Бугреев ПЗ (1231492), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

1.4 Анализ существующих ж.-д. симуляторов

В настоящее время число успешно созданных и функционирующих железнодорожных тренажеров и симуляторов исчисляется сотнями. Прекрасными представителями таких симуля-торов являются Microsoft Train Simulator, Trainz Railroad Simulator и другие. Все они имеют разное функциональное назначение, и каждый по-своему превосходит остальные. Однако существующие тренажеры не могут предложить реализацию всех своих функциональных возмож-ностей применительно к существующим железнодорожным участкам.

На базе Дальневосточного государственного университета путей сообщений существует учебно-тренажерный комплекс «Полигон», с помощью которого производится обучение оперативного персонала железнодорожного транспорта дальневосточного региона. Тренажер максимально точно и полно воспроизводит работу реально существу-ющих устройств на станциях. В тренажере великолепно проработана зависимость устройств электрической централизации, реализованы схематические планы станций. Комплекс подразумевает наличие персо-нальных компьютеров, объединенных единой локальной вычисли-тельной сетью, что позволяет осуществлять взаимодействие целого ря-да станций между собой. При всех своих превосходствах данный уче-бно-тренажерный комплекс имеет существенный недостаток.

Наличие в тренажере полного набора функциональных возможностей электрической централизации позволяет с достаточно высокой эффективностью проводить обучение оперативного персонала и значительно повышать их квалификационную подготовку. Однако, в последнее время, руководители отделений дорог все чаще рекомендуют внедрить в существующий тренажер участки реально существующих станций и дополнить тренажер возможностью визуализации таких участ-ков с помощью средств трехмерной графики. И их рекомендации не без-основательны.

Возможность обучать оперативный персонал на тренажере, который будет полностью имитировать железнодорожную инфраструктуру станции, с которой он непосредственно связан дол-жностными обязанностями, значительно повышает заинтересованность в обучении, а так же способствует развитию ассоциативных представ-лений при обучении. В процессе обучения работник моделирует различ-ные ситуации, которые могут произойти на его рабочем месте, и имеет возможность оценить последствия тех или иных манипуляций. Графическая визуализация нанесенного ущерба в процессе не-правильных действий должна призвать работника трезво оценивать возможные последствия при выполнении подобных манипуляций с реальными объектами инфраструктуры на своем рабочем месте, а так же обезопасить его от принятия необдуманных решений.

Создание модели трехмерной визуализации и внедрение её в существующий учебно-тренажерный комплекс, казалось бы, решило существующие проблемы и удовлетворило потребности руководителей структурных подразделений ОАО «РЖД». Однако существующий тренажер был изначально не подготовлен к возможности дополнения его функциональных возможностей трехмерной графиков. Так, напри-мер, железнодорожные участки в учебно-тренажерном комплексе «Полигон» представляют собой сетку, состоящую из прямых сегментов, подобно таблице. Пример построения ж.-д. участка тренажера приведен на рисунке 1.1.

Движение подвижных единиц в тренажере осуществляется по блочному плану станции при наступлении события от таймера. При этом не учитываются такие параметры движения подвижной единицы, как масса, уклон, длина вследствие отсутствия этих данных как таковых. Простой пример: поезд подъезжает к закрытому светофору и останав-ливается, но если это состав с определенной массой и тяговыми харак-теристиками, то резкая его остановка нереальна[9]. Чтобы перенести модель из плоскости в пространство, необходимо дополнить ее некото-рыми возможностями, ввиду того, что железнодорожные пути представ-ляют собой не только прямолинейные участки. Основная задача состоит в создании виртуальной железной дороги, которая будет адекватна ре-альной. Причем добавление к существующей модели новых возмож-ностей не должно сказаться на работоспособности других моделей, в частности и тренажера в целом, т.е. информационные связи моделей должны остаться неизменными. Фактически, схематический план дол-жен послужить только структурой для виртуальной станции.

Рисунок 1.1 – Фрагмент плана станции

Поэтому реализация трехмерной визуализации в учебно-тренажерном комплексе сводится в первую очередь к применению отличных от существующих методов построения железнодорожных участков.

1.5 Структура создаваемого учебно-тренажерного комплекса

Одним из самых сложных этапов имитационного моделирования является подготовка модели. Она включает в себя разработку общей концепции построения многоуровневой системы тренажера, определе-ние места каждого из функциональных возможностей в этой системе. Модель так же должна предусматривать расширение своих функ-циональных возможностей за счёт добавления в неё отдельно разрабо-танных модулей.

Разрабатываемый учебно-тренажерный комплекс подразумевает модульную структуру, которая включает в себя модуль раздела проектирования, основанный на слоях и реализованный посредством программного продукта Autodesk AutoCAD, модуль виртуального мира, который создается с использованием программы 3D Studio MAX и другие.

Модуль раздела проектирования предназначен для создания многослойной сложной связанной структуры данных. В эту структуру входят данные для моделирования: ландшафтов (текстуры, карты высот, которые могут быть сгенерированы или получены из гео-информационной системы); железнодорожных станций и участков (линии и сплайны путей, карты уклонов, размещение стрелок, сигналов, напольного оборудования и других объектов инфраструктуры); движе-ния поездов (объекты, путевые карты); имеющихся на участке систем железнодорожной автоматики и телемеханики (системы централизации, интервального регулирования движения поездов и диспетчерского управления). Средством для проектирования имитационной модели участка железной дороги выбрана объектная модель AutoCAD, обеспечивающая взаимодействие с системой имитационного моделирования благодаря архитектуре OLE (object linking and embeding – связывание и внедрение объектов), модели COM (Component Object Model – Модель компонентных объектов), наличию библиотек типов и составных документов[10]. Использование программного продукта AutoCAD так же объясняется широким распространением данного средства автоматизированного проектирования среди ведущих проект-ных организаций и наличием в нем широкого набора функциональных возможностей, позволяющих проектировать довольно сложные системы, с высокой эффективностью, затрачивая при этом малое количество вре-мени.

Программный модуль считывает графические данные проекта AutoCAD и формирует базу данных имитационной модели.

Предлагаемый подход позволяет в наглядной, удобной графи-ческой форме подготовить все необходимые структуры данных имита-ционной модели, быстро и качественно построить «искусственный мир» виртуальной железной дороги с помощью средств, предоставляемых системами автоматизированного проектирования. При проектировании виртуального участка необходимо обеспечить соответствие всех компо-нентов модели нормативным документам и инструкциям, распростра-няющимся на проектирование, строительство и эксплуатацию железно-дорожных участков.

Проектирование искусственного мира выполнено на основе слоев AutoCAD[11]. Слои подобны прозрачным пленкам, на которых разло-жены различные группы элементов. Любой созданный объект имеет свойства: слой, цвет, тип линии. Цвет позволяет различать похожие объекты, тип линии позволяет быстро отличить центральные и скрытые линии. Каждый слой содержит примитивы, имеющие одинаковые назна-чения и свойства. Количество и наполненность слоев определяется системой, представляющей совокупность визуальных слоев, связанных координатами объектов и структурой данных, как некую имитационную модель. Предложенный метод позволяет манипулировать слоями, до-бавляя новые и исключая неиспользуемые, с учётом решаемых задач, сложности модели и требуемой точности вычислений.

Модуль виртуального мира предназначен для графической визуализации. С помощью данного модуля создается графическая обо-лочка ландшафтов, моделей поездов, вагонов, верхнего строения пути и окружающего мира. Данный модуль считывает и использует данные с базы данных, подготовленной модулем раздела проектирования.

Пакет 3D-анимации 3D Studio MAX, с помощью которого созда-ется данный модуль, обеспечивает весь процесс создания трёхмерной графики: моделирование объектов и формирование сцены, анимацию и визуализацию, работу с видео. Интерфейс программы един для всех мо-дулей и обладает высокой степенью интерактивности.

3D Studio MAX реализует расширенные возможности управления анимацией, хранит историю жизни каждого объекта и позволяет созда-вать разнообразные световые эффекты, поддерживает 3D-акселера-торы и имеет открытую архитектуру, то есть позволяет третьим фирмам включать в систему дополнительные приложения.

3D Studio МАХ обладает целым набором инструментов, пригодных для моделирования органических объектов (Editable Mesh, NURBS, NURMS, Patches, Surfase и др.), не уступая при этом прог-раммам-конкурентам, и обладает самой низкой ценой.

Кроме вышеописанных модулей в тренажере существует так же модуль непрерывного моделирования и визуализации. Данный модуль представляет собой разрабатываемую в данном дипломном проекте модель участка пути с возможностью движения по ним моделей поез-дов. Кроме того модель должна обеспечивать независимую от числа ис-пользуемых модулей требуемую машинную графику с приемлемым трехмерным представлением.

1.6 Выбор методов моделирования участков пути

При создании модели участка пути возможно применение различ-ных методов моделирования. Так, в качестве железнодорожных путей могут применяться различные стандартные фигуры проектирования: ли-нии, дуги, сплайны.

Применение линий в качестве основной фигуры моделирования участка пути возможно, но не целесообразно. Виной тому являются зна-чительные искривления железнодорожного пути, которые не позволяют достаточно просто использовать прямые линии для их описания. Так, например, для обеспечения достаточной гладкости пути на кривых участках потребуется неопределенное количество прямых, число кото-рых зависит от радиуса кривизны изгиба. А метод представления изги-бов железнодорожного пути одной прямой линией в корне противоречит задаче по созданию точной модели пути.

От применения дуг, в качестве основных фигур для модели-рования участков пути тоже приходиться отказаться ввиду причин прямо противоположных причинам отказа от прямых линий. Дело в том, что описать теперь уже прямые участки дугами достаточно проблематично. Если прямой участок достаточно протяженный, то потребуется достаточ-но много единичных дуг для его построения. Беря в расчет, что модели-рование производится для реальных участков и планов, где протя-женность путей достаточно высока, это создаст большую нагрузку на процессор компьютера и не позволит создать модель с ориентацией на реальный масштаб времени.

Применение сплайнов для поставленных задач является наиболее оптимальным вариантом. Описать сплайнами достаточно просто как прямые, так и кривые участки железнодорожного пути. Кроме того, подразумевается, что модуль раздела проектирования при описа-нии железнодорожных участков использует аэрокосмические снимки. Обрисовывать такие снимки оптимально так же сплайнами. Следо-вательно, в базу данных данного модуля, которою будет использовать и разрабатываемый модуль, будут заноситься данные о сплайнах. В совокупности это значит, что использование других методы для реалии-зации модели участков пути, кроме как сплайнового, нецелесообразно.

1.7 Функциональные возможности имитационной модели

Создание алгоритмов математических и имитационных моделей требует их дальнейшей реализации на языках машинного программи-рования. Выбор среды разработки программ обычно стоит между двумя, наиболее популярными средами разработки Delphi и MSVC++(Microsoft Visual С++).

Delphi от фирмы Borland – это среда визуальной разработки программ на языке Object Pascal. Возможности этой среды достаточно гибкие, чтобы создать полноценную виртуальную модель с совре-менным уровнем графики. Язык программирования C++, безусловно, мощнее, чем Object Pascal, но он и менее высокоуровневый, то есть сложнее. Object Pascal же не только простой, но и достаточно универ-сальный, позволяющий разрабатывать полноценные программы совре-менного уровня. MSVC++ генерирует немного более быстрый код, чем Delphi. Собственно, на этом преимущества заканчиваются. Неоспо-римые преимущества Delphi: большая скорость компиляции (в десятки и даже сотни раз быстрее, чем MSVC++), высокое качество средств отладки (в большинстве случаев Delphi указывает точно ту строку кода, в которой содержится ошибка, тогда как MSVC++ может указать строчку за несколько страниц от искомой) и удобный интерфейс[9].

Имитационная модель будет разрабатываться на основе программной среды разработки Borland Delphi 7. Главным образом разрабатываемая имитационная модель должна выполнять функции по визуализации железнодорожного пути реально существующего участка. Для этого необходимо выработать технологию создания сплайнов, определяющих участки железнодорожных путей, выявить и решить возникшие вместе с этим сложности.

Ввиду сложности сети железнодорожных путей модель должна обеспечивать правильное соединение сплайнов на участках со стрелочными переводами. Необходимость учёта мест таких соединений вызвана подготовкой фундамента для правильного функционирования слоя устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики, который будет разрабатываться отдельным модулем тренажера.

При разработке модели необходимо так же учитывать возможность воспроизведения в тренажере нестандартных ситуаций, таких как учёт длинносоставных поездов, врез стрелочных переводов и учесть поведение модели при возникновении таких ситуаций.

Разрабатываемая модель должна быть адаптирована под существующие в тренажере модули и быть с ними взаимосвязана. Она должна включать в себя аппарат поддержки баз данных, уметь извле-кать и вносить в них данные.

Являясь основой для графической визуализации тренажера, разрабатываемая модель должна учитывать наличие такого модуля как движение поезда по сплайнам. Для этого необходимо исследовать методы движения по сплайнам и выбрать наиболее оптимальный для поставленных задач, подготовив тем самым набор данных и алгоритмы движения для модуля, который будет его реализовывать. Кроме этого, необходимо учесть механизмы физики движения подвижных единиц, сцепки их между собой, исследовать и выбрать оптимальные методы обработки коллизии.

Следует не забывать, что на моделирование для реального времени накладываются определенные требования, причем упор делается на эффективность и совместимость.

Мощные графические карты и графические процессоры, повышенные тактовые частоты и увеличившиеся объемы памяти про-должают поднимать планку для полигональных моделей в реальном времени. Однако у возможностей мощной графической системы все же имеются свои ограничения, поэтому важно оптимизировать модели. В условиях реального времени постоянно присутствует компромисс между визуальными деталями и скоростью[9]. Наличие такого компромисса служит поводом вольно определять те направления в модели, на которые делается акцент в виде качества, и направления, где качеством можно пренебречь в целях повышения скорости обработки информации и процессов.

Характеристики

Список файлов ВКР