из металлических порошков (для ОАО НИАТ, тема 09-64М).

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты были использованы при реализации следующих проектов:

1. Разработка интерактивного учебного пособия по сборке узлов и агрегатов автомобиля для профильных учебных заведений г. Москвы (совместный проект с ООО «Техстанко»).

2. Медицинский тренажер для освоения операции стентирования (Научно-практический центр интервенционной кардиоангиологии).

3. Создание гетерогенной распределенной компьютерной системы для управления в реальном времени децентрализованными высокотехнологичными производствами, объединенными в виртуальные корпорации (государственный контракт ПС №02.740.11.0488).

4. Разработка установки послойного синтеза деталей из металлических порошков (для ОАО НИАТ, тема 09-64М).

5. Разработка теории магнитной локации и управления движением магнитной капсулы эндоскопа и создание макета измерительно-управляющего комплекса с капсулой (проект РФФИ № 09-08-00123-а).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской молодежной конференции по проблемам управления ВМКПУ'2008 (ИЛУ РАН, 2008), IV Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Проблемы управления и информационные технологии ПУИТ'08» (Казань, 2008 г.), Семинаре молодых ученых ИЛУ РАН 2009 (ИЛУ РАН, 2009), III Отраслевой научно-технической конференции (МТУСИ, 2009), VIII-X Международных конференциях «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта CAD/CAM/PDM» (ИПУ РАН, 2008, 2009 и 2010 гг.), Семинаре молодых ученых ИПУ РАН (ИПУ РАН, 2010).

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации опубликованы в 18 печатных работах, среди которых 3 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ ([1-3] в списке публикаций по теме диссертации).

Основное содержание работы.

Во введении рассматриваются понятие ИСОГМ, а также история и современные тенденции развития средств их создания. Показана актуальность задачи совершенствования средств структурного проектирования таких систем и создания инструментальных средств для их построения.

В главе 1 проведен анализ современных методов структурного проектирования программно реализованных систем. Выделены основные достоинства и недостатки проанализированных методов. Показано, что на сегодняшний день практически не существует методов, непосредственно предназначенных для синтеза структур ИСОГМ. Доказано, что наиболее пригодным для ИСОГМ методом, основанном на формализованном синтезе структур, является метод Е.И. Артамонова [37], разработанный вначале для проектирования цифровых устройств и развитый им в последующем применительно к программному обеспечению САПР и к структурам виртуальных производств. Метод Е.И. Артамонова был выбран автором в качестве базового при разработке метода синтеза структур ИСОГМ.

В главе 2 рассмотрен разработанный метод синтеза структур ИСОГМ. Введены понятия «локальный алгоритм» и «локальная структура». Подробно описаны операции со структурами алгоритмов функционирования ИСОГМ. Определены правила объединения локальных алгоритмов, а также критерии выбора лучшей программной реализации алгоритма функционирования ИСОГМ. В основных выводах по главе 2 указаны отличительные особенности разработанного метода.

В главе 3 представлены анализ и классификация структур данных ЗБ-моделей, полученные аналитические соотношения для оценки сложности их программной реализации, а также инструментальные средства для разработки специализированных ИСОГМ. В результате проведенного анализа установлено, что, в основном, все современные геометрические процессоры поддерживают несколько основных типов структур данных ЗБ-моделей. В качестве инструментальных средств была построена обобщенная сетевая модель для проектирования специализированных ИСОГМ, а также база данных ЗЭ-моделей.

В главе 4 представлены разработанные алгоритмы функционирования специализированных ИСОГМ, синтезированы структуры их программной реализации, создано программное обеспечение. Были разработаны следующие специализированные ИСОГМ:

- интерактивное учебное пособие для изучения узлов и агрегатов автомобиля;

- медицинский тренажер для освоения операции стентирования;

- система ситуационного моделирования;

- система виртуальной настройки роботов;

- пул свободных производственных мощностей предприятий виртуальной корпорации;

- система управления магнитной капсулой эндоскопа;

- геометрический процессор установки послойного синтеза.

В Заключении приводятся общие выводы по диссертационной работе.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 115 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 65 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 55 наименований.

4.8 Основные выводы главы 4

1. На основе ОСМ, представленной на рис. 3.12, разработаны структуры специализированных ИСОГМ.

2. Разработана структура и выполнена реализация геометрического процессора для реконструкции и геометрических преобразований ЗО-моделей из разработанной базы данных.

3. В результате разработки специализированных ИСОГМ, определен класс задач ЗО-моделирования, которые можно решать при помощи созданных инструментальных средств.

4. Подтверждена пригодность разработанного метода синтеза для построения систем геометрического моделирования, работающих в интерактивном режиме.

109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные теоретические и практические результаты.

1. Проведен анализ методов структурного проектирования систем. Показано, что такие методы, как ШЕБО, ЦМЬ, АШБ не предлагают формальную процедуру декомпозиции и синтеза структур интерактивных систем объемного геометрического моделирования. Разработан МСС — метод синтеза структур интерактивных систем объемного геометрического моделирования, позволяющий формализовать решение задачи построения и оценки этих структур.

2. Проведена классификация структур данных ЗБ-моделей по точности представления и способам кодирования информации. Проведен анализ более 100 существующих структур данных ЗБ-моделей.

3. Разработаны аналитические соотношения для оценки сложности кодирования наиболее распространенных структур данных.

4. Разработан принцип построения ОСМ специализированных ИСОГМ, учитывающий возможные варианты программной реализации алгоритмов ЗБ-моделирования.

5. Созданы инструментальные средства разработки ИСОГМ, на основе которых построены специализированные ИСОГМ для машиностроения (сборочный тренажер, система виртуального программирования роботов) и медицины (тренажер по стентированию кровеносных сосудов, прототип системы магнитной локации и управления капсулой эндоскопа).

110

1. Артамонов, Е.И. Анализ и синтез архитектуры сложных программных систем Текст. / Е.И. Артамонов, В.В. Макаров // Приборы и системы. — 2000. №7. - С.22-29.

2. Артамонов, Е.И. Варианты структурной организации систем проектирования РЭА Текст. / Е.И. Артамонов, В.Ю. Высоких; под ред. Е.И. Артамонова // Материалы 6-й международной конференции CAD/CAM/PDM. М.: ИПУ РАН, 2006. - С. 137-143.

3. Артамонов, Е.И. Особенности синтеза архитектуры и классификация интерактивных систем Текст. / Е.И. Артамонов // Труды II Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления (SICPO'03)». М.: ИПУ РАН, 2003. - С. 1664-1687.

4. Артамонов, Е.И. Синтез структур специализированных средств машинной графики Текст. / Е.И. Артамонов, В.М. Хачумов; Академия наук СССР, Институт проблем управления. М.: ИПУ, 1991. - 144 с.

5. Артамонов, Е.И. Структурное проектирование систем Текст. // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2008. — №2.-С. 3-11.

6. Басов, К. А. С ATI A V5. Геометрическое моделирование Текст. / К.А. Басов. М.: ДМК Пресс, 2008. - 268 с.

7. Большаков, В. П. 3D-моделирование в AutoCAD, KOMIIAC-3D, SolidWorks, Inventor, T-Flex Текст. / В. П. Большаков, А. Л. Бочков,

8. A.A. Сергеев. СПб.: Питер, 2010. - 336 с.

9. Борн, Г. Форматы данных Текст. / Гюнтер Борн [перевод с немец.]. -СПб.: BHV, 1995.-472 с.

10. Буч, Г. Язык UML: Руководство пользователя Текст. / Грейди Буч, Джеймс Рамбо, Айвар Джекобсон [перевод с англ.]. СПб.: ДМК Пресс, 2007. - 496 с.

11. Буч, Г. UML. Классика CS. Текст. / Г. Буч, А. Якобсон, Д. Рамбо [под общей редакцией проф. С. Орлова]. 2-е изд. [перевод с англ.]. - СПб.: Питер, 2006.-736 с.

12. Быков, A.B. ADEM CAD/CAM/TDM. Черчение, моделирование, механообработка Текст. / A.B. Быков, В.В. Силин, В.В. Семенников,

13. B.Ю. Феоктистов. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 320 с.

14. Гантмахер, Ф.Р. Теория матриц Текст. / Ф.Р. Гантмахер. М.: Наука, 1967. - 576 с.

15. Гилой, В. Интерактивная машинная графика Текст. / В. Гилой; перевод с англ. М.: Мир, 197681. - 384 с.

16. Гома, X. UML. Проектирование систем реального времени, распределенных и параллельных приложений Текст. / X. Гома; перевод с англ. М.: ДМК, 2002. - 704 с.

17. Гончаров, П.С. NX для конструктора-машиностроителя Текст. / П.С. Гончаров, М.Ю. Ельцов, С.Б. Коршиков, И.В. Лаптев, В.А. Осиюк. -М.: ДМК, 2010.-504 с.

18. ГОСТ 19.701-90. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения Текст. Введ. 1992—01— 01. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - IV, 24 е.: ил.; 29 см.

19. Грэхем, И. Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика Текст. / Иан Грэхем. 3-е изд. [перевод с англ.]. - М.: Вильяме, 2004. — 880 с.

20. Иноземцев, А. Н. Геометрическое моделирование в конструкторско-технологической подготовке производства Текст. / А.Н. Иноземцев, Д.И. Троицкий // Журнал «Прикладная геометрия». 2001. - №4. - М.: Изд-во МАИ, 2001. - С. 57-66.

21. Известия: российская общественно-политическая и деловая ежедневная газета Текст. / учредитель и издатель ОАО «Известия». 2010, июнь — 10. - М., 2010. - 18 полос. - Ежеднев.

22. Каменова, М. Моделирование бизнеса. Методология ARIS: практическое руководство / М. Каменнова, А. Громов, М. Ферапонтов, А. Шматалюк. — М.: Весть-МетаТехнология, 2001. 327 с.

23. Колесов, Ю.Б. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем Текст. / Ю.Б. Колесов. СПб.: Изд-во СПбГГТУ, 2004. - 239 с.

24. Колчин, А.Ф. Управление жизненным циклом продукции Текст. / А.Ф. Колчин, М.В. Овсянников, А.Ф. Стрекалов, C.B. Сумароков. -М.: Анахарсис, 2002. 304 с.

25. Кузьмик, П. К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии Текст. / И. П. Норенков, П. К. Кузьмик. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 320 с.

26. Мюррей, Д. SolidWorks Текст. / Дэвид Мюррей [перевод с англ.]. М.: Лори, 2009. - 728 с.

27. Никулин, Е.А. Основы теории автоматического управления. Частотные методы анализа и синтеза систем: учебное пособие Текст. / Е. А. Никулин. 2-е изд., испр. и доп. - СПб.: BHV, 2000. - 640 с.

28. Ньюмен, У. Основы интерактивной машинной графики Текст. / У. Ньюмен, Р. Спрулл; перевод с англ. М.: Мир, 1976. - 573 с.

29. Порев, В.Н. Компьютерная графика Текст. / В.Н. Порев, Т.А. Блинова; под ред. В.Н. Порева. Киев: Юниор, 2005. — 520 е.; ил.

30. САПР и графика: журнал Текст. / Учредитель ООО "КомпьютерПресс"; гл. ред. Д.Г. Красковский. 2001. - №8. - М.: КомпьютерПресс, 2001. -104 с. - Ежемес.

31. Соломенцев, Ю.М. Информационно-вычислительные системы в машиностроении. CALS-технологии Текст. / Ю.М. Соломенцев. М.: Наука, 2003. - 292 с.

32. Степанов, Н.В. Pro/Engineer 2000i. Курс пользователя Текст. / Н.В Степанов, А.А Голованов. М.: Компьютер Пресс, 2007. - 192 с.

33. Страуструп, Б. Язык программирования С++ Текст. / Бьерн Страуструп. спец. издание [перевод с англ.]. - М., СПб.: Бином, Невский Диалект, 2008. - 1104 с.

34. Судов, Е.В. Технологии интегрированной логистической поддержки изделий машиностроения Текст. / Е.В. Судов, А.И. Левин, А.В. Петров, Е.В. Чубарова. М.: Информбюро, 2006. - 232 с.

35. Черемных, С.В. Структурный анализ систем: IDEF-технологии Текст. / С.В. Черемных, И.О. Семенов, B.C. Ручкин. М: Финансы и статистика, 2001.-208 с.

36. Шмуллер, Д. Освой самостоятельно UML 2 за 24 часа: практическое руководство Текст. / Джозеф Шмуллер [перевод с англ.]. М.: Вильяме, 2005.-416 с.

37. Artamonov, E.I. Automation of digital device structure design Текст. / E.I. Artamonov // B-215, ACTA IMEKO, 1973. P. 561-570.

38. Booch, G. Object Solutions: Managing the Object-Oriented Project Текст. / Grady Booch. Boston: Addison-Wesley, 1995. - 336 p.

39. Coad, P. Object-oriented analysis Текст. / Peter Coad, Edward Yourdon; edited by A. Hutt. 1st edition. - Englewood Clifs, New Jersey: Prentice Hall, 1990.-200 p.

40. Coad, P. Object-oriented analysis Текст. / Peter Coad, Edward Yourdon. — 2nd edition. Englewood Clifs, New Jersey: Prentice Hall, 1991. - 215 p.

41. Connor, M. Structured Analysis and Design Technique SADT Текст. / M. Connor // Auerbach portfolio 32-04-02. - 1979.

42. Gibson, M.L. The CASE Philosophy Текст. // BYTE. 1989. - April. - P. 209-218.

43. Heiman, D. Worldwide Analysis, Modeling, Design and Construction Tools Competitive Analysis 2003. 2002 Shares and Current Outlook Электронный ресурс. / D. Heiman; IDC [Framingham, 2003]. URL: http://www.idc.com (дата обращения: 01.30.2010).

44. IEEE Std 1209-1992. IEEE Recommended Practice for the Evaluation and Selection of CASE Tools Электронный ресурс. / IEEE Standard Association. URL: http://standards.ieee.org (дата обращения: 03.03.2010).

45. IEEE Std 1348-1995. IEEE Recommended Practice for the Adoption of Computer-Aided Software Engineering (CASE) Tools Электронный ресурс. / IEEE Standard Association. URL: http://standards.ieee.org (дата обращения: 05.03.2010).

46. Integrated Computer-Aided Manufacturing (1СAM) Final Report: Function Modeling Manual (IDEFO) Текст. / SofTech, Inc. // contract no. F33612-78-C-5158. 1981.

47. Integration Definition For Function Modeling (IDEFO) Текст. / National Institute of Standards and Technology. Washington: Draft Federal Information, 1993.

48. Jacobson, I. Object-Oriented Software Engineering: A Use Case Driven Approach (ACM Press) Текст. / Ivar Jacobson, Magnus Christerson, Patrik Jonsson, Gunnar Overgaard. Revised Printing. - New York: Addison-Wesley, 1994.-529 p.

49. Jet Info: Информационный бюллетень Электронный ресурс. 2004. №4. URL: http://www.jetinfo.ru/2004 (дата обращения: 15.09.2009).

50. Kirtsner, R. Worldwide Analysis, Modeling, and Design Tools Forecast and Analysis 2002-2006 Электронный ресурс. / Rik Kirtsner; IDC [Framingham, 2002]. URL: http://www.idc.com (дата обращения: 01.25.2010).

51. Larman, С. Applying UML and Patterns: An Introduction to Object-Oriented Analysis and Design and Iterative Development Текст. / Craig Larman. 3rd Edition. - Englewood Clifs, New Jersey: Prentice Hall, 2005. - 736 p.

52. Mandelbrot, B. The Fractal Geometry of Nature Текст. / Benoi't Mandelbrot. NY: W.H. Freeman and Co., 1977. - 462 p.

53. Rumbaugh, J. Object-Oriented Modeling and Design Текст. / J. Rumbaugh, M. Blaha, W. Premerlani, F. Eddy, W. Lorensen. Englewood Clifs, New Jersey: Prentice Hall, 1991 - 459 p.

54. Starr, L. How to Build Shlaer-Mellor Object Models Текст. / Leon Starr. -Englewood Clifs, New Jersey: Prentice Hall, 1996. 448 p.