автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Виртуальный полигон для исследования морских объектов в экстремальных условиях эксплуатации

Безгодов Алексей Алексеевич

ВИРТУАЛЬНЫЙ ПОЛИГОН ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ИЮН 2011

Санкт-Петербург — 2011

4851210

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики на кафедре информационных систем

Научный руководитель: доктор технических наук

Бухановский А.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Якобовский М.В.

доктор технических наук, профессор Палташев Т.Т.

Ведущая организация: Московский физико-технический институт

(государственный университет)

Защита состоится 6 июля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета

Д 212.227.06 в СПбГУ ИТМО по адресу:

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 6 июш 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Лисицына Л.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возможности изучения поведения сложных технических систем в экстремальных ситуациях экспериментальными методами существенно ограничены. Потому в настоящее время для этих целей активно применяется компьютерный эксперимент в реальном времени. Для интерпретации его результатов привлекаются технологии виртуальной реальности (BP), обеспечивающие «погружение» исследователя в моделируемое явление с возможностью всестороннего наблюдения и анализа воспроизводимых закономерностей реального мира. В свою очередь, это стимулирует развитие нового класса проблемно-ориентированных программных комплексов для проведения вычислительного эксперимента — виртуальных полигонов (ВП) для поддержки принятия решений в различных областях науки и промышленности1. Процесс проектирования и разработки ВП требует совокупного учета особенностей методов компьютерного моделирования в конкретной предметной области и соответствующих возможностей технологий BP, включая специфику аппаратной реализации. Это достигается путем адаптации математических моделей для формирования предметно-зависимых визуальных динамических сцен с высоким уровнем реалистичности и достоверности. В отечественной науке существенный вклад в развитие теоретических основ и практических решений в области технологий виртуальных полигонов внесен научными школами C.B. Клименко, H.H. Шаброва, М.В. Якобовского, Ю.М. Баяковского, М.В. Михайлюка, и ряда других исследователей.

Технологии ВП наиболее востребованы в направлениях, где проведение полномасштабных экспериментов экономически невыгодно или связано с существенными рисками. К таким областям, в частности, относится проектирование судов и технических средств освоения океана с повышенными требованиями к безопасности мореплавания, что требует изучения их поведения в разного рода аварийных ситуациях. Несмотря на то, что развитие аварийной ситуации является сложным многовариантным процессом, ретроспективный анализ известных инцидентов позволяет выделить условия, способствующие их возникновению, например, параметрические резонансы разной природы, потеря управляемости на гребне волны, захват судна волной (брочинг). В свою очередь, развитие каждой из вышеперечисленных ситуаций может усложняться за счет внутренних факторов (смещение навалочного груза, затопление отсеков, интенсивное обледенение и пр.). Как следствие, разнообразие и неоднозначность влияния экстремальных условий эксплуатации ограничивает возможности постановки экспериментов в опытовых бассейнах, и требует развития соответствующих проблемно-ориентированных программных комплексов на основе технологии ВП, что и определяет актуальность темы диссертации.

1 Sloot P.M.A., Frcnkel D., Van der Vorst H.A. et at. Computational e-Science: Studying complex systems in silico. A National Coordinated Initiative. White Paper, February 2007. fhttp^/www.science.uvn.nl/researeh/scs/papers/archive/S!oot2007a.pdfl

Предметом исследования является технология создания ВП применительно к задачам исследовательского проектирования морских объектов (МО) — судов и средств освоения океана.

Целью работы является развитие методов формирования предметно-ориентированных динамических сцен на основе компьютерного моделирования экстремальной динамики МО под воздействием нерегулярных внешних возмущений и разработка на их основе соответствующего математического и программного обеспечения ВП.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели подразумевает решение следующих задач:

• Анализ существующих математических моделей поведения МО в экстремальных условиях эксплуатации, исходя из их применимости для формирования динамических сцен в ВП.

• Разработка метода численного моделирования экстремальной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении с адаптацией к специфике использования в составе ВП, его алгоритмическая и программная реализация.

• Разработка метода формирования динамических сцен на основе численного моделирования динамики внешней среды и МО, и его адаптация для широкоэкранных систем ВР.

• Проектирование, разработка и отладка программного комплекса ВП, его развертывание на аппаратной инфраструктуре Центра ситуационного моделирования и визуализации (ЦСМВ)2.

• Апробация ВП для проведения компьютерных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и параметрического резонансов, а также в условиях брочинга.3

Методы исследования включают в себя методы вычислительной гидромеханики, теории вероятностей, математической статистики и имитационного моделирования, анализа алгоритмов и программ, обработки изображений и научной визуализации.

Научную новизну результатов работы определяют:

• Использование метода прямого моделирования динамики МО с шестью степенями свободы в нелинейной постановке, позволяющего унифицировать проведение компьютерного эксперимента для различных классов экстремальных явлений с возможностью интерактивного управления средствами ВП.

• Формирование реалистичных динамических сцен за счет применения метода численного интегрирования уравнений динамики МО на основе случайных сеток, обеспечивающих компенсацию ошибки вычислений и балансировку вычислительной нагрузки в условиях реального времени.

2 ЦСМВ - пешр коллективною пользования СПбГУ ИТМО

3 Неуправляемый разворот судна вследствие «захвата» волной, сопровождаемый сильным динамическим креном

Практическую ценность работы составляют:

• Комплект программной и эксплуатационной документации на программную систему для моделирования и визуализации динамики МО в экстремальных условиях эксплуатации4.

• Программно-аппаратный комплекс ВП БЫрХ-ВБ, функционирующий на базе ЦСМВ СПбГУ ИТМО.

На защиту выносятся:

• Метод формирования визуальных динамических сцен на основе численного моделирования нелинейной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении.

• Архитектура программного комплекса ВП для исследования МО в экстремальных условиях эксплуатации с поддержкой аппаратных возможностей широкоэкранных систем ВР.

Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается строгостью наложенных ограничений предметной области, валидацией результатов моделирования путем сопоставления с классическими моделями корабельной гидродинамики, исследовательскими испытаниями работоспособности программно-аппаратного комплекса ВП на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО, а также воспроизводимостью ряда нелинейных эффектов экстремальной динамики судна в ходе компьютерного эксперимента.

Внедрение результатов работы. Результаты работы нашли свое применение при выполнении проектов «Интеллектуальная система навигации и управления морским динамическим объектом в экстремальных условиях эксплуатации», «Интеллектуальные технологии поддержки процессов исследовательского проектирования судов и технических средств освоения океана», «Высокопроизводительный программный комплекс моделирования динамики корабля в экстремальных условиях эксплуатации», «Инструментальная технологическая среда для создания распределенных интеллектуальных систем управления сложными динамическими объектами» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, «Распределенные экстренные вычисления для поддержки принятия решений в критических ситуациях» в рамках реализации постановления Правительства РФ №220 «О мерах по привлечению ведущих учёных в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования», «Создание распределенной вычислительной среды на базе облачной архитектуры для построения и эксплуатации высокопроизводительных композитных приложений» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства». Результаты работ внедрены в производственную деятельность ЗАО «Фирма "АйТи". Информационные технологии».

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на восьми международных и всероссийских научных конференциях, семинарах

4 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011611381-2011

и совещаниях, включая Всероссийскую научно-техническую конференцию «Интеллектуальные и информационные системы» (2009 г., Тула); IX и X ежегодные Международные конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (2009 г., Владимир; 2010 г., Пермь); XVII Всероссийскую научно-методическую конференцию «Телематика 2010» (2010 г., Санкт-Петербург); V, VII Межвузовские конференции молодых ученых (2008 г., 2010 г., Санкт-Петербург); Всероссийскую конференцию «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (2010 г., Нижний Новгород), IV Международную конференцию по информатике MEDIAS (2011 г., Лимасол, Кипр).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ (из них 4 — в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ).

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключался в выполнении аналитического обзора в проблемной области диссертационной работы, адаптации метода моделирования динамики судна на нерегулярном волнении к задаче формирования динамических сцен, проектировании, разработке и развертывании виртуального полигона, а также проведении серии экспериментов по воспроизведению таких экстремальных явлений, как основной и параметрический резонанс и брочинг. В диссертацию включены результаты, соответствующие личному участию автора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (99 наименований). Содержит 126 с. текста, включая 45 рис. и 1 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются цель и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор моделей динамики внешней среды и ее воздействия на МО применительно к задачам ВП. Для описания стохастической изменчивости внешней среды (ветра и волнения) рассматривается обобщенный подход на основе композиции набора разномасштабных моделей в мелкомасштабном, синоптическом, сезонном и межгодовом диапазонах изменчивости. Для общего описания ветро-волнового климата используется понятие климатического спектра, соответствующего определенному синоптическому состоянию с заданной режимной обеспеченностью. Климатический спектр позволяет идентифицировать параметры модели мелкомасштабной изменчивости поля морского волнения в двух альтернативных постановках: на основе уравнений авторегрессии-скользящего среднего и в форме разложений со случайными параметрами. В свою очередь, модели расчета динамики МО под воздействием внешних возмущений можно условно разделить на четыре класса по способу

использования информации о внешних воздействиях: спектральные модели (в частотной области), асимптотические стохастические модели (во временной области), нелинейные модели на основе интегрирования уравнений движения, имитационные модели динамики судна, основанные на прямом решении задач гидромеханики с вычислением характеристик сплошной среды со взволнованной поверхностью.

Для использования в составе ВП необходим согласованный выбор методов моделирования динамики МО и внешней среды. Основной задачей ВП является создание высокореалистичных динамических сцен, что обеспечивает естественное восприятие пользователем моделируемых процессов в режиме реального времени. При этом должна обеспечиваться возможность гибкой настройки параметров моделей и сценариев численных экспериментов путем интерактивного управления динамической сценой в процессе моделирования. Как следствие, это существенно ограничивает применение традиционных видов моделей динамики МО. Нелинейные модели, основанные на дифференциальных уравнениях классической механики относительно главных сил и моментов, в основном адаптированы под отдельные классы экстремальных задач за счет введения соответствующих нелинейных членов; они не обеспечивают необходимую гибкость управления при проведении эксперимента. Напротив, полные гидродинамические модели5, основанные на численном решении уравнений Навье-Стокса, лишены этого недостатка; однако их реализация существенно более ресурсоемка. Как следствие, для использования в составе ВП в диссертационной работе рассмотрен класс комбинированных моделей, основанных на уравнениях классической механики, основные силы и моменты в которых определяются путем интегрирования гидростатического и гидродинамического давления по корпусу МО в каждый момент времени. Как следствие, это определяет выбор класса методов моделирования динамики внешней среды в сторону разложений со случайными параметрами (модель Лонге-Хиггинса). Это связано с тем, что конкурирующий с ним класс авторегрессионных моделей не позволяет напрямую рассчитывать поле гидростатического и гидродинамического давления под взволнованной поверхностью моря; также он не эффективен для использования на нерегулярных сетках. Таким образом, проведенный анализ позволил обосновать основные методические решения, применяемые в ВП, ориентированных на исследование поведения МО в экстремальных условиях эксплуатации.

Вторая глава посвящена развитию метода численного моделирования динамики МО с шестью степенями свободы на трехмерном нерегулярном волнении применительно к задачам ВП. Это обусловлено тем, что интерактивная высокореалистичная визуализация требует применения адаптированных моделей и методов, ориентированных на воспроизведение основных качественных эффектов с разумным уровнем точности для широкого диапазона условий эксперимента, с временными затратами, обеспечивающими использование в режиме реального времени. Поскольку структура традиционных моделей динамики МО в форме идеализированных уравнений

5 Класса Numerical Tank

движения существенно различается для воспроизведения разных экстремальных ситуаций (что ограничивает области их применения), в данной работе использован прямой метод, основанный на вычислении главных сил и моментов непосредственным интегрированием по мгновенной погруженной поверхности корпуса объекта 5:

F = ■

JI pndS - J j HvdS ,5 J L S

+ D + F,

ext

M =

x (r - p)dS

JJ(Hv)x(r-p)dS

+ M,

ext

(i)

(2)

Ls J L s

Здесь D — весовое водоизмещение объекта, p — гидростатическое и гидродинамическое давление воды в точке, п — нормаль к поверхности, г — радиус-вектор точки поверхности в глобальных координатах, р — положение объекта в пространстве, определяемое шестью степенями свободы, Н\ — демпфирующая сила, действующая на единицу поверхности корпуса объекта, v — скорость частиц вдоль поверхности судна в точке интегрирования. F^ и Me,, — дополнительные сила и момент (внешнее управление).

Сила F и момент М рассматриваются относительно редуцированных масс и моментов инерции объекта, включающих в себя собственные и присоединенные составляющие. Структура выражений для демпфирующей силы и гидродинамической составляющей давления соответствует ньютоновским принципам гидродинамики; коэффициенты

пропорциональности определяются экспериментально по записям затухающих колебаний.

В каждый момент времени t граница погруженной поверхности S(t) определяется, исходя из мгновенного профиля взволнованной поверхности моря, задаваемой моделью Лонге-Хиггинса, идентифицируемой по частотно-направленному спектру волнения £(к), где к — волновой вектор. Несмотря на относительно слабую сходимость модели, ее достоинством является возможность наглядной гидродинамической интерпретации с точки зрения определения волновых давлений р в терминах вертикальных смещений частиц жидкости hw на глубине d:

hw(t,p,d) = ]Г]схр(-|kij|ci)ai!jcos(p ■ ку - + öi:j)

»v7

p(i,p,d) = yhw{t,p,d) + d-y

(3)

(4)

Здесь а,у — коэффициенты модели Лонге-Хиггинса, определяются по спектру волнения, к — волновой вектор, — равномерно распределенные случайные фазы, со = &>(к) — дисперсионное соотношение для волн малой амплитуды, у — объемный вес воды, р — радиус-вектор произвольной точки в плоскости тихой воды.

Значения главных сил (1) и моментов (2) в каждый момент времени I позволяют определить пространственные линейную и угловую скорости перемещения судна. При этом модель (1-4) является достаточно удобной для целей интерактивной визуализации: она позволяет в реальном времени с достаточной точностью воспроизводить динамику МО с учетом всех шести степеней свободы.

Дополнительные сила и момент ¥ех, и в выражениях (1-2)

используются для моделирования внешних воздействий (ветровой шквал, удар разрушающейся волны) и управляющих сил (перекладка руля, работа движителя). Как следствие, это позволяет придать задаче управления процессом визуализации в рамках модели (1-2) ясную физическую интерпретацию: нестационарные изменения режимов движения объекта (например, поворот на заданный курс) осуществляются путем приложения дополнительных сил, направление и интенсивность которых задается в сценарии модельного эксперимента или наблюдателем посредством манипулятора системы ВР.

Аналитическое вычисление значений выражений (1-2) при заданных характеристиках входных воздействий (4) возможно только для модельной формы корпуса, например, задаваемой эллипсоидом вращения. В общем случае при произвольной геометрии морского объекта соответствующие интегралы рассчитываются численно по квадратурным формулам типа Маркова с локально распределенными случайными узлами, перестраиваемыми на каждом шаге /. Такой подход позволяет компенсировать невязку, вызванную дискретным характером сетки, при аппроксимации непрерывно изменяющегося мгновенного профиля ватерлинии. Однако использование случайных сеток при интегрировании (1-2) приводит к численному дрейфу — незначительному, случайному на каждом шаге моделирования смещению судна под действием некомпенсированных сил, возникающих по причине случайного распределения узлов. В табл. 1 приведены результаты оценки смещения (м) в продольном £ и поперечном щ направлениях для судна с длиной 40 м, шириной 7 м, осадкой 2 м в течение одной минуты модельного времени на тихой воде. Из таблицы видно, что численный дрейф, вносимый случайным характером сетки, незначителен. При достаточно высокой плотности точек численный дрейф не оказывает существенного влияния на процесс моделирования.

Таблица 1

Характеристики численного дрейфа в зависимости от размера сетки N

Кол-во узлов сетки (И) 500 1000 2000 4000

Ошибка по с, м 0.6 0.5 0.4 0.3

Ошибка по г], м 2.0 1.5 1.5 1.0

Скорость по с, м/с 0.01 0.008 0.007 0.005

Скорость по г], м/с 0.03 0.025 0.025 0.017

Плотность точек, 1/м2 1 2 4 8

Дополнительным преимуществом использования случайных сеток является возможность эффективной балансировки вычислительной нагрузки при распараллеливании вычислений интегралов в (1) и (2) за счет рандомизации выбора узлов из общей памяти.

Третья глава описывает архитектуру программно-аппаратного комплекса ВП и основные технологические приемы, используемые при формировании динамических сцен. В целом ВП предоставляет набор механизмов для проведения виртуальных экспериментов, которые обеспечивают настройку параметров моделирования, создание сценариев модельных экспериментов, интерактивную визуализацию результатов моделирования в моно- и стерео-режимах, экспорт расчетных данных для последующей обработки в математических пакетах.

Программный комплекс ВП состоит из следующих программных компонентов:

• Ядро представляет собой фреймворк, включающий библиотеку математических функций, интерпретатор Lúa, интерфейс операционной и файловой системы, систему конфигурирования, а также функционал для работы с устройствами ввода.

• Библиотека поддержки визуализации не зависит от используемого графического API и предоставляет функции по работе с изображениями, полигональными сетками и предрасчитанными анимациями (например, анимация камеры или механизированных элементов судна, таких как винты, рули, подвижные элементы надстройки).

• Графическая подсистема позволяет визуализировать собственно объекты, водную поверхность, отладочную информацию и текст, используя современные технологии синтеза высококачественного изображения (технологии освещения, построения теней, отражения, преломления и затуманивания по удалению).

• Звуковая подсистема обеспечивает воспроизведение как стерео- и квадрофонического звука, так и трехмерных позиционированных звуков с учетом эффекта Доплера и эффектов окружения (эхо, реверберация и т.д.).

• Подсистема имитационного моделирования представляет собой расширяемую библиотеку сущностей и параметров окружения. В число сущностей входят такие классы, как «Таймер» и «Корабль», к числу параметров окружения относятся параметры морского волнения. Также подсистема имитационного моделирования предоставляет ряд функций, которые могут быть использованы для написания сценариев на языке Lúa и настройки интерактивного взаимодействия пользователя и ВП.

Технологии визуализации объектов в соответствии с заданным законом движения в настоящее время достаточно хорошо проработаны. Однако для создания эффекта «погружения» в ВП необходимо дополнительно отображать визуально бесконечную водную поверхность, простирающуюся от точки наблюдения до горизонта. С этой целью была применена технология неравномерных сеток, привязанных к камере. Она позволяет компоновать сеточную область из трех частей (рис. 1). Область «А» (дно) используется для

маркировки буфера трафарета при отображении раздела сред, область «В» (область интенсивного волнения) применяется для отображения собственно волн в соответствии с моделью (3), а область «С» (область горизонта) находится достаточно далеко от наблюдателя — в ней видимой высотой волн в процессе визуализации можно пренебречь. В процессе визуализации центр такой сетки всегда находится под или над камерой. Поворот камеры на ориентацию сетки в пространстве не влияет. Вертикальная координата вершин в области «В» модифицируется вершинным шейдером в соответствии с моделью волнения. При этом высота волн плавно уменьшается по мере увеличения расстояния от наблюдателя. Область интенсивного волнения формируется путем рекурсивного подразбиения центральной части сетки размером 4x4 ячейки с последующим сглаживанием методом Катмулла-Кларка. Такой подход создает непрерывный переход от областей с большей детализацией поверхности к областям с меньшей детализацией.

Рис. 1. Сетка для отображения морской поверхности. Слева - общая структура сетки, справа - сетка области интенсивного волнения

(обозначения - по тексту)

Ординаты взволнованной поверхности вычисляются по формуле (3) с использованием БПФ" по технологии CUDA на GPU и передаются в вершинный шейдер как двумерная текстура. Дополнительно при закрашивании водной поверхности учитывается частичное отражение Френеля (только небо, см. рис. 1В), и частичное преломление с затуханием по глубине (см. рис. 1С). В рамках используемой технологии визуализации камера может находиться не только над водой, но и под водой, а также на границе сред. Для корректного отображения границы сред используется буфер трафарета с целью маркировки погруженной в воду плоскости экрана и последующим применением эффекта затуманивания (рис. 2А).

Дополнительным аспектом отображения визуальных свойств водной поверхности является воспроизведение расходящихся корабельных волн при движении плавучего МО. Поскольку нелинейная задача расчета корабельных волн в полной постановке является существенно более ресурсоемкой по

6 Быстрое преобразование Фурье

сравнению с моделью (1-4), для создания визуального эффекта используется упрощенная модель, основанная на решении линейного уравнения колебаний на регулярной сетке. Начальное возмущение формируется в точках пересечения корпуса судна и морской поверхности, а величина возмущения определяется в зависимости от локальной линейной скорости точки судна относительно поверхности воды. Уравнение решается на GPU, результат решения уравнения как набор значений в текстуре передается в вершинный шейдер, после чего высота колебаний добавляется к высоте волн. В тех областях, где скорость частиц колеблющейся поверхности выше определенного значения, поверхность моря окрашивается в белый цвет, что создает визуальный эффект пенообразования (рис. 2D).

Рис. 2. Эффекты визуализации водной поверхности: раздел сред (А), отражение Френеля (В), затухание по глубине (С), корабельные волны (Б)

Программный комплекс ВП развернут и апробирован на базе системы BP ЦСМВ СПбГУ ИТМО. Система имеет недеполяризующий стерео-экран обратной проекции размером 3.35 х 2.0 м, изображение на котором формируется посредством шести HDTV DLP-проекторов Roxar Projectiondesign. Интерактивное взаимодействие с наблюдателем в системе BP обеспечивается с помощью манипулятора с шестью степенями свободы производства 3dconnexion серии Space Pilot. Создание и подготовка стереоизображения выполняются на рабочей станции HP Z800 с видеокартой nVidia Quadro FX 5800. Оборудование ЦСМВ и вид зала во время работы ВП показаны на рис. 3.

Рис. 3. Инфраструктура ЦСМВ СПбГУ ИТМО (слева направо, сверху вниз):

один из шести проекторов; серверные стойки с оборудованием; видеопроцессоры; общий вид рабочего зала ЦСМВ при использовании ВП

Дополнительным аспектом адаптации разработанной технологии к особенностям широкоэкранных систем BP является проблема «ступенчатости» изображений, которая обусловлена конечным размером пикселя. Например, для экрана системы BP ЦСМВ СПбГУ ИТМО размер пикселя при разрешении 1920x1080 будет составлять около 2 мм, что визуально ощутимо на небольшом расстоянии от экрана. Для того, чтобы устранить этот эффект и сделать изображение более реалистичным, применен метод морфологического сглаживания (Morphological Antialiasing, MLAA), который заключается в

анализе неразрывности изображения с последующим избирательным по направлению сглаживанием разрывов.

Испытания программно-аппаратного комплекса ВП продемонстрировали его принципиальную работоспособность на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУИТМО с возможностью воспроизведения различных экстремальных ситуаций в динамике МО и интерактивным управлением ходом эксперимента в реальном масштабе времени.

Четвертая глава посвящена апробации ВП путем проведения численных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и параметрического резонансов, а также в условиях брочинга.

Резонансные явления являются одной из наиболее характерных причин экстремальных ситуаций, связанных с интенсивными колебаниями МО в одной или нескольких плоскостях. Сама по себе сильная качка не представляет существенной угрозы для неповрежденного судна, но сказывается на обитаемости и эксплуатационных характеристиках. Однако нахождение судна в режиме основного или параметрического резонанса может стать причиной возникновения цепочки неблагоприятных последствий. Например, при сильной бортовой качке малого судна возможно резкое ухудшение остойчивости при попадании воды в палубный колодец, при килевой качке — сильный слеминг7 и пр. Избежать резонансных условий позволяет изменение скорости и (или) курса судна, обычно осуществляемое согласно операционной диаграмме.

Основной резонанс (ОР) качки обусловлен близостью характерных периодов волнения и собственных колебаний судна и хорошо предсказуем даже в линейном приближении. Напротив, параметрические резонансы (ПР) имеют более тонкую природу, связанную со взаимовлиянием различных видов качки; условия их возникновения не всегда очевидны. На рис. 4 представлены обобщенные результаты численных экспериментов, проведенных на ВП, в форме АЧХ8 бортовых колебаний МО лагом к волне, полученных при различных параметрах волнения. В силу того, что высота и период волн связаны регрессионной зависимостью, результаты расчетов представлены в безразмерном виде (в нормировке квантили амплитуды качки 90% вероятности #90% на СКО9 угла волнового склона). На графике присутствуют два пика, один из которых соответствует основному резонансу (частота колебаний равна частоте максимума спектра волн), а другой - параметрическому (частота максимума спектра волн в два раза больше частоты колебаний судна). Дополнительно на рис. 4 приведены аппроксимации результатов компьютерного эксперимента функцией Коши (для линейных систем) с отображением таких характеристик системы, как добротность Q и пиковая амплитуда А. На основании формы пика можно сделать вывод о большей частотной избирательности МО как колебательной системы в режиме параметрического резонанса бортовой качки лагом к волне.

7 Гидродинамический удар носовой части судна при продольной качке

8 Амплитудно-частотная характеристика

9 Среднеквадратичное отклонение

"»там, рад/с

Рис. 4. АЧХ МО в режиме параметрического резонанса бортовой качки лагом к волне

Рис. 5. АЧХ МО в режиме параметрического резонанса бортовой качки на встречном волнении

На рис. 5 приведены результаты компьютерного моделирования возникновения параметрического резонанса на встречном волнении в форме АЧХ бортовых колебаний при разных значениях скорости МО, при этом параметры морского волнения не менялись. Результаты расчетов показывают высокую степень избирательности судна как колебательной системы в режиме

параметрического резонанса бортовой качки на встречном волнении, а также демонстрируют нелинейный эффект, связанный со снижением резонансной скорости по мере роста амплитуды качки.

На рис. 6 приведен пример компьютерного эксперимента по воспроизведению эффекта брочинга — неуправляемого разворота судна лагом к волне, сопровождаемого сильным динамическим креном.

Рис. 6. Судно класса «буксир» в условиях брочинга (неуправляемый захват объекта волной)

Поскольку брочинг является нестационарным процессом, для анализа его воспроизводимости в условиях ВП рассматривалась выборка из 200 экспериментов с одинаковыми начальными условиями, но различными случайными реализациями поля волнения, что позволило классифицировать и описать основные условия его возникновения, исходя из диаграммы курса, угла крена, угловой скорости и высоты волны в точке, где находится судно. Пример типовой траектории судна и параметров волнения в условиях брочинга представлен на рис. 7.

Таким образом, результаты проведенных компьютерных экспериментов демонстрируют способность ВП воспроизводить такие существенно нелинейные режимы качки МО, как параметрические резонансы и брочинг, формирующие условия для возникновения экстремальных ситуаций при эксплуатации МО.

Траектория «¡и 12.83« 1В88,

Крен и курс

Высота волны

10 20 30 40 50 60

(,с

4,с

Угловая скорость

Рис. 7. Временные диаграммы параметров волнения, курса, угла крена, и типовая траектория судна в условиях брочинга

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: развит метод численного моделирования экстремальной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении, основанный на интегрировании гидродинамических сил и моментов в нелинейной постановке на случайных сетках, допускающий интерактивное управление процессом вычислений на ВП;

разработан метод формирования динамических сцен на основе численного моделирования динамики внешней среды и МО с учетом графических эффектов визуализации взволнованной поверхности моря и ее взаимодействия с корпусом объекта, адаптированный для применения в широкоэкранных системах ВР;

разработана и детализирована архитектура ВП для изучения динамики МО в экстремальных условиях эксплуатации на основе модульного подхода к построению систем интерактивной визуализации;

спроектирован и разработан программный комплекс ВП БЫрХ-ОБ, развернутый на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО и продемонстрировавший свою работоспособность в ходе компьютерных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и параметрического резонансов, а также в условиях брочинга.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Виртуальный полигон для исследования экстремальной динамики морских объектов на нерегулярном волнении [Текст] / Безгодов A.A., Бухановский A.B. // Известия вузов. Приборостроение. — 2011. — №05. — с. 98-100. [входит в перечень ВАК]

2. Визуализация динамики морских объектов в широкоэкранных системах виртуальной реальности [Текст] / Безгодов A.A., Загарских A.C., Бухановский A.B. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО / СПбГУ ИТМО.— 2011 .— Выпуск 73. — с. 84-88. [входит в перечень ВАК]

3. Высокопроизводительный программный комплекс моделирования динамики морских объектов в экстремальных условиях эксплуатации [Текст] / Безгодов A.A., Иванов C.B., Бухановский A.B. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2010. — Выпуск 70. — с. 125-127. [входит в перечень ВАК]

4. Реализация модели освещения Кука-Торренса с использованием технологии Deferred Shading [Текст] / Безгодов A.A., Стародубцев Э.В. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2008. — Выпуск 56. — с. 34-44. [входит в перечень ВАК]

5. Многослойное рельефное текстурирование: решение вопросов фильтрации и построения мягких теней [Текст] / Безгодов A.A. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2007. — Выпуск 39. — с. 130-140.

6. Модульный подход к построению визуализаторов для компьютерных моделей сложных систем // Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах. [Текст] / Иванов C.B., Безгодов A.A. // Материалы Девятой международной конференции-семинара. Владимир, 2-3 ноября 2009 г. — с. 186-190.

7. Разработка языка сценариев для систем виртуальной реальности [Текст] / Безгодов A.A., Тропченко А.Ю. // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Интеллектуальные и информационные системы». — Тула, 18-19 ноября 2009 г. — ТГУ. — с. 154-157.

8. Обратные задачи динамики корабля для визуализации экстремальных ситуаций в бортовых системах под держки принятия решений судоводителя [Текст] / Безгодов A.A., Иванов C.B., Бухановский A.B.// Сборник трудов XVII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика 2010». — Санкт-Петербург, 21-24 июня 2010 г. — с. 204-205.

9. Высокопроизводительный программный комплекс моделирования экстремальной динамики морских плавучих объектов [Текст] / Безгодов A.A., Иванов C.B., Косухин С.С. // Высокопроизводительные , параллельные вычисления на кластерных системах (НРС-2010): Материалы X Международной конференции: г. Пермь, 1-3 ноября 2010 г. / Пермский государственный технический университет. — Пермь, 2010. — с. 70-76.

Ю.Высокопроизводительный программный комплекс моделирования динамики корабля в экстремальных условиях эксплуатации «ShipX-DS». Безгодов A.A., Иванов C.B., Бухановский A.B. // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011611381. — 2011.

Формах 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 150 экз. Заказ № 65

Типография «Восстания -1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.

Введение

1 Технология виртуальных полигонов для моделирования сложных технических объектов и систем

1.1 Технология виртуальных полигонов.

1.2 Математические модели динамики внешней среды.

1.3 Математические модели динамики морских объектов

1.3.1 Классификация моделей динамики судов под воздействием внешних возмущений.

1.3.2 Спектральные линейные и линеаризованные модели динамики судна.

1.3.3 Нелинейные асимптотические модели динамики судна

1.3.4 Нелинейные численные модели динамики судна, основанные на уравнениях классической механики

1.3.5 Нелинейные численные модели динамики судна, основанные на уравнениях гидромеханики.

1.4 Технологии визуализации и виртуальной реальности

1.5 Постановка задачи.

1.6 Выводы по главе 1.

2 Численное моделирование динамики судна на нерегулярном волнении

2.1 Математическая модель нерегулярного волнения.

2.2 Математическая модель динамики судна на нерегулярном волнении.

2.3 Оценка влияния случайного характера сеток на расчет статических и динамических характеристик судна.

2.4 Идентификация модели.

2.5 Выводы по главе 2.

3 Программно-аппаратный комплекс виртуального полиго

3.1 Состав и общая архитектура ПАК.

3.2 Подсистема моделирования.

3.2.1 Сущности и фабрика сущностей.

3.2.2 Lúa API виртуального полигона.

3.2.3 Объект «Таймер».

3.2.4 Объект «Корабль».

3.2.5 Типовой статический эксперимент: построение ДСО, определение метацентрической высоты.

3.2.6 Типовой динамический эксперимент: качка на тихой воде.

3.3 Графическая подсистема.

3.3.1 Общая структура графической подсистемы.

3.3.2 Морфологическое сглаживание ступенчатости изображения

3.3.3 Технология отображения морского волнения.

3.3.4 Расчет поля волнения с использованием CUDA

3.4 Развертывание виртуального полигона на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО.

3.5 Выводы по главе 3.

4 Применение виртуального полигона для воспроизведения экстремальных ситуаций

4.1 Режим основного резонанса.

4.1.1 Цель и постановка эксперимента.

4.1.2 Анализ результатов эксперимента.

4.2 Режим параметрического резонанса лагом к волне.

4.2.1 Цель и постановка эксперимента.

4.2.2 Анализ результатов эксперимента.

4.3 Режим параметрического резонанса на встречном волнении

4.3.1 Цель и постановка эксперимента.

4.3.2 Анализ результатов эксперимента.

4.4 Режим брочинга.

4.4.1 Цель и постановка эксперимента.

4.4.2 Анализ результатов эксперимента.

4.5 Выводы по главе 4.

Возможности изучения поведения сложных технических систем в экстремальных ситуациях экспериментальными методами существенно ограничены. Потому в настоящее время для этих целей активно применяется компьютерный эксперимент в реальном времени. Для интерпретации его результатов привлекаются технологии виртуальной реальности (BP), обеспечивающие «погружение» исследователя в моделируемое явление с возможностью всестороннего наблюдения и анализа воспроизводимых закономерностей реального мира. В свою очередь, это стимулирует развитие нового класса проблемно-ориентированных программных комплексов для проведения вычислительного эксперимента — виртуальных полигонов (ВП) для поддержки принятия решений в различных областях науки и промышленности [98]. Процесс проектирования и разработки ВП требует совокупного учета особенностей методов компьютерного моделирования в конкретной предметной области и соответствующих возможностей технологий BP, включая специфику аппаратной реализации. Это достигается путем адаптации математических моделей для формирования предметно-зависимых визуальных динамических сцен с высоким уровнем реалистичности и достоверности. В отечественной науке существенный вклад в развитие теоретических основ и практических решений в области технологий виртуальных полигонов внесен научными школами C.B. Клименко, H.H. Шаброва, М.В. Якобов-ского, Ю.М. Баяковского, М.В. Михайлюка, и ряда других исследователей.

Технологии ВП наиболее востребованы в направлениях, где проведение полномасштабных экспериментов экономически невыгодно или связано с существенными рисками. К таким областям, в частности, относится проектирование судов и технических средств освоения океана с повышенными требованиями к безопасности мореплавания, что требует изучения их поведения в разного рода аварийных ситуациях. Несмотря на то, что развитие аварийной ситуации является сложным многовариантным процессом, ретроспективный анализ известных инцидентов позволяет выделить условия, способствующие их возникновению, например, параметрические резонансы разной природы, потеря управляемости на гребне волны, захват судна волной (брочинг). В свою очередь, развитие каждой из вышеперечисленных ситуаций может усложняться за счет внутренних факторов (смещение навалочного груза, затопление отсеков, интенсивное обледенение и пр.). Как следствие, разнообразие и неоднозначность влияния экстремальных условий эксплуатации ограничивает возможности постановки экспериментов в опытовых бассейнах, и требует развития соответствующих проблемно-ориентированных программных комплексов на основе технологии ВП, что и определяет актуальность темы диссертации.

Предметом исследования является технология создания ВП применительно к задачам исследовательского проектирования морских объектов (МО) — судов и средств освоения океана.

Целью работы является развитие методов формирования предметно-ориентированных динамических сцен на основе компьютерного моделирования экстремальной динамики МО под воздействием нерегулярных внешних возмущений и разработка на их основе соответствующего математического и программного обеспечения ВП.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели подразумевает решение следующих задач:

• Анализ существующих математических моделей поведения МО в экстремальных условиях эксплуатации, исходя из их применимости для формирования динамических сцен в ВП.

• Разработка метода численного моделирования экстремальной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении с адаптацией к специфике использования в составе ВП, его алгоритмическая и программная реализация.

• Разработка метода формирования динамических сцен на основе численного моделирования динамики внешней среды и МО, и его адаптация для широкоэкранных систем ВР.

• Проектирование, разработка и отладка программного комплекса ВП, его развертывание на аппаратной инфраструктуре Центра ситуационного моделирования и визуализации (ЦСМВ СПбГУ ИТМО)1.

• Апробация ВП для проведения компьютерных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и

1ЦСМВ — центр коллективного пользования СПбГУ ИТМО параметрического резонансов, а также в условиях брочинга2.

Методы исследования включают в себя методы вычислительной гидромеханики, теории вероятностей, математической статистики и имитационного моделирования, анализа алгоритмов и программ, обработки изображений и научной визуализации.

Научную новизну результатов работы определяют:

• Использование метода прямого моделирования динамики МО с шестью степенями свободы в нелинейной постановке, позволяющего унифицировать проведение компьютерного эксперимента для различных классов экстремальных явлений с возможностью интерактивного управления средствами ВП.

• Формирование реалистичных динамических сцен за счет применения метода численного интегрирования уравнений динамики МО на основе случайных сеток, обеспечивающих компенсацию ошибки вычислений и балансировку вычислительной нагрузки в условиях реального времени.

Практическую ценность работы составляют:

• Комплект программной и эксплуатационной документации на программную систему для моделирования и визуализации динамики МО в экстремальных условиях эксплуатации3.

• Программно-аппаратный комплекс ВП ЭЫрХ-БЗ, функционирующий на базе ЦСМВ СПбГУ ИТМО.

На защиту выносятся:

• Метод формирования визуальных динамических сцен на основе численного моделирования нелинейной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении.

• Архитектура программного комплекса ВП для исследования МО в экстремальных условиях эксплуатации с поддержкой аппаратных возможностей широкоэкранных систем ВР.

2Неуправляемый разворот судна вследствие «захвата» волной, сопровождаемый сильным динамическим креном

3 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011611381 — 2011

Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается строгостью наложенных ограничений предметной области, валидацией результатов моделирования путем сопоставления с классическими моделями корабельной гидродинамики, исследовательскими испытаниями работоспособности программно-аппаратного комплекса ВП на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО, а также воспроизводимостью ряда нелинейных эффектов экстремальной динамики судна в ходе компьютерного эксперимента.

Внедрение результатов работы. Результаты работы нашли свое применение при выполнении проектов «Интеллектуальная система навигации и управления морским динамическим объектом в экстремальных условиях эксплуатации», «Интеллектуальные технологии поддержки процессов исследовательского проектирования судов и технических средств освоения океана», «Высокопроизводительный программный комплекс моделирования динамики корабля в экстремальных условиях эксплуатации», «Инструментальная технологическая среда для создания распределенных интеллектуальных систем управления сложными динамическими объектами» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы, «Распределенные экстренные вычисления для поддержки принятия решений в критических ситуациях» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 220 «О мерах но привлечению ведущих учёных в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования», «Создание распределенной вычислительной среды на базе облачной архитектуры для построения и эксплуатации высокопроизводительных композитных приложений» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства». Результаты работ внедрены в производственную деятельность ЗАО «Фирма "АйТи". Информационные технологии».

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на восьми международных и всероссийских научных конференциях, семинарах и совещаниях, включая Всероссийскую научно-техническую конференцию «Интеллектуальные и информационные системы» (2009 г., Тула); IX и X ежегодные Международные конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (2009 г., Владимир; 2010 г., Пермь); XVII Всероссийскую научно-методическую конференцию «Телематика 2010» (2010 г., Санкт-Петербург); V, VII Межвузовские конференции молодых ученых (2008 г., 2010 г., Санкт-Петербург); Всероссийскую конференцию «Технологии Microsoft в теории и нрактике программирования» (2010 г., Нижний Новгород), IV Международную конференцию по информатике MEDIAS (2011 г., Лимасол, Кипр).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ (из них 4 — в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ).

4.5 Выводы по главе 4

В четвертой главе показано использование разработанного виртуального полигона для воспроизведения ряда экстремальных ситуаций, таких х60 секунд — достаточное время развития явления брочинга для столь малого судна.

2 Используется вихрь Мерсенна [96]. как основной и параметрический резонанс и брочинг. Выявлены качественные характеристики судна как колебательной системы в режимах основного и параметрического резонанса. Также выявлены нелинейные эффекты возникающие на экстремальных углах крена при параметрическом резонансе. Для режима брочинга были выделены основные классы возможных траекторий и проведена оценка вероятности потери управляемости и вероятности наиболее опасного варианта развития при котором достигаются опасные углы крена.

Диаграмма установившейся скорости

Диаграмма буксировочной силы

V, м/с

Рис. 4.13: Диаграмма установившейся скорости и буксировочной силы

Класс траекторий I

Класс траекторий ii

Класс траекторий iii

Рис. 4.14: Классы траекторий судна в режиме брочинга

50.138 56.38в

3 46.7 1 Е? 23.3 г .«Г

0.14в 6.38з 12.63$1а8882&

50

100

1.0" 0.8" 0.60.4" 0.2-о.о--0.2-0.4-0.6-0.8-1.0

150 200

250

300 350

Высота волны

10 20 30 40 50 60 с о

100 80" 60" 4020" 0 -201 -40 -60 -80 -100

0.25 0.20 0.15 -0.10 -у 0.05 0.00 -0.05 --0.10" -0.15-0.20 -0.25

10

20

30 с

40

Угловая скорость ю

20

30

1,с

40

50

50

60

60

N2

0.1 Зэ 6.38э 12.63в

18 89з 25.13э 31.38ig7.63s43.89s 50.1Зэ 56.38з

-в—1-е^

50 100

150

- 0.0

200

250 300 350 400

Высота волны о сь

1001 80 604020 о

-20 -| -40 -60 -80 -100

0.25

0.20 "

0.15

0.10

0.05

0.00

-0.10 -0.15 -0.20 1 -0.25

10

20

30 С

40

Угловая скорость ю

20

30 t,C

40

50

60

50

60 со

3 -сГ

0.25 -0.20" 0.15 -0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 -0.15-0.20 "

-0.25 -0

Высота волны

Угловая скорость а

Рис. 4.20: Стадии развития брочинга, сверху вниз: судно на вершине волны, судно начинает разворачиваться, судно получает опасный крен на борт

Заключение

В ходе выполнения диссертационного исследования автором лично был выполнен аналитический обзор в проблемной области диссертационной работы, проведена адаптация метода моделирования динамики судна на нерегулярном волнении к задаче формирования динамических сцен в ВП, проектирование, разработка и развертывание ВП, а также проведена серия экспериментов по воспроизведению таких экстремальных явлений, как основной и параметрический резонанс и брочинг. В диссертацию включены результаты, соответствующие личному участию автора, а именно:

• развит метод численного моделирования экстремальной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении, основанный на интегрировании гидродинамических сил и моментов в нелинейной постановке на случайных сетках, допускающий интерактивное управление процессом вычислений на ВП;

• разработан метод формирования динамических сцен на основе численного моделирования динамики внешней среды и МО с учетом графических эффектов визуализации взволнованной поверхности моря и ее взаимодействия с корпусом объекта, адаптированный для применения в широкоэкранных системах ВР;

• разработана и детализирована архитектура ВП для изучения динамики МО в экстремальных условиях эксплуатации на основе модульного подхода к построению систем интерактивной визуализации;

• спроектирован и разработан программный комплекс ВП ЭЫрХ-ЭЗ, развернутый на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО и продемонстрировавший свою работоспособность в ходе компьютерных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и параметрического резонансов, а также в условиях брочинга.

1. Апполонов Е.М., Бойцов Г.В., Кудрин М.А., Кутейников М.А., Ши-шенин Е.А. Исследования взаимодействия корпуса с аномальной волной на примере гибели судна "Аурелия", Российский морской регистр судоходства, Научно-технический сборник, выпуск 29, стр. 2844.

2. Александров В.Л., Матлах А.П., Начаев Ю.И., Поляков В.И., Ростовцев Д.М., Интеллектуальные системы в морских исследованиях и технологиях / Под ред. Ю.И. Нечаева. СПбЖ Изд. центр СПбГ-МТУ, 2001, 395 с.

3. Нечаев Ю.И., Дегтярев A.B., Бухановский A.B. Определение областей безопасной качки при оценке динамики судна на волнении. Доклады НТК «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики» (XL Крыловские чтения), СПб, 2001, с. 117-119.

4. Справочные данные по режиму ветра и волнения Японского и Карского морей / Лопатухин Л.И., Бухановский A.B., Чернышева Е.С. // Российский Морской регистр судоходства, СПб, 2009, 358 с.

5. Зильман Г.И., Китаева Е.Т., Мирохин Б.В. Исследование особенностей качки судна на нерегулярном волнении методом статистического моделирования. Научно-тех. сб. Регистра СССР, 1986, вып.15, с.3-9.

6. Бухановский A.B., Дегтярев A.B., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Вероятностное моделирование морского волнового климата // Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1998, т.34, №2, с.261-266.

7. Нечаев Ю.И., Завьялова О.П. .Экстремальная ситуация «брочинг»: анализ и критериальные оценки условий «захвата» и опрокидывания судна // Морской вестник. №1(9). 2004, с.87-92.ы.

8. Атавин A.A., Васильев О.Ф., Тарасевич В.В., Яненко А.П. Нестационарные процессы в судопропускных сооружениях: математическое и лабораторное моделирование, натурные испытания. Proceedings of International Conference RDAMM-2001, с. 63-69.

9. Бухановский A.B., Лопатухин Л.И., Иванов C.B. Подходы, опыт и некоторые результаты исследований волнового климата океанов и морей. I. Постановка задачи и входные данные. Вестник СПбГУ, сер. 7, вып. 3, 2005, с. 62-74.

10. Александреску А. Современное проектирование на С++: Обобщенное программирование и прикладные шаблоны проектирования = Modern С++ Design: Generic Programming and Design Patterns Applied. — С. П.: Вильяме, 2008. — 336 с. — (С++ in Depth) .

11. Лонге-Хиггинс M.С. Статистический анализ случайной движущейся поверхности. В кн.: Ветровые волны. М., ИЛ, 1962, с. 112-230.

12. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении // Л., Судостроение, 1969.

13. Зенкин A.A. Когнитивная компьютерная графика / ред. Поспелов ДА. М: Наука, 1991. —192 С.

14. И.Г. Ханович, Качка корабля, Военное Изд. Министерства Вооруженных Сил Союза ССР, М., 1947. .

15. Проблемы исследования и математического моделирования ветрового волнения //под ред.И.Н.Давидана. СПб., Гидрометеоиздат, 1995.

16. Пирсон В.Дж. Ветровые волны.-в сб.: Ветровые волны., М., ИЛ, 1962, с. 42-124.

17. Луговский В.В. Нелинейные задачи мореходности корабля. JL, Судостроение, 1966.

18. Некрасов В.А. Вероятностные задачи мореходности судов. JL, Судостроение, 1978.

19. Безгодов А.А., Стародубцев Э.В. Реализация модели освещения Кука-Торренса с использованием технологии Deferred Shading // // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО. 2008. с. 34-44.

20. Лопатухин Л.И. Ветровое волнение. Санкт-Петербург, 2004. .

21. ОСТ 5.1003-80. Методика расчета качки водоизмещающих кораблей и судов. Л., 1980.

22. A note on ethical aspects of BCI / P. Haselagera, R. Vleka, J. Hillb, F. Nijboer // Neural Networks, Volume 22, Issue 9, November 2009. pp. 1352-1357.

23. Arabshahi, A., Taylor, L. K, and Whitfield, D. L., UNCLE: Toward A Comprehensive Time-Accurate Incompressible Navier-Stokes Flow Solver, "AIAA-95-0050, AIAA 33rd Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, January 1995.

24. Belenky V.L. Probabilistic qualities of nonlinear stochastic rolling / V.L. Belenky, A.B. Degtyarev, A.V Boukhanovsky // Ocean Engineering. -1998. Vol. 25, Ш. - P. 1-25.

25. Belenky, V.L., Weems, K.M., W.M. Lin, Paulling J.R. Probabilistic analysis of roll parametric resonance in head seas, Proc. of STAB'03 8th International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles, Madrid, Spain.

26. Benedict D. Rogers. (2004) SPH Modeling of Breaking Waves, Coastal Engineering, pp 415-427.

27. Boukhanovsky A.V., Guedes Soares C. Modelling of multipeaked directional wave spectra // Applied Ocean Research, 31 2009, p. 132141.

28. Brooks Jr. F.P. What's Real About Virtual Reality? // IEEE Computer Graphics And Applications, 19(6). 1999. - pp. 16-27.

29. Burdea G.C., Coiffet R Virtual Reality Technology, 2nd Edition. -Wiley-IEEE Press, 2003. 464 p.

30. Charles W. Brice, Levent U. Gokdere, Roger A. (1998) DougalThe Virtual Test Bed: An Environment for Virtual Prototyping. Proceedings of International Conference on Electric Ship (ElecShip'98), pp. 27-31, Istanbul, Turkey, September .

31. Claes Johanson «Real-time water rendering: Introducing the projected grid concept» Master of Science thesis .

32. Clausen J. Man, machine and in between // Nature, 457 (26 February 2009). 2009. - pp. 1080-1081.

33. Computational Steering / R. van Liere, J.D. Mulder, J.J. Van Wijk // Future Generation Computer Systems, Elsevier North-Holland, vol. 12, 441-450, 1997.

34. Cook, R.L., Torrance. K.E., 1982. A Reflectanhce Model for Computer Graphics .

35. Cruz-Neira C., Sandin D.J., DeFanti T.A. Surround-Screen Projection-based Virtual Reality: The Design and Implementation of the CAVE // SIGGRAPH'93: Proceedings of the 20th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, 1993.

36. E. Catmull and J. Clark: Recursively generated B-spline surfaces on arbitrary topological meshes, Computer-Aided Design 10(6):350-355 (November 1978) .

37. Flexible soft real-time processing in middleware / S.A. Brandt, G.J. Nutt // Real-Time Systems, Volume 22, Numbers 1-2. 2002. - pp. 77-118.

38. France W.N.; Levadou M.; Treakle T.W.; Paulling J.R.; Michel R.K.; Moore C. An Investigation of Head-Sea Parametric Rolling and Its Influence on Container Lashing Systems, Marine Technology, Volume 40, Number 1, 1 January 2003 , pp. 1-19(19) .

39. Game Physics Simulation http://bulletphysics.org/wordpress/] .

40. Hammock A. The future of brain-controlled devices. CNN. 2010http: //edition .cnn.com/2009/TECH/12/30/brain. controlled, computers / index .html.

41. Herault, A. Bilotta, G., Del Negro, C. Russo, G. Vicari, A. (2009) SPH Modeling of Lava Flows With GPU Implementation, Proceedings of 4th International Scientific Conference on Physics and Control, Catania, Italy, September, 1-September, 4 2009.

42. IIHR Hydroscience & Engineering Ship Hydrodynamics Website, Режим доступа: http://www.iihr.uiowa.edu/ shiphydro/cfdshipiowa.htm свободный].

43. J. Monaghan and R. Gingold. (1983) Shock simulations by the particle method sph. Journal of Сотр. Physics, Vol. 52, p.374.

44. Jorge Bardina and T. Rajkumar. Dougal. Intelligent Launch and Range Operations Virtual Test Bed (ILRO-VTB). Proceedings Vol. 5091 Enabling Technologies for Simulation Science VII, Alex F. Sisti; Dawn A. Trevisani, Editors, pp. 141-148 .

45. Ki-Han Kim, Joseph Gorski, Ronald Miller, Robert Wilson, Frederick Stern, Mark Hyman, Clarence Burg, Simulation of Surface Ship Dynamics, dodugc, pp.188, 2003 User Group Conference (DoD UGC'03), 2003.

46. Lin W.M., Yue D.K.R "Time-Domain Analysis for Floating Bodies in Mild-Slope Waves of Large Amplitude", Proceedings of the Eight International Workshop on Water Waves and Floating Bodies, Newfoundland, Canada.

47. Lopatoukhin L.J. Freak waves generation and their probability (Вероятность возникновения волн-убийц) / L.J. Lopatoukhin, A.V. Boukhanovsky // Int. Shipbuilding Progress. 2004. - Vol. 51, №2-3. - P. 157-171.

48. Martin Mittring «Finding Next Gen CryEngine 2» Advanced RealTime Rendering in 3D Graphics and Games Course - SIGGRAPH 2007

49. Michal Chladek, Roman Durikovic, (2010) Smoothed Particle Hydrodynamics in Flood Simulations, Proceedings of the 26th Spring Conference on Computer Graphics.

50. Michiel van der Leeuw., 2007. "Deferred Rendering in Killzone 2". Presentation. .

51. Monaghan, J. J. (1992) Smoothed particle hydrodynamics, Annual review of astronomy and astrophysics. Vol. 30 (A93-25826 09-90), p. 543-574.

52. Motion Simulation Capabilities of Three-Degree-of-Freedom Flight Simulators / N.A. Pouliot, C.M. Gosselin, M.A. Nahon // Journal of Aircraft 35 (1). 1998. - pp. 9-17.

53. Ngan, A., Durand, F., Matusik, W., 2004. Experimental Analysis of BRDF Models. .

54. Pawlowski M. Effect of Decks on Survivability of Ro-Ro Vessels // Proceedings of 9th International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles (STAB-2006) 25-29 September, Rio de Janeiro, Brazil, 2006 (CD-version).

55. Prospects for Computational Steering of Evolutionary Computation / S. Bullock, J. Cartlidge, M. Thompson // Workshop Proceedings of the

56. Eighth International Conference on Artificial Life. MIT Press. 2002. -pp. 8-13.

57. R. Ierusalimschy, L. H. de Figueiredo, W. Celes, The implementation of Lua 5.0, Journal of Universal Computer Science 11 #7 (2005) 1159-1176.

58. Reshetov A. 2009. Morphological Antialiasing. In Proceedings of High Performace Graphics. http://visual-computing.mtel-research.net/publications/papers/2009/mlaa/mlaa.pdf .

59. Rognebakke, O. F. & Faltinsen, О. M., 2001, 'Effect of sloshing on ship motions,' 16th IWWWFB, Hiroshima (электронный доступ http://www.iwwwfb.org/Abstracts/iwwwfbl6/iwwwfbl635.pdf).

60. Rognebakke, О. F. & Faltinsen, О. M., 2003, 'Coupling of sloshing and ship motions,' J. Ship Research, 47, 3, 208-221.

61. ROGUE WAVES 2008 // Proceedings of International Conference // Brest, France, 13-15 October 2008, edited by M. Olagnon & M. Prevosto. Режим доступа: http://www.ifremer.fr/web-com/stw2008/rw/papers.html свободный].

62. Semantic eScience: Encoding Meaning in Next-Generation Digitally Enhanced Science / P. Fox, J. Hendler // The Fourth Paradigm. DataIntensive Scientific Discovery. Misrosoft, 2009. - pp. 147-152.

63. Shin Y.S., Belenky V.L., Lin W.M., Weems K.M., Engle A.H. Nonlinear time domain simulation Technology for Seakeeping and Wave Load Analysis for Model Ship Design, SNAME Annual Meeting, San-Francisco, U.S.A., 2003.

64. Shishkovtsov, O. 2005. Deferred shading in S.T.A.L.K.E.R. GPU gems 2 : programming techniques for high-performance graphics and generalpurpose computation / edited by Matt Pharr ; Randima Fernando, series editor.

65. Shyh-Leh Chen, Wei-Chih Hsu FUZZY SLIDING MODE CONTROL FOR SHIP ROLL STABILIZATION. Asian Journal of Control, Vol. 5, No. 2, pp. 187-194.

66. Spyrou K.J., "The Nonlinear Dynamics of Ships in Broaching", Marie Curie Fellowships Annals, Vol. 1. (электронный доступ http://www.mariecurie.org/annals/volumel/spyrou.pdf).

67. Stochastic simulation of inhomogeneous metocean fields. Part I: Annual variability / A.V. Boukhanovsky et al. // Lecture Notes in Computer Science. 2003. - Vol. 2658. - P. 213-222.

68. Stochastic simulation of inhomogeneous metocean fields. Part II: Synoptic variability and rare events / A.V. Boukhanovsky et al. // Lecture Notes in Computer Science. 2003. - Vol. 2658. - P. 223-233.

69. Sturman, D.J., Zeltzer, D. A survey of glove-based input // IEEE Computer Graphics and Applications 14 (1). 1994. - pp. 30-39.

70. Surendran S. Kiran V. Control of ship roll motion by active fins using fuzzy logic. Ships and Offshore Structures, Volume 2, Issue 1 2007 , pp. 11 20.

71. Tamburrini G. Brain to Computer Communication: Ethical Perspectives on Interaction Models // NEUROETHICS, Volume 2, Number 3. 2009. - pp. 137-149.

72. The Freelmage Project http://freeimage.sourceforge.net/. .

73. The Virtual Tank Utility in Europe (FP 6 516201) // Режим доступа:http://www.hsva.de/01profilecontent/presscontent/VIRTUEforNavalArchitect.pcсвободный.

74. TouchTable http://www.touchtable.com/.

75. Umeda N., Hashimoto H., Vassalos D., Urano S. Okou K. Nonlinear Dynamics ion Parametric Roll Resonance with Realistic Numerical Modelling. Proc. of 8th Inter. Conference on the Stability of Ships and Ocean Vehicles STAB03.

76. Visual Mining of Cluster Hierarchies / H.-P. Kriegel, S. Brecheisen, E. Januzaj, P. Kroger, M. Pfeifie // Proc. 3rd Int. Workshop on Visual Data Mining (VDM@ICDM2003). 2003. - pp. 151-165.

77. Visualization for Data-Intensive Science / C. Hansen, C.R. Johnson, V. Pascucci, C.T. Silva // The Fourth Paradigm. Data-Intensive Scientific Discovery. Misrosoft, 2009. - pp. 153-163.

78. Visually mining and monitoring massive time series / J. Lin, E. Keogh, S. Lonardi, J.P. Lankford, D.M. Nystrom // Proceedings of the 10 th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. 2004. - pp. 460-469.

79. Welcome to Microsoft Surface http://www.microsoft.com/surface/].

80. Weymouth G.D., Wilson R.V., Stern F. RANS Computational Fluid Dynamics Predictions of Pitch and Heave Ship Motions in Head Seas, Journal of Ship Research, Vol. 49, No. 2, June 2005, pp. 80-97.

81. W.G. Hoover (2006) Smooth Particle Applied Mechanics: The State of the Art. World / Scientific Publishing Co Pte Ltd.

82. Xsens Human Mocap, достуц свободныйhttp: / / www.xsens.com/еп/company-pages / company/human-mocap/.

83. Yarwood B. Virtual Space The Future Of Movies and Video Games // 2009, доступ свободный http://www.virtualspace.org.uk/.

84. Bitmap Font Generator, http://www.angelcode.com/products/bmfont/.

85. Boukhanovsky A.V., Lopatoukhin L.J. Ryabinin V.E. Evaluation of the highest wave in a storm. Marine meteorology and related Oceanographic Activities. Report #38, WMO-TD-№858, 1998, 21 p.

86. Harald E. Krogstad. (1989) Simulation of Multivariate Gaussian Time Series. Communication in Statistics. 18(3), p. 929-941.

87. Mersenne Twister Home Page http://www.math.sci.hiroshima-u. ac.jp/m-mat/МТ / emt .html.

88. Scilab WebSite http://www.scilab.org/.

89. Sloot P.M.A., Frenkel D., Van der Vorst H.A. et al. Computational e-Science: Studying complex systems in silico. A National Coordinated Initiative. White Paper, February 2007. (http://www.science.uva.nl/research/scs/papers/archive/Sloot2007a.pdf)

90. The Programming Language Lua http://www.lua.org/].