70442

Визуализация результатов моделирования выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий

Дипломная

Информатика, кибернетика и программирование

Цель работы - разработка программного обеспечения визуализации результатов моделирования выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии. В результате выполнения работы сформулированы требования к программному обеспечению визуализации и выбраны средства...

Русский

2014-10-20

3.97 MB

18 чел.

Балтийский  государственный  технический  университет  "ВОЕНМЕХ"

им. Д.Ф. Устинова

 

ВЫПУСКНАЯ  Квалификационная  работа

   Милушкова Виталия Игоревича______   

Фамилия ,               Имя ,            Отчество        студента

 

Тема  дипломного проекта / дипломной работы

Визуализация результатов моделирования  выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий

Специальность 230102  Автоматизированные системы обработки информации и управления

                                                    ИНДЕКС                                                    ПОЛНОЕ    НАИМЕНОВАНИЕ    СПЕЦИАЛЬНОСТИ                 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009  г.


Реферат

Пояснительная записка 96 с., 4 ч., 43 рис., 10 табл., 24 источника, 1 прил.

АВТОНОМНЫЙ НЕОБИТАЕМЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ, ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ АНОМАЛИЯ, МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИЗУАЛИЗАЦИИ.

Объектом исследования является движение автономного необитаемого подводного аппарата.

Цель работы - разработка программного обеспечения визуализации результатов моделирования выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии.

В результате выполнения работы сформулированы требования к программному обеспечению визуализации и выбраны средства визуализации имитационного моделирования, разработано и отлажено программное обеспечение для визуализации результатов моделирования,  определена стоимость разработки.

Степень внедрения – программное обеспечение визуализатора  внедрено в стенд математического моделирования выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии.

Эффективность разработанной системы обеспечивается наглядностью результатов моделирования, упрощением процесса отладки имитатора и сокращением трудоемкости разработки контрольных вариантов для имитационной модели.

.  

СОДЕРЖАНИЕ

[1] СОДЕРЖАНИЕ

[2] ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

[3] ВВЕДЕНИЕ

[4] 1 КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

[4.1] 1.1 Обзор задач, решаемых при выходе автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

[4.1.1] 1.1. Постановка задачи обнаружения экологической аномалии

[4.1.2] 1.1.2 Особенности применения автономного необитаемого подводного аппарата

[4.1.3] 1.1.3 Научное оснащение для работы автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

[4.1.4] 1.1.4 Интеллектуализация автономного необитаемого подводного аппарата

[4.1.5] 1.1.5 Режимы работы судового природоохранного комплекса автономного необитаемого аппарата и автономного необитаемого аппарата

[4.2] 1.2 Структура системы моделирования поиска экологических аномалий

[4.3] 1.3 Формирование требований к программному обеспечению визуализации результатов моделирования

[4.4] 1.4 Исследование опыта применения моделирующих систем при проектировании сложных морских технических систем и используемой в них визуализации результатов моделирования

[4.5] 1.5 Исследование возможностей Virtual Reality Toolbox для визуализации результатов моделирования в среде Matlab-Simulink

[4.5.1] 1.5.1  Особенности сопряжения имитационной модели Matlab-Simulink и программное обеспечение визуализации

[4.5.1.1] 1.5.1.1 Обзор Virtual Reality Toolbox

[4.5.1.2] 1.5.1.2 Взаимодействие имитационной модели и ПО визуализации при передаче модельных данных

[4.5.1.3] 1.5.1.3 Преобразование системы координат при передачи навигационного сигнала в визуализатор

[4.5.2] 1.5.2 Возможности средств разработки виртуальных миров, использующих Virtual Reality Modeling Language, для визуализации результатов моделирования системы.

[4.5.2.1] 1.5.2.1 Отображение водной среды и рельефа дна

[4.5.2.2] 1.5.2.2 Отображение объектов управления: АНПА и аномалии

[4.5.2.3] 1.5.2.3 Смена позиций наблюдения

[4.5.2.4] 1.5.2.4 Сохранение траектории движения ОУ

[4.5.2.5] 1.5.2.5 Вывод информативных текстовых меток

[4.5.2.6] 1.5.2.6 Индикация срабатывания алгоритмов и других событий

[4.5.2.7] 1.5.2.7 Режимы работы визуализатора результатов моделирования  автономного необитаемого подводного аппарата

[4.6] 1.6 Разработка программного обеспечения визуализации

[5] 2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

[5.1] 2.1 Отладка программного обеспечения визуализации выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий

[5.1.1] 2.1.1 Отладка визуализатора выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии при подключении к автономной модели

[5.1.2] 2.1.2 Отладка визуализатора выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии при подключении к стенду математического моделирования

[5.1.3] 2.2.1 Simulink-модель визуализатора выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

[5.1.4] 2.2.2 Визуализатор выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

[5.2] 2.3 Предложения по направлениям дальнейшего совершенствования разработанного программного продукта

[6] 3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

[6.1] 3.1. Краткая характеристика работы и её назначение

[6.2] 3.2. Определение трудоемкости выполнения проекта

[6.3] 3.3. Расчет себестоимости  программного обеспечения

[6.3.1] 3.3.1. Материалы

[6.3.2] 3.3.2 Основная и дополнительная заработная плата непосредственных исполнителей

[6.3.3] 3.3.3. Отчисления па социальные нужды

[6.3.4] 3.3.4. Амортизационные отчисления

[6.3.5] 3.3.5 Накладные расходы

[6.4] 3.4.Выводы

[7] 4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЭКОЛОГИЯ

[7.1] 4.1 Анализ и нормирование опасных и вредных производственных факторов воздействий на пользователя

[7.1.1] 4.1.1 Температура в рабочей зоне

[7.1.2] 4.1.2 Повышенный уровень шума на рабочем месте

[7.1.3] 4.1.3 Повышенная вибрация

[7.1.4] 4.1.4 Недостаточная освещенность рабочей зоны

[7.1.5] 4.1.5 Повышенный уровень электромагнитных излучений

[7.1.6] 4.1.6 Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека

[7.2] 4.2 Расчет устройства защитного отключения

[7.3] 4.3 Пожарная безопасность

[7.4] 4.4 Экологическая безопасность

[8] ЗАКЛЮЧЕНИЕ

[9] СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[10] ПРИЛОЖЕНИЕ А


ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ


СПК

Судовой природоохранный комплекс

АНПА

Автономный необитаемый подводный аппарат

НПА

Необитаемый подводный аппарат

ИПЛ

Исследовательская подводная лодка

СПК

Корабельный природоохранный комплекс

ГОА

Глубоководный обитаемый аппарат

УЭП

Удельная электрическая проводимость

ЗВ

Загрязняющие вещества

ППОО

Подводный потенциально опасный объект

ЭА

Экологическая аномалия

ПО

Программное обеспечение

AUV

Autonomous underwater vehicle

ROV

Remotely operated underwater vehicles

ЭВМ

Электронно-вычислительная машина

VRT

Virtual reality toolbox

VRML

Virtual reality modeling language  

ОВПФ

Опасные и вредные производственные факторы

УЗО

Устройство защитного отключения


ВВЕДЕНИЕ

Экологическая безопасность – одна из стратегических задач государства. Наряду с военной и экономической безопасностью экологическая безопасность является основой устойчивого развития страны. Одной из важнейших ее составляющих является задача повышения эффективности управления качеством окружающей среды и, в частности, водной среды.

Созданная к настоящему времени система управления качеством водной среды РФ включает в себя совокупность органов, осуществляющих контроль и принятие управляющих решений на федеральном и региональном уровнях [1]. Региональные центры охраны водной среды являются основой этой системы и осуществляют оперативный экологический контроль акваторий. Для обеспечения оперативного экологического контроля водных объектов с начала 90-х годов применяются судовые природоохранные комплексы (СПК) типа "Акватория", обеспечивающие автоматизированные измерения гидрохимикофизических параметров и концентраций основных загрязняющих веществ водной среды в режиме реального времени вдоль траектории движения корабля-носителя СПК.

Носитель, состав и характеристики СПК, специфика его конфигурации существенно зависят от особенностей патрулируемой акватории и от особенностей потенциальных источников загрязнения. В настоящее время носители СПК часто применяются на АНПА. Основной задачей оперативного экологического контроля является обнаружение областей превышения предельно допустимой концентрации  загрязняющих веществ  по контролируемым показателям (областей экологических аномалий) и выявление источников загрязнения. При этом источник экологических аномалий может быть как стационарным, так и подвижным, например прошедшее судно.

В программе по "развитию судостроения до 2020 года" одним из важнейших этапов при формировании облика средств носителей СПК является создание системы моделирования, оптимизации, выбора, обоснования вновь разрабатываемых СПК. В ЗАО "Фирма-7" (Санкт-Петербург) с середины 90-х г.г. разрабатывается система моделирования поиска экологических аномалий, позволяющая решать задачи, связанные как с отработкой, комплексным анализом алгоритмов обработки информации и управления автономным необитаемым подводным аппаратом, так и с обучением операторов [4]. Рассматриваемая система позволяет формировать требования к измерительным каналам, поскольку одной из её составных частей является система имитаторов, моделирующая входные сигналы СПК для различных натурных условий. Моделирующая система состоит из сотни динамических моделей: модель среды, модель загрязнения, модели измерительных преобразователей, динамическая модель носителя СПК и других. Таким образом, в настоящее время задача создания моделирующей системы СПК, позволяющей наглядно отображать изменения результатов моделирования при различных вариантах исходных данных является важной и актуальной. Для представления результатов моделирования целесообразно использовать трёхмерную визуализацию.

Целью дипломной работы является разработка программного обеспечения визуализации результатов имитационного моделирования выхода АНПА на источник  экологических аномалий.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

  •  формирование требований к программному обеспечению визуализации движения автономного необитаемого подводного аппарата;
  •  выбор средства визуализации результатов имитационного моделирования;
  •  разработка и отладка программного обеспечения для визуализации результатов моделирования выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологической аномалии.


1 КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

Развитие систем контроля состояния морской природной среды и прибрежных территорий является одним из приоритетов национальной морской политики. Ключевым элементом обеспечения экологической безопасности водных объектов является оперативный контроль и выявление подводных потенциально опасных объектов в глубоководных районах и в шельфовой зоне с использованием СПК, располагающихся на автономных необитаемых подводных аппаратах или других кораблях-носителях, обеспечивающих измерение гидрохимикофизических параметров водной среды в реальном масштабе времени по ходу движения.

Опыт применения автономных необитаемых подводных аппаратов показал необходимость разработки программно-аппаратного имитатора работы комплекса для формирования навыков работы у операторов при решении задачи обнаружения и классификации экологических аномалий техногенного происхождения [3].

1.1 Обзор задач, решаемых при выходе автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

1.1. Постановка задачи обнаружения экологической аномалии

Современные требования к обеспечению экологической безопасности Российской Федерации, а также требования "Морской доктрины РФ" и "Концепции глубоководной деятельности", утвержденные президентом РФ [5], формируют модель использования СПК в различных ситуациях и определяют круг решаемых задач. К ним в первую очередь относятся:

  1.  поисково-обследовательские, природоохранные, подводные, научно-исследовательские и специальные работы;
  2.  океанологические и другие исследования;
  3.  получение данных о ППОО.

В зависимости от сфер применения, описанных выше,  СПК расположенный на АНПА способен решать следующие задачи [7]:

1) Поисково-обследовательские, природоохранные, подводные, научно-исследовательские и специальные работы:

  •  задача обнаружения экологических аномалий (ЭА) в морской среде, определения их координат, количественных показателей, их границ (размеров) и их классификации по типу источника загрязнения "подвижный-неподвижный".
  •  задача выхода на точечный или подвижный источник загрязнения.
  •  обследование и мониторинг акваторий как в местах базирования флотов РФ, так и в других акваториях зоны экономической ответственности РФ (реки, озера, моря).
  •  получение данных геологических, гидрофизических, гидрохимических, радиационных, геофизических и экологических исследований на шельфе в интересах поиска и разработки полезных ископаемых;
  •  геодезические исследования дна мирового океана, при строительстве и инспекции подводных сооружений.
  •  получение данных по толщине и характеристикам льда;
  •  получение данных по рельефу дна, химическим и радиационным характеристикам морской среды и грунтов в заданных районах;
  •  получение данных по скоростям течений и коэффициентам турбулентности обмена на различных глубинах;
  •  обеспечение экологической безопасности буровых платформ и обслуживающих транспортных средств (обеспечивающих судов и т.п.).
  •  обнаружение и наблюдение за стационарными подводными объектами, подводной инфраструктурой иностранных государств.

2) Океанологические научно-исследовательские работы:

  •  Определение фоновой обстановки (фонового состояния) морской среды на маршрутах следования и в местах проведения исследовательских и специальных работ;
  •  Получение исходных данных для формирования карт с нанесенными на них границами шельфа;
  •  Получение данных для формирования карт районирования Мирового океана по характеристикам гидрофизикохимических и других полей с учетом сезонных изменений;
  •  Навигационно-гидрографическое и информационное обеспечение выполнения оборонных задач;
  •  Определение границ континентального шельфа, а также его исследование с целью обнаружения месторождений полезных ископаемых и определения их границ. СПК позволяют выявить наличие интересующего химического элемента в исследуемой придонной области.

3) Получение данных о ППОО:

  •  Оперативное уточнение местоположения ППОО с помощью акустических, или иных средств;
  •  Задача обследования трасс трубопроводов, кабельных линий на морском дне.
  •  Оценка степени радиационной, токсикологической и экологической опасности аномалий техногенного происхождения в морской среде;
  •  Диагностика технического состояния объектов, являющихся причинами (источниками аномалий), при выполнении поисково-обследовательских работ в районах нахождения ППОО и других работ;
  •  Оперативное получение объективной информации о характере и интенсивности воздействия аварийного объекта на морскую среду, обеспечение локализации границ этого воздействия;
  •  Оперативное информационное обеспечение спасательных работ;
  •  Оперативное информационное обеспечение работ по ликвидации.

Анализ показывает, что решение каждой из перечисленных задач требует использования соответствующей аппаратной (приборной) части СПК, необходимых специализированных программных комплексов и соответствующих методик проведения работ. В зависимости от конкретного вида работ и места их проведения существенно меняются как виды и технические возможности используемых носителей СПК: надводные суда, ИПЛ, автономные необитаемые подводные аппараты, обитаемые глубоководные аппараты, стационарные платформы, буйковые станции и др., так состав и технические характеристики информационно-измерительных каналов.

Модель использования СПК предполагает двухэтапное решение задачи поиска и выявления ЭА. На первом этапе на основе исследования интегральной характеристики водной среды – УЭП выявляется зона загрязнений и осуществляется классификация возможного источника ЭА ("подвижный" – "неподвижный"). На втором этапе включается "тонкая ступень" анализа (более затратная) для определения состава загрязнений и измерения концентраций загрязняющих веществ, определяющих нанесённый ущерб природной среде.

Так, например, во внутренних и прибрежных акваториях СПК, в основном, используются для обнаружения и классификации источников загрязнения. При этом СПК размещается на надводном корабле. Особенностью данной конфигурации СПК является наличие буксируемой линии, которая опускается за борт с надводного корабля и в процессе движения измеряет параметры окружающей среды  на нескольких горизонтах. СПК используются для контроля акваторий в местах базирования Северного флота, Черноморского флота РФ [5], а также в акваториях Ленинградской Военно-морской базы, при проведении исследований в Балтийском море в районе Борнхольской впадины при прокладке Северо-Европейского газопровода (СЕГ) [2].

В прибрежных и открытых акваториях океана решаются задачи обнаружения трубопроводов, глубоководных химических и радиоактивных загрязнений, задачи, связанные с работами на шельфе, задачи океанологических исследований. При решении этих задач применяются автономные необитаемые подводные аппараты, глубоководные обитаемые аппараты (ГОА), а также ИПЛ, оснащенные СПК [3].

В состав СПК, размещаемого на АНПА или ГОА дополнительно входит канал телеметрии, гидрооптический канал, ультразвуковой канал (УЗК), в составе аппаратуры имеется датчик угловой скорости, предназначенный для передачи сигналов в систему управления подводных аппаратов. АНПА и ГОА используются в задачах поиска и обследования трубопроводов, разведки месторождений, поиска и обнаружения глубоководных загрязнений химическими и радиоактивными отходами. АНПА находят широкое применение при проведении поисковых работ, в геодезических исследованиях дна мирового океана, при строительстве и инспекции подводных сооружений [4].

Особенностью применения АНПА и ГОА является ограниченное время на решение поставленных задач – всего несколько часов. Работа СПК на борту ГОА осуществляется на глубинах до нескольких километров, под давлением в несколько сотен атмосфер. При этом невозможно выставлять и настраивать вручную параметры алгоритмов обработки информации СПК, поэтому все функционирование СПК должно осуществляться в автоматическом режиме.

Особенность применения СПК на ИПЛ заключается в решении задачи океанологических исследований, при поиске и обнаружении ЭА, обследовании трубопроводов, при поиске и обнаружении затопленных кораблей с химическими и радиоактивными отходами.

При поиске ППОО, например трубопровода, ИПЛ находит область возможного нахождения ЭА, обходит обнаруженную область. Для более детального и подробного определения местоположения объекта на морском дне в заданную область с борта ИПЛ запускается АНПА. С его помощью проводится анализ и обнаружения местоположения трубопровода. При этом время, за которое ИПЛ решает эти задачи, ограничено несколькими сутками.

Для ИПЛ, как правило, не стоит задача только обнаружения и классификации ЭА. Они, в основном, применяются для определения границ шельфа, для исследования и обнаружения месторождений полезных ископаемых, что предполагает работу СПК в сложных климатических условиях, в том числе подо льдами Северно-Ледовитого океана. При этом СПК может работать в автоматизированном режиме с участием оператора. Функционирование СПК определяется соответствующими алгоритмами обработки информации (АОИ).

При разработке новых АОИ, при отработке аппаратуры СПК с учетом сложной природы анализируемых нестационарных сигналов ГФ полей возникает необходимость моделирования как экологической обстановки (для отработки СПК в целом), так и имитации сигналов датчиков ГФ полей СПК (для отработки алгоритмов).

1.1.2 Особенности применения автономного необитаемого подводного аппарата

Рассмотрим более подробно особенности применения автономного необитаемого подводного аппарата при решении задач перечисленных в разделе 1.1.1.

Современные многоцелевые АНПА представляют собой новый класс подводных робототехнических объектов с присущими им задачами и практическим применением, особенностями технологии и составом систем. При этом системы, входящие в состав АНПА и судового оборудования, отличаются большим разнообразием по назначению и физическим принципам их работы, что порождает достаточно жесткие и противоречивые требования к технологии конструирования и внутренней системной организации. Расширение функциональных возможностей АНПА связано также с решением ряда новых теоретических задач. В первую очередь, это задачи управления и навигации, ориентирования на местности, сбора и накопления разнообразной целевой информации о среде и, наконец, обеспечения безопасности аппарата в штатных режимах и в особых ситуациях. Необходимо отметить, что не только решение, но и сама постановка подобных задач во многих случаях еще требуют теоретических обоснований и проведения экспериментов на макетах и моделях.

Использование новых технологий значительно расширило сферу применения АНПА. В настоящее время имеется значительное число проектов и действующих разработок, ориентированных не только на ранее сложившиеся сравнительно доступные области применения, но и на выполнение совершенно новых работ по океанографии, обслуживанию различных отраслей. Одной из наиболее важных задач в этом направлении является увеличение автономности на основе более емких и возобновляемых энергоисточников. Другой не менее важной задачей является расширение функциональных свойств аппаратов, придание им функций "интеллектуального" поведения.

В настоящее время нет достаточных оснований говорить о приоритетном развитии тех или иных направлений по применению и специализации АНПА. Можно отметить определенные тенденции в использовании наряду с  хорошо отработанными бортовыми системами и структурами универсальных робототехнических комплексов из относительно простых, малых и дешевых аппаратов.

Существуют различные оценки эффективности автономных аппаратов по сравнению с другими средствами, которые обычно используются для глубоководных работ. В статье [5] приводятся сведения об экономии 100 млн. долл. за 5 лет, которую, нефтяная компания Shell, могла бы получить, применяя АНПА для ряда обычных глубоководных обследований и следующих производственных задач: обследование районов для бурения скважин, маршрутов прокладки трубопроводов, сбор океанографических данных. В статье [6] приводятся результаты оценок снижения затрат благодаря применению АНПА в размере 772 млн. долл., выполненных Крисом Моттом для Kongsberg Simrad.

Для успешного применения АНПА необходимо выполнить следующие требования: технология должна обеспечивать минимальный потребительский риск и экономический эффект, аппарат должен быть относительно небольшим, надежным и достаточно универсальным, т.е. должен обеспечивать возможность функциональной перестройки. Противоречивость указанных требований достаточно очевидна.

Как показал опыт Института проблем Морских Технологий Дальневосточного Отделения Российской Академии Наук (ИПМТ ДВО РАН) по созданию автономных, телеуправляемых и буксируемых аппаратов, противоречивость ряда требований разрешается благодаря использованию унифицированных конструктивных модулей, разработанных с учетом их функционирования на борту глубоководного аппарата. Аналогичный принцип был, по-видимому, положен в основу некоторых зарубежных разработок, в частности, французского глубоководного аппарата "Epaulard" и, в дальнейшем, многих современных аппаратов, таких как американский "AUSS", канадский "Theseus" , европейский "MARIUS"  [4].

При создании глубоководных АНПА стремление уменьшить массу и размеры приводит к росту числа индивидуальных разработок. Связано это с тем, что серийная аппаратура зачастую не может быть применена в качестве комплектующих элементов аппарата из-за неприемлемых масс и габаритов. Кроме того, обычной является ситуация, когда необходимая серийная продукция вообще отсутствует, а комплектующие изделия доступны только в виде недостаточно совершенных и дорогостоящих экспериментальных образцов. Другая особенность АНПА связана с необходимостью выбора компромиссных решений между универсальностью и специализацией, причем во многих случаях грань, их разделяющая, достаточно размыта. Универсальность АНПА может быть реализована двумя различными подходами в зависимости от целей, которые при этом преследуются.

Мировой опыт применения АНПА (AUV) для решения задач, связанных с геологической разведкой на больших глубинах и топографической съемкой рельефа дна, заключается в основном в проведении опытно-методических работ, демонстрирующих большие преимущества АНПА по сравнению с другими видами подводных технических средств. Достаточно наглядным примером может служить автономный аппарат "Hugin" [8], созданный в норвежском центре подводных технологий при поддержке фирмы "Simrad" для работ на глубинах до 3000 м. Большинство существующих в настоящее время зарубежных автономных подводных аппаратов аналогичного назначения рассчитано для работы на глубинах менее 3000 м.

Вместе с тем специалистами признается огромное значение, которое могут иметь АНПА при геологических и геодезических работах в глубоководных районах, богатых залежами полезных ископаемых и отличающихся исключительным разнообразием геологических форм рельефа дна и активных процессов в районах вулканической деятельности. Так, например, по данным рифтовая зона Центрально-Атлантического хребта характеризуется наличием нескольких низко и высокотемпературных сульфидных источников, богатых разнообразным составом редких металлов. Специалистами-геологами признается также исключительная актуальность использования АНПА для детального изучения гидротермальных систем, располагающихся на склонах подводных вулканов и в разломах земной коры.

Обширные работы в этом направлении проводятся KORDI (Республика Корея), и для разведки железомарганцевых корок и конкреций в Микронезии в 1998 г. использовался АНПА "ОКРО 6000", созданный по совместному (с "DAEWOO")  российско-корейскому проекту [6].

В перспективе аппараты подобного назначения кроме обычных задач могут решать задачи геомагнитных и гравиметрических измерений, акустического профилирования дна, съемки геологических разломов и наблюдения за процессами вулканической деятельности. Практический опыт разработки и использования АНПА в данной области пока еще довольно беден, и сама постановка задач требует проведения сложных технических экспериментов. Как показывают опенки специалистов, АНПА могут с успехом применяться для исследования активных процессов в районах колоссального скопления газовых гидратов (Охотское море), и это направление можно считать одним из наиболее приоритетных как в отношении геологических перспектив, так и в отношении экологического мониторинга водной среды.

Исследовательские океанографические задачи, связанные с широкомасштабными измерениями параметров среды в водной толще и вблизи дна, относятся к числу наиболее трудоемких, присущих АНПА. К преимуществам АНПА при выполнении такого рода работ можно отнести [9]:

  •  возможность производства прецизионных измерений в сочетании с высокой точностью навигационной привязки;
  •  организацию планомерной сети траекторий, дающей достоверную картину распределения исследуемых характеристик водной среды;
  •  возможность оперативного мониторинга и документирования информации для освещения подводной обстановки.

В настоящее время существует достаточно широкий класс многоцелевых исследовательских аппаратов, использующихся для океанографических измерений, как на шельфе, так и на больших глубинах. Примером может служить создание в США серии аппаратов "Odyssey", (Массачусетский технологический институт). "Осеап Voyager 2", "Осеап Explorer" (Флоридский океанографический университет), "REMUS" (Океанографический институт Woods Hole), совместно применявшихся в ряде океанографических экспериментов, в т. ч. по программе военно-морского океанографического управления NAVYOCEANO[8]. По перспективным проектам предполагается использование комплекса таких аппаратов для изучения активных придонных источников (например, гидротермалей), обследования нефтяных разработок, исследования широкомасштабных океанических структур, акустической томографии, мониторинга водной среды. Очевидно, что столь многообразные применения аппарата могут быть реализованы только при высоком уровне организации всей системы управления на основе многопроцессорной бортовой вычислительной сети и ее способности к реконфигурации применительно к различным задачам.

Известны эксперименты [12], иллюстрирующие возможности комплексного использования нескольких аппаратов для изучения приливно-отливных процессов, океанической глубинной конвекции и ряда других динамических явлений в океане. Проведенные исследования первые в области мониторинга с применением автономных аппаратов. Вместе с тем руководителями работ отмечается, что вследствие пространственной и временной изменчивости океана, а также больших масштабов этих явлений проводимые эксперименты оказываются недостаточными для получения полной картины исследуемых процессов и их прогнозов. Фактически актуальной становится задача развертывания широкомасштабных систем наблюдения и освещения подводной обстановки и глобального долговременного мониторинга.

К классу актуальных задач использования АНПА в области морской геологоразведки относится поиск месторождений нефти, газа и газогидратов. По результатам измерений экспресс-анализа выделяются площади, перспективные на поиск нефти, газа и газогидратов. Кроме того, по этим данным и в комплексе с другими геологическими и геофизическими характеристиками можно прогнозировать возможность эпизодов землетрясений и, соответственно, цунами.

Экологический мониторинг водных акваторий предполагает измерение гидробиологических, гидрохимических и гидрофизических параметров среды с последующим картографированием данных [7]. Наиболее эффективно подводные роботы могут быть применены для экологического мониторинга водной среды в придонных слоях, включая оценку гидрохимического состояния воды по параметрам, определяемым с помощью датчиков и характеризующим состояние экосистемы: содержание кислорода, соленость, кислотность, температуру, электропроводность, мутность воды, концентрацию хлорофилла. Важны также комбинированные исследования на испытательных полигонах с применением традиционных методов и подводных технических средств [9]. Это позволяет количественно отследить взаимосвязи между экологическими параметрами и затем распространять полученную с помощью подводных роботов информацию на всю акваторию с учетом биологических взаимосвязей и характеристик грунта.

1.1.3 Научное оснащение для работы автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

В зависимости от решаемой задачи комплекс научного оборудования может содержать измерители параметров водной среды и приборы для изучения свойств приповерхностных слоев грунта и донных объектов. Обычно в состав такого комплекса входят информационно-измерительная система (ИИС) и система технического зрения (СТЗ). Основу ИИС составляют измерители гидрологических параметров (ИГЛ), например CTD-измерители, в зарубежных странах, которые предназначаются для определения электропроводности (conductivity), температуры (temperature), глубины (depth) и широко применяются при изучении и освоении природных ресурсов Мирового океана [9].

Геофизические приборы, которые могут входить в состав ИИС, отличаются большим разнообразием как по физическим принципам, так и по модульному исполнению. К ним относятся, в частности, акустический профилограф течений, устройства электромагнитного поиска, магнитометры, гравиметры, радиометры, накопители и средства обработки информации. Некоторые из указанных устройств разрабатываются в морском исполнении для оснащения буксируемых систем. По техническим характеристикам, главным образом по массам и размерам, они во многих случаях оказываются малопригодными для установки на АНПА. Кроме того, существенными являются сами условия работы этих устройств на борту АНПА. В частности, это относится к магнитометрам, гравиметрам и электромагнитным устройствам, работа которых зависит от собственных физических полей носителя и его движения вблизи дна. В связи с этим в большинстве случаев возникает необходимость в специальных разработках с учетом конкретных требований проекта и технологических особенностей АНПА [8].

В состав системы технического зрения АНПА могут входить разнообразные устройства, обеспечивающие обзор и съемку дна в зависимости от характера и цели проводимой работы, а также выработку визуальной информации, необходимой для управления аппаратом. Визуальная информация представляется в виде акустических или видеоизображений и при работе в режиме реального времени используется системой управления. В наиболее полной конфигурации СТЗ представляет собой модульную интегральную систему, объединяющую гидролокаторы бокового, секторного (кругового) обзора, батиметрический гидролокатор, акустический профилограф, фото и видеосистемы, другие поисковые измерительные устройства. Подавляющая часть данных приборов требует специальной разработки с учетом особенностей АНПА, и лишь в отдельных случаях может быть использована готовая продукция. К перечисленным системам и устройствам следует, очевидно, добавить разнообразнейшее по составу и функциональным свойствам базовое оборудование, обеспечивающее навигацию, управление и связь. Нужно отметить, что головной разработчик современных "интеллектуальных" АНПА выступает фактически в роли координатора усилий специализированных предприятий, поставляющих различные виды научного оборудования, создаваемого по требованиям головного разработчика.

Как правило, в составе современных подводных аппаратов используются навигационные комплексы, включающие бортовые автономные, гидроакустические и спутниковые системы навигации. Так, на автономном аппарате "Hugin" фирмы "C&C" используется инерциальная навигационная система (IPS) на оптоволоконных гироскопах, которая интегрирована с доплеровским лагом RD Instruments, датчиком глубины, датчиком высоты и акустической системой с ультракороткой базой (USBL) фирмы "Konsberg Simrad". Фирма "Maridan" вместе с Датским техническим университетом и "Kearfott Guidance and Navigation Corporation", США, разработала систему "Marpos" для установки на борт AUV. "Marpos" это комплексированная доплеринерциальная система, ядром которой является высокоточная бесплатформенная инерциальная навигационная система KN5053 с лазерными гироскопами, Разработанная компанией "Kearfott" [11]. ИНС корректируется данными доплеровского лага RDI, который измеряет скорость аппарата над грунтом или относительно воды, а для поверхностной навигации используется приемник DGPS [12].

Аналогичная идеология использована при разработке аппарата "Oracle" фирмы "ThalesBluefin", на котором основу навигации составляет система "Litton LN250 MIMU", состоящая из трех волоконнооптических гироскопов и трех акселерометров, установленных на инерциальном блоке [15]. В состав навигационной системы входят, кроме того, цифровой кварцевый датчик давления (глубины), акустическая система позиционирования с ультракороткой базой, высокочастотный доплеровский лаг.

Аналогичная архитектура навигационной системы используется в аппарате, создаваемом объединением фирм "Boeing Company", "Fugro GeoServices Inc.", "Oceaneering International Inc.". Она основана на полной интеграции всех имеющихся измерителей, включая IPS, доплеровский лаг, датчик высоты, датчик глубины, системы с длинной и ультракороткой базой.

Как отмечается в работе, одним из самых совершенных устройств, входящих в состав всех интегральных систем, является доплеровский абсолютный лаг, производимый фирмой " RD Instruments". Фирма установила свои лаги "Workhorse" на более чем 90% мирового флота AUV и более чем на 100 аппаратах типа ROV [13].

Многолетний опыт ИПМТ ДВО РАН по созданию подводных аппаратов  это и опыт разработки и эксплуатации навигационных средств. Созданные за прошедшие годы навигационные средства имели различные характеристики по дальности действия и точности, существенно отличались подходами к построению систем, но в целом были направлены на решение задач, обеспечивающих надежную и достоверную навигационную поддержку АНПА различного назначения. По опыту всех предшествующих работ перечень этих задач включает следующее [16]:

  •  определение и отображение на борту обеспечивающего судна текущего местоположения АНПА в условиях мелкого и глубокого моря;
  •  безопасное плавание и выполнение рабочих миссий вблизи дна и донных препятствий;
  •  управление ходом миссии с борта судна;
  •  получение на борту судна минимальной информации о состоянии систем АНПА;
  •  определение текущих координат АНПА на его борту;
  •  повышение оперативности и расширение районов работ навигационной системы за счет отсутствия стационарно установленных средств (маяков);
  •  высокоскоростной обмен информацией между АНПА и судном по гидроакустическому каналу связи;
  •  приведение аппарата в зону действия гидроакустических средств и обеспечение связи для управления в ближней зоне.

В состав навигационного оснащения аппаратов, создаваемых в ИПМТ ДВО РАН, входят элементы бортовой автономной, гидроакустической и спутниковой систем навигации. Каждая из систем в свою очередь представляет собой комплекс устройств, входящих в общий базовый состав систем АНПА и судового оборудования [17]. Схема навигационного оснащения АНПА показана на рис 1.

Рисунок 1 - Схема навигационного оснащения АНПА

Значительный прогресс в разработках систем энергопитания привел к появлению АНПА с дальностью действия в сотни километров и автономностью в десятки и сотни часов. Применение обычного комплекса гидроакустических систем с длинной и ультракороткой базами при выполнении долговременных миссий становится либо невозможным, либо нерациональным [20]. При таком сценарии работ необходимо использование ИНС на борту аппарата совместно с доплеровским лагом для измерения абсолютной скорости. Коррекция навигации производится по данным GPS с обсервациями на поверхности или на глубине по данным сети опорных маяков, размещенных вдоль трассы движения. Навигационное бортовое оборудование АНПА показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Навигационное бортовое оборудование АНПА

Кроме того, АНПА дальнего действия целесообразно оснастить средствами приема и, по возможности, излучения низкочастотных акустических сигналов с дальностью распространения не меньше, чем дальность действия аппарата, в качестве средства дальнего приведения к борту обеспечивающего судна.

Проблема докования требует от навигационного обеспечения значительно более высокой точности, поддержки супервизорного режима управления средствами двухсторонней связи, идентичности отображения навигационной обстановки на бортах аппарата и ОС, высокой оперативности. Для решения этих задач средства навигации и связи должны быть высокочастотными, их рабочая дальность обычно не превышает сотен метров.

Важную роль в составе средств навигационного обеспечения играет гидроакустическая система связи (ГАСС), использующая каналы связи в режимах командного и информационного высокоскоростного обмена между АНПА и обеспечивающим судном. Так, в информационном канале для контроля работы обзорно-поисковых систем АНПА (ТВ, ГБО) скорость передачи должна быть максимальной при умеренных требованиях к вероятности ошибки (10-1-10-2) [7]. В командном канале (навигация, телеметрия, телеуправление) скорость может быть снижена в десятки раз с ужесточением требований по допустимой вероятности ошибки до 10-3-10-4 [7].

Общие подходы в разработке аппаратуры ГАСС основаны в настоящее время на широком использовании современных программно-аппаратных средств, что позволяет компактно реализовать основные результаты, которые достигнуты за более чем тридцатилетнюю историю разработок гидроакустических систем связи. В первую очередь это предварительная обработка передаваемой информации, увеличение информационной емкости сигналов за счёт применения многопозиционной фазово-частотной манипуляции, использование эквалайзеров для адаптивной коррекции характеристик канала связи, внедрение элементов помехоустойчивого кодирования, применение сложных помехоустойчивых сигналов [8].

1.1.4 Интеллектуализация автономного необитаемого подводного аппарата 

При проведении подводных работ как в мелком море, так и на больших глубинах (вплоть до предельных глубин океана) принципиальное значение имеет степень информационной автономности подводного робота, т. е. его способность самостоятельно действовать в неизвестной или недостаточно определенной среде. В настоящее время задания для АНПА формируются с использованием императивных методов программирования (как текстовых, так и графических), детально описывающих последовательность действий робота, которые нужно совершить для достижения требуемой цели. При этом представление о самой цели имеет только оператор АНПА, который составляет задание. Подобная технология эффективна, если работа робота осуществляется в рамках априорного сценария. В остальных случаях она может либо вообще не выполниться, либо выполниться с большими нарушениями и угрозой безопасности аппарата. Поэтому для выполнения миссии при непредвиденных обстоятельствах исключительное значение имеет "интеллектуализация" системы управления АНПА [4].

Так, в существующих системах управления для диагностирования и идентификации оперативных ситуаций, например аварийных, используется контроль соответствия моделей процессов и их реализаций. Возникновение конфликтных признаков (рассогласований), превышающих заранее заданные пределы в течение установленного промежутка времени, свидетельствует об "аварийности" ситуации, что требует фиксированной реакции (последовательность действий) системы. Однако при возникновении одновременно нескольких конфликтных признаков авария не парируется, так как ее причина, как следствие отдельных предусмотренных аварий, не выявляется и цель не достигается. Очевидно, необходима "интеллектуализация" управления АНПА для повышения его живучести при возникновении опасных или аварийных ситуаций.

Интеллектуализация АНПА подразумевает также способность системы управления осуществлять функции анализа сцен и общей обстановки, навигации, ориентирования на местности, сбора и накопления разнообразной информации о среде. Традиционные методы управления не всегда эффективны в условиях неполной или недостоверной информации о внешней среде, при деградации части систем (отказах, авариях) или необходимости целенаправленной реконфигурации (восстанавливающего или развивающего управления).

Разрабатываются архитектуры и принципы интеллектуального управления динамическими системами, но не только в подводной тематике, но и в смежных областях, эти работы пока не в полной мере оправдывают свое название. Весьма актуальна проблема повышения потенциала управления этими системами на основе разработки новых методов динамического анализа, распознавания образов, адаптации и искусственного интеллекта.

Для "интеллектуализации" процесса поиска подводных объектов в настоящее время разработаны и используются в системах управления АНПА алгоритмы распознавания в реальном времени ограниченного класса объектов с простыми геометрическими формами или типовыми сигналами. Необходимо расширить этот класс. Кроме того, поиск и идентификация объекта сопровождаются, как правило, маскирующим воздействием помех, вариаций внешних полей и наличием ложных целей. К классу наиболее актуальных задач относятся распознавание образов на гидролокационных и фототелевизионных изображениях, получение высокоразрешающих томограмм морского дна и физических полей [16].

Создание высокоточных систем управления по наблюдениям изображений внешних физических полей еще недостаточно обеспечено адекватными методами, моделями и алгоритмами. Построены и апробированы алгоритмы обработки изображений наблюдаемых пространственных сцен сравнительно простой структуры (в основном типа "объектфон"), разработаны методы автономного управления движением на базе результатов этой обработки. Однако с учетом сложности общей задачи и возможностей бортовых ЭВМ необходимы методы навигации и алгоритмы, эффективные в реальном масштабе времени. В силу существенной нестабильности и меньшей информативности гидролокационных и телевизионных изображений в водной среде, по сравнению с оптическими и инфракрасными системами в воздухе, их обработка и распознавание значительно сложнее. Не решены также проблемы информационного обеспечения таких систем, надежности и устойчивости работы навигационных алгоритмов в условиях информационных помех.

Рисунок 3 - Схема моделирующего комплекса системы управления интеллектуального АНПА

Одной из актуальных задач интеллектуализации системы управления АНПА является построение имитационного моделирующего комплекса, позволяющего генерировать виртуальную среду, визуализировать движение аппарата и поддерживать в режиме имитации работу сенсорных устройств. Одна из возможных функциональных версий такого комплекса отражена схематически на рисунке 3, где разными цветами показаны блоки, соответствующие отдельным задачам моделирования [13].

В ряде известных работ по созданию компьютерных тренажеров акцент делается на реализации виртуальной и усиленной реальности (Augmented Reality). В рамках проводимых исследований наряду с этим предполагается и решение более сложной задачи по моделированию работы сенсоров с последующей реконструкцией трехмерной подводной среды. Этого требует и режим телеуправления, когда оператор должен иметь текущую, постоянно обновляемую визуальную информацию об окружающей среде и состоянии объекта управления. Реконструкция пространственных объектов необходима и для решения другой принципиально важной задачи при автономном движении: планировании траектории движения средствами собственного программно-алгоритмического интеллекта робота. Очень важно при создании моделирующего комплекса в целом обеспечить универсальную возможность исследования для разных типов АНПА, различных способов управления движением, различных режимов планирования траекторий в условиях разной сложности подводной обстановки. Это накладывает определенные требования на структуру комплекса, его интерфейс, возможности редактирования моделей объектов и ведения пополняемых баз данных. Важным аспектом реализации является режим реального времени, требующий применения эффективных в вычислительном отношении алгоритмов. Дополнительный потенциал для обеспечения режима реального времени  применение распределенных/параллельных вычислений [19].

1.1.5 Режимы работы судового природоохранного комплекса автономного необитаемого аппарата и автономного необитаемого аппарата

Рассмотрим режимы работы при установке СПК на корабле носителе при решении некоторых задач сформулированных в п. 1.1.1.

  1.  Обнаружение и классификация ЭА;
  2.  Выход на источник загрязнения;
  3.  Целевой поиск конкретного ЗВ;
  4.  Мониторинг акваторий;
  5.  Океанологические исследования;
  6.  Определение границ шельфа;
  7.  Геодезические исследования дна.

При решении задач СПК, расположенном на АНПА, можно выделить следующие режимы работы:

  1.  Обнаружение и классификация ЭА;
  2.  Выход на источник загрязнения;
  3.  Обследование трасс трубопроводов и кабельных линий;
  4.  Определение размеров и координат ППОО;
  5.  Взятие проб для "тонкого" анализа;
  6.  Инспекция подводных сооружения.

В зависимости тех или иных режимов работы используются соответствующие алгоритмы обработки. Рассмотрим некоторые из них. Как было показано выше, существуют измерительные каналы первой ступени на основе измерения интегральных характеристик, предназначенные для предварительного обнаружения ЭА. С их помощью определяют наличие аномалий в водной среде и координаты местоположения этих аномалий. К ним относятся алгоритмы, основанные на обнаружении интегральных характеристик: удельной электрической проводимости (УЭП), водородного показателя (рН), окислительно-восстановительного потенциала (Еh), содержания растворенного кислорода (О2).

К выходным параметрам этих алгоритмов относятся

  •  наличие или отсутствие загрязнения;
  •  возможные координаты ЭА;
  •  классификатор подвижный/неподвижный источник ЭА;
  •  расстояние до источника ЭА;
  •  скорость движения подвижного источника ЭА.

На второй ступени анализа определяется наличие тех или иных загрязнений химических (хлоридов, фторидов, сульфатов, нитратов, нитритов, фосфатов, аммония, кальция, калия, натрия, бария, магния, свинца, хрома, железа, ртути, меди, цинка, никеля, марганца, кобальта, висмута, нефтепродуктов, фенолов, формальдегида, анионных поверхностно-активных веществ (АПАВ), катионных поверхностно-активных веществ (КПАВ), радиоактивных и других.

К выходным параметрам алгоритмов тонкой ступени относятся

  •  наличие или отсутствие загрязнения;
  •  наименование загрязняющего вещества;
  •  признак искомого ЗВ (есть/нет);
  •  концентрация ЗВ;
  •  скорость истечения ЗВ;
  •  горизонт расположения ЗВ.

При решении различных задач СПК, используются различные совокупности алгоритмов обнаружения  информации. Применяется первичная и вторичная обработка сигналов. К первичной обработке сигналов относится фильтрация, обработка шумов, определение алгоритма. Во вторичной обработке сигналов реализуется, как правило, тот или иной алгоритм обнаружения аномалии [16].  

Поиск экологической аномалии осуществляется исходя из целей применения АНПА с учетом алгоритмов обнаружения.

Схема алгоритмов обработки информации в судовом природоохранном комплексе показана на рисунке 4.


1.2 Структура системы моделирования поиска экологических аномалий 

Моделирующая система поиска экологических аномалий предназначена для моделирования движения корабля-носителя СПК в заданной экологической обстановке. Она включает в себя модель среды, включая модель источника загрязнения с соответствующими параметрами, динамическую модель исследовательского корабля-носителя АНПА, с которого выпускается АНПА, динамическую модель АНПА.

На рисунке 5 представлена укрупнённая структура моделирующей системы.

Первоначально в модуле "задания параметров среды экологической обстановки" задаются параметры среды и источника загрязнения. К параметрам среды относятся скорость течений, плотность воды, координаты района, параметры источника загрязнения (ЭА) "подвижный"-"неподвижный", его скорость, если он подвижный, координаты, область загрязнения, скорость истечения загрязняющих веществ (ЗВ), какое это ЗВ, его количественный состав [17].

Из этого модуля данные передаются в базу данных ГИС-гидрологии откуда получают гидрологические параметры, необходимые для дальнейшего моделирования. Также данные из модуля "задания параметров среды экологической обстановки" передаются в блок расчёта кинематических параметров, в котором постоянно пересчитываются параметры для задания текущей экологической обстановки и местоположения корабля-носителя СПК. Данные от блоков "База данных гидрологической информации гидрологии", "Расчет измерения текущей экологической обстановки", "Блок расчета кинематических параметров" передаются в блок расчёта параметров моделей, где осуществляется расчёт динамической модели движения ИПЛ, АНПА, ЭА, данные о среде. Далее имитируется работа измерительных каналов СПК с помощью имитаторов гидрофизических полей. Сигналы с выхода имитаторов подаются на алгоритмы обработки информации, где реализуется обработка данных в соответствии со штатными алгоритмами СПК и принимается общее решение по совокупности задействованных алгоритмов. С выхода блока "Имитаторы гидрофизических полей СПК" передаются параметры на алгоритмы управления движением и в блок визуализации в зависимости от той или иной задачи корабля-носителя СПК. С выхода алгоритмов управления движением информация поступает на блок имитации движения корабля-носителя СПК. Далее информация передаётся в блок имитации движения АНПА. На последнем этапе визуализируются результаты работы моделирующей системы [15].

Учитывая наличие большого числа динамических моделей, кораблей-носителей СПК, АНПА, ЭА и т.п., необходимо сформировать требования при визуализации результатов моделирования.


1.3 Формирование требований к программному обеспечению визуализации результатов моделирования

Для формирования требований к визуализатору результатов моделирования поиска ЭА определим интересующие режимы работы СПК, расположенном на АНПА при решении некоторых задач, сформулированных в п. 1.1.1. К ним относятся следующие:

  1.  Обнаружение и классификация ЭА
  2.  Выход на источник загрязнения
  3.  Обследование трасс трубопроводов и кабельных линий
  4.  Определение размеров и координат ППОО
  5.  Взятие проб для подробного анализа
  6.  Инспекция подводных сооружения

Общими требованиями к визуализатору во всех режимах работы является необходимость обзора и освещения области поиска при движении по акватории. При этом источник освещения должен акцентировать внимание на важных для анализа деталях. При нахождении ЭА или искомого объекта должна подсвечиваться траектория движения АНПА. При движении по траектории должны отображаться метки, отражающие срабатывание тех или иных алгоритмов СПК, метки, в которых содержится информация о скорости движения АНПА, его координатах, его ресурсе, метки, характеризующие область ЭА.

Также необходимо осуществлять видеозапись результатов моделирования для создания возможностей одновременной работы нескольких операторов с данной экологической ситуацией, для демонстрации результатов моделирования при их представлении. При этом данный визуализатор должен быть достаточно экономичным и иметь широкие возможности для модификации.

Рассмотрим особенности изложенных требований при различных режимах работы СПК.

Режим отладки характеризуется тем, что он должен давать возможность отрабатывать вновь разрабатываемые и существующие алгоритмы инженерам. При этом работа остальных алгоритмов может осуществляться в штатном режиме. В этом режиме обзор должен охватывать достаточно большую площадь исследуемой акватории, по траектории движения автономного необитаемого подводного аппарата должны расставляться метки, характеризующие срабатывание только исследуемого алгоритма. Освещение целесообразно всей рабочей области автономного необитаемого подводного аппарата.

В режиме обнаружения и классификации ЭА обзор также должен охватывать большую площадь исследуемой акватории, при этом должна подсвечиваться область ЭА. Траектория движения АНПА в этом режиме должна подкрашиваться при приближении к источнику ЭА. В случае выхода за границы области обнаружения ЭА, траектория должна становиться обычной. В этом режиме срабатывают алгоритмы первой ступени на основе удельной электрической проводимости, водородного показателя и содержания растворенного кислорода, а также гидрохимические алгоритмы, реагирующие на конкретное загрязняющее вещество. Целесообразно отмечать срабатывания алгоритмов и следующие параметры: дальность до источника ЭА, подвижная/неподвижная ЭА, наименование загрязняющего вещества, концентрация ЗВ, скорость истечения ЗВ, горизонт расположения ЗВ.

При выходе на источник загрязнения необходимо обнаруживать и отслеживать предполагаемые местонахождения источника ЭА. Конкретное местоположение источника ЭА должно быть хорошо освещено. Траектория движения корабля-носителя при обнаружении источника, при нахождении рядом с источником должна подкрашиваться, а при выходе за границы области обнаружения ЭА становится прежней. При этом срабатывают алгоритмы первой ступени удельной электрической проводимости, водородного показателя и содержания растворенного кислорода. Целесообразно отмечать срабатывания алгоритмов и следующие параметры: дальность до источника, "подвижная"-"неподвижная" ЭА.

При работе в режиме обследования трасс трубопроводов и линий обзор должен охватывать область исследуемого объекта, при этом объект должен подсвечиваться также как и прилегающая область. В данном режиме срабатывают алгоритмы на основе определения удельной электрической проводимости, водородного показателя и содержания растворенного кислорода. При движении траектория АНПА должна подкрашиваться в случае приближения к обследуемому объекту, на ней должны отображаться метки срабатывания алгоритмов и следующие параметры: размеры трасс трубопроводов и линий, расстояние до них от АНПА, ресурс хода АНПА по всей траектории движения.

В режиме определения размеров и координат ППОО обзор должен проводиться в пределах исследуемого ППОО. Траектория движения АНПА должна подкрашиваться при приближении к объекту. В этом режиме срабатывают алгоритмы первой ступени на основе определения удельной электрической проводимости, водородного показателя и содержания растворенного кислорода и гидрохимии в зависимости от конкретного ЗВ. ЗВ для поиска определяется заранее исходя из конфигурации состава аппаратуры СПК АНПА. Целесообразно отмечать срабатывания алгоритмов и следующие параметры: дальность до ППОО, признак искомого ЗВ (есть/нет), наименование загрязняющего вещества, концентрация ЗВ, скорость истечения ЗВ, горизонт расположения ЗВ, ресурс хода АНПА и его скорость.

В режиме взятия проб для подробного анализа обзор должен проводиться в пределах исследуемой области поиска ЭА, которая должна освещаться. В данном режиме АНПА берёт пробу воды или грунта в области ЭА и доставляет её на корабль-носитель. Траекторию движения АНПА целесообразно подкрашивать при приближении к местонахождению ЭА. В данном режиме срабатывают алгоритмы на основе определения удельной электрической проводимости, окислительно-восстановительного потенциала. Целесообразно отмечать срабатывания алгоритмов и следующие параметры: дальность до источника, подвижная/неподвижная ЭА.

При режиме инспекции подводных сооружений должен проводиться обзор сооружения, оно должно подсвечиваться. В данном режиме срабатывают алгоритмы на основе определения удельного электрической проводимости, окислительно-восстановительного потенциала, водородного показателя, давления, температуры. По ходу движения АНПА целесообразно отмечать срабатывания алгоритмов и следующие параметры: дальность до подводного сооружения, координаты и размеры исследуемого объекта.

1.4 Исследование опыта применения моделирующих систем при проектировании сложных морских технических систем и используемой в них визуализации результатов моделирования 

При применении моделирующей системы используются тренажеры, позволяющие моделировать движение исследуемых объектов и визуализировать результаты моделирования. Обзор существующих разработок в области тренажеров для морской отрасли показывает, что, как правило, значительное внимание уделяется созданию видеоподсистем, позволяющих с высокой достоверностью отображать результаты действий оператора.  В качестве примера можно привести целый ряд как зарубежных, так и российских разработок.

Космическая и подводная лаборатория робототехники при техническом университете механики штата Виктория (Канада) имеет несколько выполненных проектов в области подводных тренажеров и симуляторов, которые дали ощутимый эффект при отработки систем управления и при обучении [17]. Работы, продолжающихся в настоящее время, связаны и адаптивным управлением автономных подводных аппаратами. В системе проводится моделирование динамики при швартовке систем, которое было выполнено по заданию служб канадской береговой охраной. В тренажере выполнено моделирование динамики кабельных систем и манипуляторов. Развиваются исследования и экспериментальная проверка правильности модели расширенного управления для упругодеформированных состояний кабельных систем [17].

Исследования лаборатории охватывают как автономные НПА так и привязные телеуправляемые подводные аппараты. Внедрены методы, учитывающие колебания судна в условиях сильной качки, и обеспечивая тем самым более широкие операционные возможности для привязанного НПА. В лаборатории работают над моделированием и мультипликации движения НПА на основе исследовании точных динамических моделей для использования в проектировании систем управления транспортных средств и разработки тренажеров. Разработана теория моделирования для буксируемых морских систем НПА, типа пришвартованных бакенов [4].

Цель работы  космической и подводной лаборатории робототехники  при техническом университете механики штата Виктория (Канада) состоит в том, чтобы создать универсальное средство моделирования для облегчения проектирования подводных транспортных средств. Разработанный пакет был развит с уклоном на проектирование аппаратов, но возможно его использование для целей подготовки обслуживающего персонала. Качество модели обеспечивает подготовку пользователя, который изучает динамическое поведение различных проектов подводных аппаратов в режиме реального времени. Модель динамики управляет трехмерной анимацией со средним качеством представления. Различные особенности мультипликации включают: выбор подстилающих грунтов и установленных точек наблюдения за подводным аппаратом.

Marine Technology Directorate Limited (MTD Ltd) – отдел моделирования Херойт-Вайтского университета, г.Единбург, Великобритания. Программное средство моделирования подводных аппаратов Core Simulation Engine (CSE) [15].

Система CSE позволяет решать проблемы подводной нефтегазовой разведки с помощью подводных аппаратов. К выполняемым операциям предъявляются высокие требования по надежности, эффективности, экономической стоимости и технологических возможностей.

Подводный симулятор CSE (Core & System Architecture) – выполняет моделирование до десяти проектов аппаратов различного класса. Это фактически развитый центральный модуль симуляции с разветвленной архитектурой системы, которая может быть использована в других разрабатываемых проектах.

Основной модуль динамики управления может быть применен для нескольких разных типов НПА. Развитость центрального модуля во многом определяет универсальность модуля динамической моделирования и архитектуры системы в целом. Цель проекта – развитие гибкой операционной системы моделирования, которая может быть использована как типовое средство при проектировании, планировании операций и как средства контроля и управления операций на удалении от берега. Для визуализации используются обычные плоские экраны, а трехмерная модель создается на базе использования графики OpenGL на Silicon Indy 4000 [22].

Massachusetts institute of technology, USA – исследования Массачусетского университета, штат Массачусетс США.

В стенах Массачусетского технологического университета разработана концептуальная методика разработки подводных симуляторов применительно к автономным необитаемым подводным аппаратам (АНПА).

В качестве основной цели при разработке программного обеспечения были определены следующие концепции:

  •  гибкость и возможность реконфигурации миссии для различных условий;
  •  программа управления АНПА;
  •  подпрограммы известных режимов;
  •  данные для визуализации миссии;
  •  симуляция;
  •  редактор и тестер структуры.

Исследования проводились в течение несколько лет и были сосредоточены на "многослойном" принципе организации управления. Разработка закончилась созданием набора программного обеспечения для конфигурирования, моделирования, выполнения подводных симуляторов.

Принцип "многослойного" управления явно определяет законы управления в командах – директивах. Директива – элементарный модуль "многослойного" управления, представляет собой самый низкий уровень миссии. Директива задается оператором и выдает команды на аппарат. Например, директива "Запретить столкновения с препятствием" состоит в том, чтобы предотвратить соприкосновения аппарата с объектами. Мощность "многослойного" управления зависит от скорости и возможности многократного интегрирования законов управления в реальном времени. Структура команды управления состоит из множества директив, и окончательный результат формируются в заключительную команду, которая посылается в АНПА [23].

"Многослойная" структура управления АНПА полностью реконфигурируема пользователем. Она составлено из активных директив, которые выбраны из библиотеки директив. В настоящее время, больше чем двадцать директив написаны для автономного аппарата "Одиссей II".

Программирование миссии в пределах "многослойного" управления типично определяет три шага:

  •  решение,
  •  директива и ее приоритет,
  •  значения параметров директив.

Одна привлекательная особенность такого подхода – то, что эти шаги могут быть выполнены редактированием текстового файла инициализации миссии. Поскольку исходный текст управления АНПА не должен повторно компилироваться, миссии можно быстро конфигурировать в течение полевых экспериментов. Файлы инициализации коротки и относительно легки для восприятия.

URA Laboratory, Second Department, Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Tokyo, Japan – лаборатория фирмы УРА, Токио, Япония [6].

Группа проектировщиков Японии разработала систему симуляции движения подводных аппаратов под названием Multi-Vehicle Simulator (MVS). Модель симулятора позволяет работать как с абстрактными моделями, воспроизведенными в виртуальном пространстве, так и на смешанных моделях реального подводного аппарата, помещенного в бассейн и виртуальной обстановки, например, затонувшего судна [7].

Производится виртуальное моделирование работы НПА в корпусе затонувшего танкера и смешанное моделирование работы НПА в бассейне с виртуальными моделями преград.

Система MVS обеспечивает воспроизведение правильной траектории движения по модели затонувшего танкера, и слева рисунка – результат распознавания по геоинформационной картинке. Система оптимизирует план действия самостоятельно, анализируя информацию по многим позициям. MVS позволяет достаточно просто изменять расположение виртуальных преград, которые создаются путем смешения с телевизионным изображением аппарата в реальном бассейне.

Аппарат при отработке движения должен избегать эти виртуальные препятствия. Тем самым обеспечивается значительная экономия времени и средств при обучении или планировании операций.

Платформа вычислительного комплекса – Unix или Windows95 с использованием модульной структуры.

Имитационный комплекс имеет модульную структуру, включающую сервер, модель аппарата, модель среды (рисунок 6).

 

 

Рисунок 6 - Модульная структура имитационного комплекса MVS

В ЗАО "Кронштадт", Санкт-Петербург, разработаны и поставляются компьютерные тренажеры надводных кораблей серии "ЛАГУНА", представляющие собой программно-аппаратный комплекс, создающий единую тренировочную среду с многоканальной системой визуализации высочайшего качества, полностью интерактивными 3D сценами, скрупулезно повторяющими реальную местность и рельеф морского дна, математическими моделями кораблей, судов и иных наземных, надводных и воздушных объектов [17].

Тренажер "ЛАГУНА" позволяет вести подготовку специалистов по целой серии задач [18]:

  •  управление кораблем при различных условиях;
  •  управление кораблем при швартовных операциях, использование буксиров и швартовных концов;
  •  маневрирование в сложных навигационных условиях, узкостях и акватории порта;
  •  использование средств управления на мостике;
  •  использование навигационной РЛС/САРП;
  •  определение места корабля различными методами;

Легко понять, что подготовка на тренажере любой степени сложности никогда не заменит реальных учений. Но с тренажером "ЛАГУНА" можно начать тренировки еще до того, как корабль сойдет со стапеля. Используя точные математические модели корабля и его систем, а также комбинации реального оборудования с имитированным на дисплее - можно добиться серьезного прогресса в обучении к моменту прихода специалистов на боевые посты реального корабля [12].

Семейство навигационных тренажеров "ЛАГУНА" обеспечивает подготовку кадров различного уровня:

  •  полномасштабные тренажеры для подготовки и сертификации специалистов по управлению кораблем, организации вахты и в других областях. Реальное, а также имитируемое оборудование, слито воедино с последними разработками специализированного программного обеспечения, создающими цельную, единую среду подготовки;
  •  универсальные тренировочные классы для интерактивных групповых упражнений под руководством инструкторов;
  •  индивидуальные тренажеры для подготовки в учебных классах, на борту корабля, а также для ознакомления с новым оборудованием, повышения квалификации и проверки знаний. Компактный тренажер на базе одного компьютера можно устанавливать практически в любом месте;

Тренажеры "ЛАГУНА" постоянно пополняются новыми конфигурациями и дополнительными возможностями. Всесторонний сервис и поддержка, гибкая ценовая политика, позволяют "Кронштадту" предлагать наиболее качественную и конкурентоспособную продукцию [12].

Исключительная эффективность программного обеспечения тренажера позволяет отрабатывать различные аспекты мореплавания в пределах одной и той же модульной конфигурации аппаратного и программного обеспечения. Тренажеры "ЛАГУНА" имеют модульную структуру, которая позволяет построить любую конфигурацию по желанию Заказчика для всевозможных вариантов подготовки.

Структура тренажера "ЛАГУНА":

  •  Станция инструктора
  •  Система визуализации
  •  Реальные органы управления кораблем
  •  Компьютерная имитация органов управления, навигационных приборов, радаров, САРП
  •  Системы сопряжения и интерфейсы с иными тренажерными системами

Станция инструктора оснащена набором средств, обеспечивающих полный контроль на всех этапах выполнения заданий на тренажере, включая разработку, усовершенствование и редактирование упражнений для обучаемого. Инструктор может вводить ложные показания приборов, ошибки, помехи на любое оборудование, используемое на мостике для отработки упражнений - на радар, гирокомпас, лаг, а также менять естественные условия и задавать дополнительные параметры. Кроме этого, инструктор может следить за ходом выполнения упражнений на тренажере и проигрывать их в записи [13].

Пульт контроля и управления - это основной элемент станции инструктора. С него инструктор отправляет задания на мостики, а также получает информацию о действиях обучаемых, функционировании тренажеров и показаниях приборов.

Станция редактирования сцен включает в себя полный набор математических моделей кораблей, судов и иных объектов, предназначенных для разработки упражнений.

Избирательный канал визуализации позволяет инструктору проверять настройки, выбранные для отображения сцены в тех или иных естественных условиях, например, на корабле обучаемого или корабле-цели, а также выбирать угол и направление, с которых осуществляется наблюдение [13].

Селективный дисплей радара наделен всеми функциями радаров, установленных на реальных кораблях и позволяет наблюдать обстановку, отображаемую на корабле обучаемого.

Система визуализации, которая используется в тренажере "ЛАГУНА", воссоздает визуальную картину моря со всеми объектами, кораблями - целями, условиями видимости и освещения в соответствии с последними мировыми стандартами. Интерактивные погодные эффекты влияют не только на поведение судна на курсе, но и на работу электрорадионавигационных систем.

Математические модели представляет собой ряд реалистичных моделей различных типов кораблей и судов, которые позволяют производить швартовые операции с использованием и без использования буксиров, плавание в узкостях и прохождение шлюзов, применение систем вооружения.

Районы плавания, отображаемые тренажером компании ЗАО "Кронштадт" - это реальные модели среды, включающие объекты, созданные человеком, полный рельеф местности, а также подводную топографию. Картина может меняться в зависимости от природных условий, таких как, освещенность, уровень моря, а также условий, задаваемых инструктором во время выполнения упражнений.

ЗАО "Кронштадтом" разработаны различные виды вспомогательных дисплеев для разных типов кораблей, которые обеспечивают максимально реалистичное отображение работы приборов и систем. Корабельное оборудование, включенное в тренажер "ЛАГУНА", может воспроизводиться на экране или быть представлено реальными органами управления, что усиливает эффект от обучения. Также возможна комбинация этих двух подходов.

Реалистично выполненные имитаторы радаров ведущих производителей предоставляют все функции современных цифровых и аналоговых радарных систем. Тренажер соответствует мировым требованиям, предъявленным ПДМНВ-95 к этому типу оборудования. Благодаря возможностям тренажера может быть имитирован любой требуемый радар [15].

ЗАО "Кронштадт" производит полнофункциональные имитаторы навигационных приборов любых моделей, как российских, так и зарубежных производителей.

ЭКНИС, на базе которой ЗАО "Кронштадт" разработал тренажерный модуль, позволяет изучить работу с электронными картами различных форматов, таких как мировая коллекция векторных карт ТХ-97, растровые ARCS, NDI/BSB, а также векторные S-57 и DNC в формате VPF. Модули ЭКНИС производства ЗАО "Кронштадт" предоставляют возможности для планирования маршрута перехода, контроля плавания и определения места корабля по данным различных систем позиционирования и обладают иными важными функциями [12].

Тренажер "ЛАГУНА" построен на базе стандарта HLA (High Level Architecture) и может работать совместно не только с тренажерами Кронштадта но и с существующими тренажерными системами других производителей [18]. Возможно сопряжение тренажера "ЛАГУНА" с тренажерами вооружения и технических средств корабля, а также с тренажерами других кораблей, подводных лодок и летательных аппаратов. Это позволяет создать для всех учебных мостиков, кабин вертолетов и учебных мест единое трехмерное тренировочное поле и обеспечить полное их взаимодействие.

Осознавая важность подготовки инструкторов и технического персонала, инженеры и консультанты ЗАО "Кронштадта" предоставляют специальные подготовительные курсы:

  •  работа с тренажером (базовый и продвинутый);
  •  техническая эксплуатация;
  •  создание трехмерных сцен, электронных карт, радарных сцен;
  •  программы курсов, созданные по требованию заказчика;

ЗАО "Кронштадт" предоставляет своим заказчикам широкий спектр услуг, таких как дизайн, планирование, установка оборудования и оптимизация расходов. После установки ЗАО "Кронштадт" обеспечивает высокий уровень сервисной поддержки оборудования, постоянно расширяя и модернизируя его в соответствии с современными требованиями.

Программный комплекс ""Аврора"" обеспечивает пользователя фотографически точным и реалистичным визуальным представлением окружающего пространства [6].

Программный Комплекс "АВРОРА" является частью систем визуализации тренажеров ЗАО "Р.Е.Т. Кронштадт", он универсален и может использоваться следующих системах любой сложности:

  •  тренажеры для подготовки специалистов управления на транспорте (управление воздушным и железнодорожным движением и т.п.);
  •   морские тренажеры;
  •  авиационные тренажеры;
  •  тренажеры наземного транспорта;
  •  тренажеры космических аппаратов;
  •  исследовательские стенды;
  •  различные ГИС-приложения.

Программный комплекс "АВРОРА" готов к визуализации выполнения следующих задач [7]:

  •  планирование и проведение военных, антитеррористических, противопожарных и поисково-спасательных операций;
  •  разработка трехмерных интерактивных ландшафтов местности;
  •  создание сцен полетного задания;
  •  создание трехмерного изображения различных объектов;
  •  тренажеры космических аппаратов;
  •  разработки детального визуального представления районов аэродромов и воздушного пространства над ними, включая объекты воздушного движения.

Программный Комплекс "АВРОРА" позволяет на основе электронных топографических карт и других источников информации, автоматически смоделировать ландшафт значительных площадей с точностью детализации объектов около 1 метра. Размеры моделируемых площадей могут быть 1000х1000 км2, и более.

При создании сцены, исходными данными кроме электронных топографических карт являются аэрокосмические снимки земной поверхности, наземные фотографии зданий и сооружений, библиотеки трехмерных объектов. В случае отсутствия дополнительных данных, программа сгенерирует типичную для данного участка местности текстуру земной поверхности, выкладывая ее по мозаичному принципу с плавными переходами. Исходная мозаика текстур различных типов земной поверхности для полосы 50…70 градусов северной широты размещена в базе данных программы. В комплексе "АВРОРА" создана обширная база данных 3D-объектов на основе реальных фотографий типовых участков местности. Объекты любого типа генерируются на сцене с той степенью точности, с которой они нанесены на карту. С этой же степенью точности генерируются водоемы, озера и т.п., а также вся рельефная (высотная) составляющая трехмерной сцены.

При разработке программного комплекса ""Аврора"" была произведена минимизации объёма генерируемой информации, что имеет особое значение при моделировании больших участков местности. Входными данными могут быть карты форматов SXF, SF, Shape, Mif*Mid. Для преобразования форматов и классификаторов карт различных изготовителей, контроля корректности карты и ее редактирования, в комплексе разработан специальный Картографический модуль [19].

Одно из главных преимуществ программного комплекса "АВРОРА" заключается в возможности разработки визуальных 3D сцен с минимальными временными и финансовыми затратами.

Эта часть программного комплекса "Аврора" позволяет корректно отображать смоделированный земной ландшафт в широком диапазоне изменения дальности видимости (от нескольких метров до десятков километров) и углов наблюдения.

Помимо стандартных функций отображения 3D-сцены в режимах перемещения и поворотов камеры наблюдения, в 3D-визуализацию встроены возможности по отображению целого ряда дополнительных эффектов:

  •  трехмерная облачность, позволяющая реалистично имитировать пролет через нее летательного аппарата (пробивание облачности);
  •  точная установка времени суток и корректное отображение небосклона, солнца и звезд;
  •  возможность визуализации ночных сцен, в том числе городских застроек с большим количеством огней;
  •  реализована физическая модель атмосферы, позволяющая воспроизводить фотореалистичные картины задних планов сцены (дымка, туман и др.);
  •  моделирование любых типов огней;
  •  реализация в сцене дымов и пожаров с учетом открытого и закрытого пламени, скорости и направления ветра и др.;
  •  специальные функции, позволяющие в случае необходимости выделять (подсвечивать) заданным образом требуемый объект.

В качестве генераторов изображения используются стандартные ЭВМ, что обеспечивает оптимальное соотношение цены и качества.

ЗАО "Р.Е.Т. Кронштадт" предлагает весь спектр вариантов поставки, от программного обеспечения генерации сцен до полного программно-аппаратного комплекса визуализации, включающего специализированное программное обеспечение, генераторы изображения и базы данных по районам сцен [9].

Создание сцены по электронной карте проводится автоматически в кратчайшее время – около 10 минут на район площадью 100х100 км2. В случае необходимости можно воспользоваться специальным инструментарием, который позволяет встраивать в сцену как ортофотоснимки местности, так и трехмерные образы сооружений. Можно также импортировать пользовательские 3D объекты из таких систем моделирования как 3DMах, AutoCAD. Программная часть системы визуализации построена с использованием новейших расширений OpenGL, реализована поддержка языка C++. Визуализация сцены возможна на персональном компьютере (платформа Windows), оснащенном видео-ускорителем линейки GeForce. При использовании ускорителя GeForceFХ и компьютера CPU Intel Pentium IV, 3.0 GHz, RAM 512 Mb средняя скорость прорисовки составляет около 15…20 млн. треугольников в секунду. Управление программой визуализации может осуществляться как через COM-интерфейс, так и через DLL-библиотеку.

МГТУ им. Н. Э. Баумана разработал тренажер глубоководного телеуправляемого комплекса СТК [9].

Тренажерный комплекс предназначен для подготовки экипажей  операторов  телеуправляемых подводных аппаратов. Тренажерный комплекс должен обеспечивать проведение тренировок    при выполнении следующих задач:

  •  освоения управления пультовым оборудованием;
  •  изучения устройства подводного телеуправляемого комплекса;
  •  спуска НПА;
  •  выполнения совместного движения НПА и судна;
  •  выполнения режим движения НПА при неподвижном судна;
  •  контроля функционирования  всех систем НПА и спускоподъемного устройства судна;
  •  маневрирования, выборки НПА;
  •  выполнения технологических подводных операций;
  •  формирования операторских навыков при работе с манипуляторами.

Конструктивно   тренажерный  комплекса состоит из следующих составных частей:   рабочего  места обучаемого оператора НПА, рабочего  места обучаемого оператора манипуляционного устройства,   места инструктора и  вычислительного комплекса.  В  состав рабочего  места обучаемого  включаются два  устройства отображения,    пульты управления,    клавиатура, мышь, акустические колонки.  В  состав рабочего  места инструктора  включаются:       устройство отображения,         клавиатура, мышь и    устройство энергопитания [9].   

Программное обеспечение:    операционная система,   системное программное обеспечение,       моделирующее программное обеспечение.   Состав программно-математического обеспечения  модульный и на  уровне компонент тренажера следующий:

  •  система руководства обучения (СРО);
  •  модель подводной среды и донных объектов;
  •  модель НПА и  судна;
  •  система движения НПА;
  •  система моделирования энергетики ТК;
  •  система телекоммуникации модулей ТК;
  •  система моделирования гидролокатора секторного обзора (ГСО);
  •  система моделирования эхолотов;
  •  система моделирования телевидения;
  •  система моделирования  приводов и механизмов спускоподъемного устройства;
  •  система моделирования коллизий;
  •  система обучения и  логики функционирования систем комплекса;
  •  система имитации  пультового оборудования;
  •  система сетевого  обеспечения.

 Время подготовки к работе из выключенного состояния   составляет 10 минут [11].

 Рабочее место обучаемого обеспечивает  управление моделью НПА  и отображение информации.  На рабочем месте обучаемого  обеспечивается  имитация  телевизионной информации  с телекамер.    Отображение информации на рабочем месте инструктора  осуществляется в объеме, необходимом для проведения учебного процесса. Здесь  обеспечивается формирование условий задания, контроль и регистрацию.    Инструктор может  вводить в процессе работы режим  аварий, неисправностей и других критических ситуаций. Инструктор может  изменять параметры внешних условий. Имитируется более 800 аварийных ситуаций комплекса

  Вычислительный комплекс (ВК) обеспечивает моделирование  динамики НПА  с  заданной точностью стабилизации по курсу, по глубине,  по боковому отклонению НПА относительно корабля, с учетом гидродинамики кабеля и кинематики несущего корабля. Выполняется  информационный обмен по каналам связи с  капитанским мостиком. Имитируется телевизионное изображение подводных телекамер НПА  В составе ВК-четыре  ПЭВМ Pentium III 1300/128mB. Видеакселератор  GeForсe2 МХ400 [11].

Операционная система  Windows NT 4.0. Габариты тренажерного комплекса:  ширина 2400 мм,   глубина 8600 мм, высота 1600 мм. Масса ТК составляет ~220  кГ.  Потребляемая мощность не более 850 Вт [11].

Выбор программы визуализации результатов моделирования  обусловлен конкретными задачами, стоящими перед конструктором. Средняя стоимость вышеперечисленных визуализаторов десятки миллионов рублей, что сопоставимо, а может и превышать стоимость всей моделирующей системы. В большинстве случаев это неприемлемо на этапе разработки проектов, когда продукт еще не окупил себя, связи с этим разрабатываемая система визуализации результатов моделирования выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий актуальна и востребована, так  как её расчётная стоимость на порядок ниже и составляет около восьмидесяти тысяч рублей (смотри раздел 4).

1.5 Исследование возможностей Virtual Reality Toolbox для визуализации результатов моделирования в среде Matlab-Simulink

1.5.1  Особенности сопряжения имитационной модели Matlab-Simulink и программное обеспечение визуализации

1.5.1.1 Обзор Virtual Reality Toolbox

VR Toolbox это пакет, решающий задачи взаимодействия и управления виртуальными моделями динамических систем во времени. Он является расширением возможностей MATLAB и SIMULINK в мир графики виртуальной реальности [19].

Рассмотрим основные понятия, связанные с рассматриваемой технологией.

  •  Виртуальный мир (Virtual World) – трехмерная сцена, созданная с помощью VRML (Virtual Reality Modeling Language) технологии.
  •  Динамическая система (Dynamic sistem) – система, созданная с помощью MATLAB или SIMULINK, описывающая систему объектов созданных с помощью VRML.
  •  Анимация (Animation) – изменяющаяся под воздействием сигналов из SIMULINK трехмерная сцена.
  •  Манипуляция(Manipulation) – изменение позиций или свойств объектов виртуального мира в процессе моделирования

Вместе с пакетом MATLAB поставляется удобный в использовании редактор V-Realm Builder, но создавать виртуальные миры можно даже в обычный текстовом редакторе.

Для просмотра виртуальных сцен используется VRML браузер (viewer) или Web-браузер при установке дополнительного программного модуля (plug-in) [16].

Virtual Reality Toolbox предоставляет много возможностей для создания и просмотра моделей динамических систем в виртуальной реальности, а также возможность взаимодействия с этими моделями в реальном времени:

  •  поддержка VRML;
  •  поддержка интерфейса MATLAB;
  •  поддержка интерфейса SIMULINK;
  •  VRML-браузеры;
  •  VRML-редакторы;
  •  поддержка SimMechanics;
  •  поддержка клиент-серверной архитектуры.

Построив модель динамической системы в SIMULINK с помощью VR Toolbox, можно наблюдать имитацию ее поведения в реальном времени в 3D реальности [11].

VR Toolbox содержит блоки, которые позволяют непосредственно соединить и передавать сигналы от SIMULINK к построенному виртуальному миру. Такой подход позволяет воспроизвести динамическую модель как трехмерную анимацию [12].

С помощью блоков SIMULINK можно использовать многие возможности предоставляемые VR Toolbox. Достаточно поместить блок на SIMULINK диаграмму и выбрать виртуальный мир, которому будут посылаться сигналы. VR Toolbox автоматически проверяет виртуальный мир на доступные VRML узлы, которые SIMULINK сможет использовать.

Все доступные VRML узлы будут представлены в виде иерархического дерева. Также можно указать степень свободы для управления из SIMULINK. После закрытия диалогового окна Block Parameters SIMULINK изменит параметры блока вместе со входами и выходами в соответствии с выделенными узлами виртуального мира. После того как такие входы преобразуются в соответствующие SIMULINK сигналы можно будет наблюдать полученную сцену в VRML-браузере [18]. Т.е. SIMULINK позволяет управлять и манипулировать объектами виртуальной реальности с использованием блоков предоставляемых VR Toolbox.

Рассмотрим поддержку VRML в VR Toolbox.

VRML – это открытый стандарт, разработанный ISO (International Organization for Standartization). Язык VRML является обычным текстом, использующим WWW-ориентированный формат. Создаваемый с помощью VRML виртуальный мир можно просмотреть с помощью VRML-браузера и затем связать VRML-модель с моделью SIMULINK.

Последней на текущий момент спецификацией VRML является VRML97, стандарт ISO/IEC 14772-1:1997. Спецификация содержит описание создания 3D-сцен, звуков, локальной и удаленной работы с VRML.

VR Toolbox анализирует структуру виртуального мира, определяет какие для него доступны типы сигналов и делает возможным посылку этих сигналов из MATLAB и SIMULINK. Встроенный в VR Toolbox VRML-браузер поддерживает большинство узлов описанных в стандарте VRML97, позволяя осуществлять полный контроль созданным виртуальным миром. В любом случае существует множество plug-in'ов к Web- браузерам, которые поддерживают все возможные узлы.

Благодаря VR Toolbox все изменения, сделанные в виртуальном мире, отражаются и в MATLAB или SIMULINK. Например, если изменить расположение камеры в виртуальном мире, то и изменится соответствующее свойство объекта vr-world в MATLAB или SIMULINK. Также VR Toolbox содержит функции позволяющие читать и изменять свойства объектов виртуального мира [14].

Рассмотрим поддержку интерфейса MATLAB в VR Toolbox.

VR Toolbox поддерживает гибкий MATLAB интерфейс для работы с виртуальным миром. После создания объектов в MATLAB и ассоциирования их с виртуальным миром, можно осуществлять управление этим виртуальным миром посредством предоставленных для этого функций и методов. Из MATLAB можно изменять позиции и свойства VRML объектов, связать те или иные действия с графическим интерфейсом пользователя (GUIs) посредством так называемых callback функций. Можно также просматривать мир посредством VRML-браузера и устанавливать значения для всех доступных узлов и их полей.

VR Toolbox также предоставляет функции для чтения и изменения свойств виртуального мира и сохранения VRML файлов с текущей конфигурацией виртуального мира[15].

Рассмотрим поддержку интерфейса SIMULINK в VR Toolbox.

Построив модель динамической системы в SIMULINK с помощью VR Toolbox можно наблюдать имитацию ее поведения в реальном времени в 3D реальности.

VR Toolbox содержит блоки, которые позволяют непосредственно соединить и передавать сигналы от SIMULINK к построенному виртуальному миру. Такой подход позволяет воспроизвести динамическую модель как трехмерную анимацию.

С помощью блоков SIMULINK можно использовать многие возможности предоставляемые VR Toolbox. Достаточно поместить блок на SIMULINK диаграмму и выбрать виртуальный мир, которому будут посылаться сигналы. VR Toolbox автоматически проверяет виртуальный мир на доступные VRML узлы, которые SIMULINK сможет использовать.

Все доступные VRML узлы будут представлены в виде иерархического дерева. Также можно указать степень свободы для управления из SIMULINK. После закрытия диалогового окна Block Parameters SIMULINK изменит параметры блока вместе со входами и выходами в соответствии с выделенными узлами виртуального мира. После того как такие входы преобразуются в соответствующие SIMULINK сигналы можно будет наблюдать полученную сцену в VRML-браузере.

Т.е. SIMULINK дает средства для управления и манипуляции объектами виртуальной реальности с использованием блоков предоставляемых VR Toolbox.

Рассмотрим поддержку VRML-браузеров в VR Toolbox.

VR Toolbox содержит встроенный браузер (браузер по умолчанию) для просмотра виртуальных миров. Этот браузер поддерживается на компьютерах с операционной системой UNIX, MAC OS X и Linux платформах. Если вы установили VRML plug-in, то для отображения процесса моделирования VR Toolbox устанавливает связь MATLAB и SIMULINK с активным VRML-браузером, используя протокол TCP/IP. Такой подход позволяет просматривать процесс моделирования не только с локального узла, где были запущены MATLAB и SIMLINK, но и с любого удаленного узла через интернет-соединение.

В VR Toolbox применяются VRML-редакторы – это редакторы, использующиеся для создания 3D сцен с помощью языка VRML.

Рассмотрим поддержку SimMechanics в VR Toolbox.

VR Toolbox также можно использовать для исследования поведения модели, созданной с помощью SimMechanics. Сначала проектируется модель механизма в Simulink при помощи блоков SimMechanics. Затем создается ее детальная картина в виртуальном мире. После чего созданный мир подключается к выходному элементу SimMechanics и поведение модели или ее части можно просматривать в VRML-браузере.

Рассмотрим поддержку клиент-серверной архитектуры в VR Toolbox.

Как уже было сказано VR Toolbox подключает MATLAB и SIMULINK к активному VRML-браузеру используя протокол TCP/IP. Сам Toolbox может быть использован в 2-х конфигурациях:

  •  одного компьютера. Simulink, MATLAB и изображение сцены в виртуальном мире запущены на одном компьютере.
  •  сетевой компьютер. Анимационная картинка с виртуальным миром просматривается, будучи запущенной на удаленном от компьютера на котором запущен VR Toolbox сервер узле. К этому одному серверу могут подключаться много клиентов. Изменять необходимые параметры можно в том числе.

1.5.1.2 Взаимодействие имитационной модели и ПО визуализации при передаче модельных данных

Графическая модель в Matlab Simulink содержит ряд блоков. Каждый блок имеет наглядное общепринятое обозначение в виде прямоугольника, треугольника и т.д. Блоки имеют входы и выходы и описываются различными математическими зависимостями. Блоки соединяются друг с другом линиями со стрелками, причем стрелка указывает направление от выходов одних их блоков ко входам других. Имеются также текстовые комментарии и средства для вывода подсказок и открытия окон справочной системы.

Взаимодействие имитационной модели и ПО визуализации при передаче модельных данных осуществляется в Matlab Simulink с помощью специальных блоков, в которых имитационная модель передает различные данные в ПО визуализации, и на основании которых ПО визуализации будет визуализировать результаты моделирования [22].

На рисунке 7 показана передача данных координат носителя, АНПА, и аномалии из имитационной модели в модель визуализации.

Рисунок 7 - Передача данных координат носителя, АНПА, и аномалии из имитационной модели в модель визуализации

1.5.1.3 Преобразование системы координат при передачи навигационного сигнала в визуализатор

В визуализаторе используется правосторонняя Декартова система координат. [14].

Рисунок 8 - Система координат MATLAB

Рисунок 9 - Система координат визуализатора

Система координат визуализатора (рисунок 8) отличается от той, которая в MATLAB (рисунок 9). Эта разница легко видна из рисунков 8 и 9. Различать системы координат необходимо в ситуациях, когда приходится делать преобразования из одной из этих систем в другую [16]. SimMechanics, например, использует координатную систему, принятую в VRML.

Поворот в VRML происходит по правилу "правого винта" (рис. 10).

Рисунок 10 – Преобразование поворота в VRML

Дочерние объекты – объекты в визуализаторе имеют иерархическую структуру. Позиция и ориентация дочернего объекта определяется в локальной системе координат, связанной с родителем, т.е. определяемой позицией и ориентацией родителя. Движение родителя вызывает вместе с тем и движение дочернего объекта.

В визуализаторе все длины и дистанции измеряются в метрах, а все углы в радианах.

1.5.2 Возможности средств разработки виртуальных миров, использующих Virtual Reality Modeling Language, для визуализации результатов моделирования системы.

В окне VR Builder отображается меню, панели с основными элементами, в левой части в виде иерархического дерева отображаются все узлы виртуального мира. Большую часть занимает область отображения сцены, которая может быть представлена одновременно видами из 4х различных ракурсов.

На панели представлены наиболее часто используемые компоненты. Такие как:

  •  Background – фон, схематически представляющий землю и небо;
  •  узлы, представляющие основные пространственные фигуры (Box, Cone, Cylinder, Sphere);
  •  комплексные узлы, позволяющие построить практически любую трехмерную фигуру (Extrusion, IndexedFaceSet) или поверхность (ElevationGrid).

Veiwpoint – один из наиболее востребованных объектов – позволяет добавлять различные позиции, с которых будет вестись наблюдение в виртуальном мире. К точке наблюдения, как и к любому другому именованному узлу, может осуществятся доступ из модели Simulink. Ее можно перемещать, менять ориентацию так, что движущийся объект (в данном случае АНПА) всегда будет находиться в поле зрения [16].

Часто требуется вывести на экран какое-либо сообщение, текстовую метку или значение сигнала из модели. Для этого необходимо воспользоваться узлом Text.

Иерархическая структура файла позволяет группировать объекты и создавать дочерние узлы.

VR Builder обладает множеством других полезных возможностей: добавление источников света, создание материалов, наложение текстовых и видео-структур.

Рассмотрим подробнее возможности VR Builder для отображения подводных сцен.

1.5.2.1 Отображение водной среды и рельефа дна

VR Builder позволяет реалистично отображать рельеф дна.

Рельеф дна создается с помощью инструмента "ElevationGrid Editor" показанный на рисунке 11.

Рисунок 11 - Инструмент "ElevationGrid Editor"

Фон задается компонентом "BackGround", возможно изменение или наложение текстур всех сторон сцены. При этом каждая из сторон (кроме верха и низа) делится на две части: верх и низ. Это позволяет создавать не только подводные сцены, но и надводные.

На рисунке 12 приведено окно создания подводной сцены.

Рисунок 12 – Окно "Создание подводной сцены"

1.5.2.2 Отображение объектов управления: АНПА и аномалии

Поскольку создание всех объектов происходит на языке VRML то возможно создание управляемых объектов на всех поддерживающих этот язык программах, как то VR Builder, 3D MAX и др. Это позволяет, как создавать новые, так и подключать уже готовые модели АНПА и аномалий [15]. У объектов управления есть различные свойства, такие как углы вращения и поворота, текущие координаты, цвет. И все эти свойства можно изменять, подключая к модели Simulink, благодаря чему АНПА и аномалии могут иметь самый различный вид и скорость передвижения. На рисунке 13 изображен пример создания АНПА и аномалии в VR Builder.

Рисунок 13 - Пример создания АНПА и аномалии в VR Builder

1.5.2.3 Смена позиций наблюдения

Для улучшения видимости сцены, масштабирования отдельных её кусков применяются компоненты "ViewPoint", так называемые "точки обзора", с помощью которых можно перемещать камеру.

"Veiwpoint" – один из наиболее востребованных объектов – позволяет добавлять различные позиции, с которых будет вестись наблюдение в виртуальном мире. К точке наблюдения, как и к любому другому именованному узлу, может осуществятся доступ из модели Simulink. Ее можно перемещать, менять ориентацию так, что движущийся объект (в данном случае АНПА или аномалия) всегда будет находиться в поле зрения.

Поэтому очень легко перемещать камеры, приближать или удалять объекты, и всё это делать в режиме реального времени.  На рисунке 14 показано различное расположение камер на сцене.

Рисунок 14 - Различное расположение камер на сцене

1.5.2.4 Сохранение траектории движения ОУ

АНПА могут проходить большие расстояния, определяя места и источники загрязнений и аномалий. Поэтому очень полезна возможность сохранения траектории пройденного пути при визуальном отображении движения [12].

Реализовать такую процедуру можно при добавлении в модель блока VR Tracer. Блок создает через равные промежутки времени маркеры в качестве дочерних объектов выбранного родительского узла или (по умолчанию) верхнего уровня иерархии виртуальной сцены (выбор осуществляется в поле Parent node).

Форма маркера можно выбрать из списка Marker Shape:

  •  не отображать маркер;
  •  тетраэдр;
  •  пирамида
  •  параллелепипед;
  •  восьмигранник
  •  сфера.

Можно использовать простые маркеры. При этом флаг Connect markers with line segments позволяет соединять линией точки положения объекта, а флаг Place a triad at each marker position – добавляет к каждому маркеру триаду направляющих векторов, что может оказаться полезным при осмотре траектории движения в пространстве.

В поле Marker scale вводится вектор масштабирования маркера по осям.

Список выбора цвета Marker color selection позволяет установить:

  •  Block input активирует второй порт блока, определяющий цвет.
  •  при установке Selected in block mask from color list цвет выбирается из ниспадающего списка.
  •  выбор Defined in block mask as RGB values позволяет определить цвет трехэлементным вектором RGB.

Рисунок 15 - Окно ввода параметров блока VR Tracer

1.5.2.5 Вывод информативных текстовых меток

Для отображения сигналов модели Simulink в виде текста на виртуальной сцене используется блок VR Text Output (рисунок 16).

Рисунок 16 – Окно ввода параметров блока VR Text Output

Параметры блока VR Text Output:

Associated VRML file – VRML файл, описывающий виртуальный мир, в который выводится текст.

Associated Text node – имя текстового узла, в который выводится текст.

Format string – формат, использующийся для вывода текста. Этот блок использует для форматирования выводимого текста функцию sprintf() и работает по аналогии с ним. Блок не поддерживает форматы преобразования %c и %s, так как выходные сигналы в Simulink не могут быть ни символами, ни строками.

1.5.2.6 Индикация срабатывания алгоритмов и других событий

Срабатывание алгоритмов и других событий можно выводить как информативные текстовые метки, с помощью блока VR Text Output описанного в разделе  1.6.2.5.  Можно также применить инструмент Text, FontStyle в VR Builder.

По умолчанию текст располагается в плоскости Z=0 локальной системы координат, т.е. в пределах данного раздела children. В разделе string прописывается, собственно, строка текста.

FontStyle (стиль шрифта) в инструменте Text описывается следующим образом:

  •  family - определяет начертание шрифта. Возможны три значения поля family: SERIF (по умолчанию) - приблизительно соответствует Times Roman, SANS - соответствует шрифту Helvetica, TYPEWRITER - шрифт типа Courier'а.
  •  horizontal - отвечает за написание строки по горизонтали (horizontal TRUE - по умолчанию) или по вертикали (horizontal FALSE)
  •  justify - то, что в других программах еще называется alignment или "выравнивание". Может принимать 4 значения. Первые три: BEGIN, MIDDLE, END соответствуют выравниванию соответственно по левому краю, по центру, по правому краю. Четвертое значение FIRST отвечает за выравнивание по дополнительной оси, т.е. по вертикали, если текст расположен горизонтально и по горизонтали для вертикального текста.
  •  language – Язык написания текста, по умолчанию установлен как английский.  
  •  style - может быть PLAIN, BOLD, ITALIC, BOLDITALIC. Здесь применяются такие же шрифты как и в обычном текстовом редакторе: обычный, полужирный, курсив, полужирный курсив.
  •  leftToRight и topToBottom - в зависимости от значения horizontal задает направления написания текста. При horizontal TRUE и leftToRight FALSE текст напишется справа налево. По вертикали все значения аналогичны.

Существую также другие варианты индикация срабатывания алгоритмов и других событий:

  •  Использование текстуры. Это позволяет использовать любые сторонние редакторы графики, например Photoshop и использование в них любых шрифтов, с любыми эффектами (emboss и т.д.) и добавление их на объект. При этом текст будет как картинка. Возможно использование графики, например значок радиационной опасности или мелководья.
  •  Трехмерный текст. Также возможно импортирование трехмерного текста из сторонних средств разработки, например Internet Space Builder.

На рисунке 17 показан пример использования инструмента Text в VR Builder

Рисунок 17 - Пример использования инструмента Text в VR Builder

1.5.2.7 Режимы работы визуализатора результатов моделирования  автономного необитаемого подводного аппарата

В разделе 1.3 были описаны требования к визуализатору, рассмотрим возможности программы VR Builder и языка VRML для выполнения  этих требований.

Все общие требования, такие как обзор и освещение области поиска при движении автономного необитаемого аппарата по акватории, подсвечивание траектории, отображение различных текстовых меток и данных в общем виде описаны выше, смотри п. 1.5.2.1-.1.5.2.6.  Теперь рассмотрим особенности выполнения требований при различных режимах работы.

В режиме отладки, показанным на рисунке 18, визуализатор должен охватывать большую площадь исследуемой акватории. Для этого камера помещена  сверху сцены, охватывая достаточный масштаб для наглядности, что позволяет отрабатывать разрабатываемые и существующие алгоритмы. По траектории движения автономного необитаемого подводного аппарата выставляются различные метки, характеризующие срабатывание алгоритмов. При этом метки различаются цветами, что повышает наглядность общей картины. Освещение дается по всей рабочей области корабля носителя.

Рисунок 18 – Работа визуализатора в режиме отладки

В режиме работы обнаружения и классификации экологической аномалии (рисунок 19), визуализатор, как и предыдущем режиме, охватывает большую площадь исследуемой акватории, и камеры расположены также: помещены  сверху сцены, охватывая достаточный масштаб для наглядности, что позволяет показать всю траекторию пройденного расстояния АНПА до источника ЭА. Выводится траектория движения АНПА при приближении к источнику ЭА. Если АНПА находится в области нахождения ЗВ, то траектория подкрашивается в зеленый цвет, если же АНПА выходит за границы области ЗВ, траектория меняет цвет на белый. На экран выводятся  сообщения о срабатывании различных алгоритмов, а также различные параметры, такие как  дальность до источника экологической аномалии, наименование загрязняющего вещества и его концентрация. В случае если известны дополнительные параметры, например скорость течения ЗВ, или его горизонт расположения, то можно выводить и их. Но чтобы не загружать обзор неизвестными параметрами, в случае работы визуализатора автономно, без подключения к математической модели, все неизвестные параметры не выводится на экран. Также выводся информационные сообщения (красного цвета) о приближении АНПА к источнику ЭА.

Рисунок 19 - Работа визуализатора в режиме обнаружения и классификации экологической аномалии

При визуализации выхода АНПА на источник ЭА визуализатор работает, также как и при режиме обнаружения и классификации экологической аномалии, но в отличие от него, позволяет переключать камеры обзора, приближая или удаляя объект визуализации - АНПА. Это оказывается полезным при приближении АНПА к источнику ЭА (рисунок 20), позволяя увидеть реальные масштабы АНПА и источника. Траектория движения АНПА отображается в виде шаров красного цвета. Такой цвет виден очень хорошо, и поэтому траектория очень четкая, что повышает восприятие всей сцены визуализации. В левом правом углу экрана, при визуализации выхода АНПА на источник ЭА, выводится расчетная дальность АНПА до источника ЭА, а также информация о подвижности экологической аномалии. Вывод информации о срабатывании алгоритмов аналогичен при работе визуализатора в режиме отладки. При срабатывании алгоритмов, информация о нем выводится на экран в виде текста желтого цвета (рисунок 20).

 

Рисунок 20 - Работа визуализатора в режиме визуализации выхода АНПА на источник ЭА

Визуализатор может работать также в режиме обследования трасс трубопроводов и линий (рисунок 21). В этом режиме обзорная камера двигается вслед за АНПА, и показывает только часть виртуальной сцены, так как общая протяженность обследуемых трасс и трубопроводов относительно большая. Траектория движения АНПА отображается в виде шаров белого цвета. Такой цвет виден очень хорошо в подводных виртуальных сценах, и поэтому траектория очень четкая, что повышает восприятие всей сцены визуализации. В верхнем левом углу экрана, работе визуализатора в режиме обследования трасс трубопроводов и линий, выводится информация о длине трубопровода, расстояние АНПА до трубопровода, а также ресурс хода АНПА. Ресурс хода можно задавать как оставшееся время работы в часах и минутах, как оставшееся расстояние в метрах, и абстрактно, в виде процентов. Вся эта информация выводится виде текста оранжевого цвета, который также отлично виден в условиях подводных сцен. Работа текущего алгоритма выводится в виде текстовой метки красного цвета. Таким образом, пользователь всегда знает, какой алгоритм поиска АНПА срабатывает.

Рисунок 21 - Работа визуализатора в режиме обследования трасс трубопроводов и линий.

Режим работы визуализатора при определении размеров и координат, подводных потенциально опасных объектов идентичен работе при режиме обнаружения и классификации экологической аномалии (рисунок 19). Отличие лишь в том, что при определении размеров и координат, выводится другая справочная информация: дальность до ППОО, признак искомого ЗВ, наименование загрязняющего вещества, концентрация ЗВ, скорость истечения ЗВ, горизонт расположения ЗВ, ресурс хода АНПА и его скорость. Способ вывода этой информации аналогичен, описанному выше способу, поэтому приводить его повторно не будем.

В режиме работы визуализатора взятия проб для подробного анализа (рисунок 22) камера привязана к объекту визуализации – АНПА, но с достаточным масштабом, что бы видеть всю траекторию движения от корабля-носителя до ЭА. Это оказывается полезным при приближении АНПА к источнику ЭА, позволяя увидеть реальные масштабы АНПА и источника, оценить траекторию движения АНПА и правильность срабатывания алгоритмов. Траектория движения АНПА отображается в виде шаров красного цвета. Такой цвет виден очень хорошо, и поэтому с этим траектория очень четкая, что повышает восприятие всей сцены визуализации. В нижнем правом углу экрана, при визуализации выхода АНПА на источник ЭА, выводится расчетная дальность АНПА до источника ЭА, а также информация о подвижности экологической аномалии. По траектории движения АНПА расставляются метки (текстовые, белого цвета), характеризующие срабатывание визуализируемого алгоритма.

Рисунок 22 - Работа визуализатора в режиме взятия проб для подробного анализа

В режиме инспекции подводных сооружений (рисунок 23) камера привязана к объекту визуализации – АНПА, но с достаточным масштабом, что бы видеть всё исследуемое сооружение. Это оказывается полезным при приближении АНПА к  сооружению вплотную, позволяя оценить реальные масштабы АНПА и источника, траекторию движения АНПА и правильность срабатывания алгоритмов. В нижнем правом углу экрана, при визуализации АНПА, выводится расчетная дальность АНПА до подводного сооружения, ресурс хода АНПА, а также размер исследуемого объекта. По траектории движения АНПА расставляются метки (текстовые, белого цвета), характеризующие срабатывание визуализируемого алгоритма.

 

Рисунок 23 - Работа визуализатора в режиме инспекции подводных сооружений

1.6 Разработка программного обеспечения визуализации

Разработка  программного обеспечения визуализатора велась в несколько этапов.

Этап разработки динамической модели визуализатора в Matlab-Simulink (рисунок 24) и этап создания моделей визуализации в V-Realm Builder (рисунок 25).

В зависимости от заданных параметров среды и экологической обстановки, а также сигналов, полученных после обработки данных имитаторов гидрофизических полей рассчитываются параметры движения АНПА и аномалии. Выходами модели движения являются:

  •  границы области ЭА или координаты обнаруженного источника загрязнения;
  •  скорость движения источника ЗВ в случае его подвижности;
  •  углы отклонения руля высоты и направления;
  •  ресурс хода;
  •  угловые скорости вращения ОУ;
  •  параметры углового движения (углы крена, дифферента);
  •  нормальная и поперечная перегрузки ОУ;
  •  проекции линейной скорости ОУ.

Рассмотрим этап разработки динамической модели визуализатора в Matlab-Simulink На рисунке 18 изображена модель визуализации поиска АНПА экологической аномалии. Динамическая модель визуализации довольно проста: получая входные данные, анализирует полученную информацию, и через специальный блок VR-Sink производит визуализацию полученной информации.

Рисунок 25 - Динамическая модель визуализатора в Matlab-Simulink

Разработка визуализатора (источник ЭА, движение АНПА) производилась в V-Realm Builder. На рисунке 26 изображена разработка визуализации моделей АНПА и аномалии в V-Realm Builder.

При открытии V-Realm Builder создается новый проект "New World". Далее необходимо выбрать фон сцены. Можно создать надводный и подводный фоны, задавая при этом цвета сторон света. Следующим шагом будет создание модели АНПА, либо с помощью графических примитивов, либо инструментом "Indexed Face Set", либо импортированием уже созданной модели. После этого создается источник аномалии и она сама, если это необходимо. Источник аномалии может быть выполнен виде трубы или растекающейся жидкости, при этом способы создания источника аномалии идентичны способу создания АНПА. После этого если необходимо можно создать дно инструментом "Elevation Grid". И последним шагом будет добавление информационных меток.

Рисунок 26 - Разработка моделей визуализации в V-Realm Builder


2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Отладка программного обеспечения визуализации выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий

Отладка — этап разработки компьютерной программы, на котором обнаруживают, локализуют и устраняют ошибки [12]. Для нахождения ошибок необходимо:

  •  знание текущих значений переменных;
  •  знание,  по какому пути выполняется программа.

Существуют две взаимодополняющие технологии отладки:

  •  использование отладчиков — программ, которые включают в себя пользовательский интерфейс для пошагового выполнения программы: оператор за оператором, функция за функцией, с остановками на некоторых строках исходного кода или при достижении определённого условия;
  •  вывод текущего состояния программы с помощью расположенных в критических точках программы операторов вывода — на экран, принтер, громкоговоритель или в файл. Вывод отладочных сведений в файл называется журналированием.

Количество ошибок в программах заранее неизвестно, поэтому заранее неизвестна продолжительность отладки. Лучшим средством для сокращения отладки являются структурные методы проектирования программ с использованием структурного псевдокода или языков структурного программирования.

Тестирование программного обеспечения — процесс выявления ошибок в программном обеспечении. К сожалению, существующие на сегодняшний день методы тестирования ПО не позволяют однозначно и полностью устранить все дефекты и ошибки и установить корректность функционирования анализируемой программы, особенно в закрытых частных программах. Поэтому все существующие методы тестирования действуют в рамках формального процесса проверки исследуемого или разрабатываемого ПО.

Такой процесс формальной проверки или верификации может доказать, что дефекты отсутствуют, с точки зрения используемого метода.

Существует множество подходов к решению задачи тестирования и верификации ПО, но эффективное тестирование сложных программных продуктов — это творческий процесс, не сводящийся к следованию строгим и чётким процедурам или созданию таковых.

Конечной целью любого процесса тестирования является обеспечение такого ёмкого (совокупного) понятия как качество, с учётом всех или наиболее критичных для данного конкретного случая составляющих.

С точки зрения ISO 9126, качество (программных средств) можно определить как совокупную характеристику исследуемого ПО, с учётом следующих составляющих:

  •  надёжность;
  •  сопровождаемость;
  •  практичность;
  •  эффективность;
  •  мобильность;
  •  функциональность.

Более полный список атрибутов и критериев можно найти в самом стандарте ISO 9126 Международной организации по стандартизации. Состав и содержание документации, сопутствующей процессу тестирования, определяется стандартом IEEE 829-1998 Standard for Software Test Documentation.

Отладка программного обеспечения визуализации выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий проводилась двумя способами: при подключении к автономной модели, либо при подключении к стенду математического моделирования.

2.1.1 Отладка визуализатора выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии при подключении к автономной модели

На ранних стадиях разработки программы визуализации или адаптации ее к стенду математического моделирования, проводилась отладка визуализации результатов моделирования на автономной модели. При этом задавались входные данные, как то:

  •  границы области источника экологической аномалии;
  •  скорость движения источника экологической аномалии, в случае его подвижности;
  •  углы отклонения руля высоты и направления;
  •  ресурс хода;
  •  угловые скорости вращения АНПА;
  •  параметры углового движения (углы крена, дифферента);
  •  нормальная и поперечная перегрузки АНПА;
  •  проекции линейной скорости АНПА.

На рисунке 27 показана отладка программы визуализации результатов моделирования при подключении к автономной модели, выполненная в Matlab-Simulink. В блоках 1-8 задаются параметры границы области источника экологической аномалии, ресурс хода, границы области источника экологической аномалии, и другие.  Блоки 9-11 нужны для задержки сигнала. Они, суммируясь в блоке 12 с сигналами без задержки, подаются в блок 13, где происходит подсчет углов отклонения руля высоты и направления, угловые скорости вращения АНПА, а также параметры углового движения (углы крена, дифферента). На рисунке 28 приведен пример подачи сигнала  координат по оси У. В блоке "Coordinats" подсчитывается расстояние от АНПА до источника аномалии, и передаются в следующий блок 14 "VR text out", который выводит эту информацию на экран пользователю. Блок 15 отвечает за вывод траектории движения АНПА. Блок "Color" осуществляет подсветку АНПА в визуализаторе, когда она находится в аномалии и ищет её источник. Блок "VR Sink"  нужен для связи Matlab-Simulink с моделями, разработанными в V-Realm Builder.

Рисунок 27 - Программа визуализации результатов моделирования при подключении к автономной модели

Рисунок 28 - Пример установки сигнала  координат по оси У

2.1.2 Отладка визуализатора выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии при подключении к стенду математического моделирования

При подключении визуализатора к стенду математического моделирования, в отличие от прошлого метода отладки, входные данные визуализатора задаются со стенда.  На рисунке 20 показаны блоки передачи данных координат носителя, АНПА, и аномалии из имитационной модели в модель визуализации. А на рисунке 29 показаны блоки, через которые модель визуализации получает данные со стенда математического моделирования.

Рисунок 29. Блоки передачи переменных в Matlab-Simulink

В общем виде схема отладки визуализатора АНПА при подключении к стенду математического моделирования (Рисунок 30) идентична схеме отладки визуализатора АНПА работающего автономно (Рисунок 27). На ней присутствуют те же функциональные компоненты.

Рисунок 30 - Схема визуализатора при подключении к стенду математического моделирования

2.2 Разработка документации по работе с программным обеспечением визуализации

2.2.1 Simulink-модель визуализатора выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области в которой он работает.

Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, Virtual Reality Toolbox – пакет, решающий задачи взаимодействия и управления виртуальными моделями динамических систем во времени).  

Перед построением модели необходимо предварительно загрузить систему Matlab и запустить подсистему Simulink. В том и другом случае откроется окно "Simulink Library Browser" (система просмотра библиотек Simulink), изображённое на рисунке 24.


Рисунок 31 - Дерево библиотек Simulink

В верхней части этого окна две крайние левые кнопки служат, соответственно, для создания новой и открытия существующей модели. После нажатия левой кнопки на экране появится окно для построения новой модели, изображенное на рисунке 31.

Рисунок 32 - Рабочее окно подсистемы Simulink при создании модели

Процесс построения модели Simulink включает в себя компоновку модели и задание необходимых параметров. Компоновка заключается в выборе из библиотек Simulink необходимых блоков, их размещение в открывшемся окне (рисунок 33) и соединение между собой (рисунок 34).

Рисунок 33 – Новое рабочее окно подсистемы Simulink при создании модели

Далее для каждого блока устанавливаются соответствующие параметры (рисунок 35), отвечающие требованиям моделируемой системы. Для того чтобы построить модель Simulink, необходимо знать, какие типы блоков предоставляются пользователю.

Рисунок 34 - Рабочее окно подсистемы Simulink созданной модели

Рисунок 35 – Окно параметров подсистемы Simulink

Процедура поиска и перемещения блоков из библиотек Simulink в окно модели во многом напоминает операции копирования и перемещения файлов в среде Windows. Для этого в окне Simulink Library Browser необходимо выбрать пункт Simulink, затем выбрать соответствующий пункт в открывшемся списке библиотек и раскрыть его. Для перемещения курсор мышки устанавливается на нужный блок. Затем, нажав и удерживая левую клавишу мышки на нужном блоке, переместить его в окно модели. После того, как блок появился в окне построения модели, можно установить для него соответствующие параметры.

Для реализации функциональных зависимостей и ряда вспомогательных функций потребуется ряд стандартных системных блоков.

Для повышения наглядности модели сложные функциональные зависимости целесообразно объединять в отдельные подсистемы (Subsystems). В результате можно добиться того, что имитационная модель визуализатора будет иметь вид сходный стенду математического моделирования выхода АНПА на источник экологической аномалии.

Блок-схема механической системы, т. е. ее Simulink-модель, создается путем соединения входов и выходов соответствующих блоков.

При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

Разработанная программа в виде схемы Simulink проста в эксплуатации, и рассчитана даже на неопытного пользователя, имеет интуитивно понятный интерфейс (рисунок 20).

Рассмотрим кнопки элементов управления на панели управления, изображенные на рисунке 36.

Рисунок 36 - Кнопки элементов управления на панели управления

Цифрами на рисунке обозначены следующие кнопки:

  1.  – Создать новую схему Simulink;
  2.  – Открыть созданную ранее схему Simulink;
  3.  – Сохранить изменения и поправки с текущий схеме Simulink;
  4.   – Печать текущей схемы Simulink;
  5.   – Начать симуляцию текущей схемы Simulink;
  6.  – Время симуляции текущей схемы Simulink;
  7.  – Обновление блоков модели текущей схемы Simulink;
  8.  – Обновление диаграмм и проверка на ошибки текущей схемы Simulink;
  9.  – Открытие браузера визуализации текущей схемы Simulink;

Первое, что необходимо сделать, открывая разработанную схему в Simulink, это определить, что будет визуализироваться: результаты моделирования при подключении к автономной модели, либо при подключении к стенду математического моделирования. Для этого необходимо поставить блоки, описанные  в 2.1.2. Следующим шагом будет открытие окна визуализатора, дважды щелкнув по блоку "VR Sink".

Для анимации в Simulink-модели должен присутствовать блок VR Sink пакета Virtual Reality Toolbox (рисунок 37), входными параметрами которого выступают обобщенные координаты объекта. В окне данного блока, раскрывающемся при двойном щелчке по блоку VR Sink (рисунок 30), необходимо указать имя файла с расширением *.wrl, который описывает пространственный объект, анимацию которого необходимо осуществить, и сцену анимации.

Рисунок 37 - Параметры блока VR Sink

Также необходимо в окне блока VR Sink расставить флажки в полях, соответствующих обобщенным координатам объекта, после чего у блока VR Sink появится столько входов, сколько было проставлено флажков. В рассматриваемом случае число флажков (и входов блока VR Sink) не будет равно числу обобщенных координат АНПА, т. к. три первые обобщенные координаты, в отличие от всех остальных, заданы одним общим флажком в поле "translation".

На рисунке 38 приведено полное содержание подокна с прокруткой.

Рисунок 38 - Блок параметров VR Sink с загруженной моделью

Нетрудно заметить, что структура в подокне имеет форму дерева. Каждая строка с собственным уникальным названием (например, anpa, torpedo2, markStart и т. п.) обозначает систему координат и может иметь одну или несколько дочерних (children) систем координат, которые:

1) либо не имеют степеней свободы относительно родительской системы координат;

2) либо имеют одну или несколько степеней свободы относительно родительской системы координат.

В последнем случае в одном из полей дочерней системы координат должен быть поставлен флажок. Флажки, задающие относительные перемещения систем координат (рисунок 39), проставлены только в полях "translation" (перемещение) и "rotation" (вращение), т. к. другие поля задают иные свойства систем координат и связанных с ними геометрических тел и в рассматриваемом случае не используются.

Рисунок 39 - Выбор параметров блока VR Sink

Каждой системе координат может быть поставлено в соответствие ("привязано") тело определенной геометрической формы (шар, параллелепипед, конус, цилиндр, фасонная поверхность заданной формы). Данные о числе систем координат, их иерархии и поставленных им в соответствие геометрических телах описываются в файле с расширением wrl.

Для создания и редактирования подобных файлов необходимо нажать на кнопку Edit окна блока VR Sink (рисунок 40). Нажатие вызовет загрузку встроенного в оболочку системы MATLAB редактора виртуальных анимационных сцен V-Realm Builder (рисунок 41).

Рисунок 40 - Редактора виртуальных анимационных сцен V-Realm Builder

Редактор имеет простой, интуитивно понятный интерфейс, а также встроенную справку на английском языке. Любая система координат может быть названа уникальным именем, скопирована (со всеми дочерними системами), удалена, вставлена, переименована, причем сделать это можно только в редакторе V-Realm Builder.

В окне блока VR Sink уже невозможны никакие изменения, кроме простановки флажков в нужных полях. Поля для простановки флажков появятся лишь в том случае, если какая-либо система координат будет названа собственным уникальным именем.

Исходный код разработанной программы приведен в приложении А.

2.2.2 Визуализатор выхода автономного необитаемого аппарата на источник экологической аномалии

При запуске процесса моделирования Simulink-модели, в которой присутствует блок VR Sink, автоматически открывается окно анимации (рисунок 34), на котором видны все перемещения объекта. Точка наблюдения может быть изменена во время моделирования прямо в этом окне при помощи панели управления в нижней части окна. Положение точки наблюдения по умолчанию должно быть задано в файле .wrl в редакторе V-Realm Builder путем установки специальной системы координат (View1 в рассматриваемом примере показан  рисунке 28). В свойствах "orientation" и "position" данной системы координат устанавливаются ориентация и позиция точки наблюдения в абсолютной системе координат.

Окно визуализации просто в эксплуатации, и рассчитано даже на неопытного пользователя, имеет интуитивно понятный интерфейс (рисунок 41).

Рисунок 41 - Окно визуализации

Рассмотрим кнопки элементов управления на панели управления, изображенные на рисунке 41. Цифрами на рисунке обозначены следующие кнопки:

  1.  Список камер;
  2.  Увеличение масштаба;
  3.  Уменьшение масштаба;
  4.   – Старт записи текущей визуализации в файл;
  5.  Старт симуляции;

По умолчанию кнопка записи видео-файла визуализации не активна (рисунок 41). Для её активации необходимо зайти в меню "Recording", выбрать пункт "Capture and Recording Parameters…". На рисунке 42 изображено окно параметров записи видео-файлов.

Рисунок 42. Окно параметров записи видео-файлов

Для активации записи файла, необходимо нажать галочку "Record to AVI" или "Record to VRML".  Ниже приведенная строка с параметрами качества видео-файла – "FPS", "Compression", "Quality". Она предназначена для экспертов и не рекомендована к изменению. В свойстве "Record mode" можно выбрать режим записи видео-файла, по умолчанию стоит "Manual" – ручной режим записи. Существует также режим записи визуализации "Scheduled"  - запись по расписанию.

Для старта визуализации необходимо нажать на кнопку "Старт визуализации". По мере выполнения визуализации, возможно переключение камер с помощью меню "список камер", увеличение-уменьшение масштаба текущей сцены, с помощью соответствующих функциональных клавиш, описанных выше, а также запись визуализации в видео-файл с расширением AVI или VRML.

Разработанная при помощи пакета Virtual Reality Toolbox анимационная сцена автокрана позволяет визуализировать сложные пространственные перемещения автокрана в рабочем режиме при моделировании, что упрощает анализ моделирования .

2.3 Предложения по направлениям дальнейшего совершенствования разработанного программного продукта

В разработанный программный продукт не рассчитан на неподготовленного пользователя, без знаний основ программирования, Matlab и Simulink. Запуск визуализатора осуществляется только из среды Matlab  Стоимость ПО Matlab существенна, поэтому отказ от Matlab и создание кроссплатформенности, более дружественного интерфейса один из вариантов дальнейшего развития.

Вместо Matlab-Simulink планируется использование С++ и технологии OpenGL.

OpenGL (Open Graphics Library — открытая графическая библиотека) — спецификация, определяющая независимый от языка программирования кросс-платформенный программный интерфейс для написания приложений, использующих двумерную и трёхмерную компьютерную графику. Включает более 250-ти функций для рисования сложных трёхмерных сцен из простых примитивов.

На базовом уровне, OpenGL — это просто спецификация, то есть документ, описывающий набор функций и их точное поведение. Производители оборудования на основе этой спецификации создают реализации — библиотеки функций, соответствующих набору функций спецификации. Реализация использует возможности оборудования там, где это возможно. Если аппаратура не позволяет реализовать какую-либо возможность, она должна быть эмулирована программно. Производители должны пройти специфические тесты (conformance tests — тесты на соответствие) прежде чем реализация будет классифицирована как OpenGL реализация.

Эффективные реализации OpenGL существуют для Windows, Unix-платформ, PlayStation 3 и Mac OS. Эти реализации обычно предоставляются изготовителями видеоадаптеров и активно используют возможности последних.

OpenGL ориентируется на следующие две задачи:

  •  Скрыть сложности адаптации различных 3D-ускорителей предоставляя разработчику единый API.
  •  Скрыть различия в возможностях аппаратных платформ, требуя реализации недостающей функциональности с помощью программной эмуляции.

Основным принципом работы OpenGL является получение наборов векторных графических примитивов в виде точек, линий и многоугольников с последующей математической обработкой полученных данных и построением растровой картинки на экране и/или в памяти. Векторные трансформации и растеризация выполняются графическим конвейером (graphics pipeline), который по сути представляет из себя дискретный автомат. Абсолютное большинство команд OpenGL попадают в одну из двух групп: либо они добавляют графические примитивы на вход в конвейер, либо конфигурируют конвейер на различное исполнение трансформаций.

OpenGL является низкоуровневым процедурным API, что вынуждает программиста диктовать точную последовательность шагов, чтобы построить результирующую растровую графику (императивный подход). Это является основным отличием от дескрипторных подходов, когда вся сцена передается в виде структуры данных (чаще всего дерева), которое обрабатывается и строится на экране.


3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

В этой главе произведен расчет затрат на разработку визуализации результатов моделирования  выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий.

3.1. Краткая характеристика работы и её назначение

Целью данной работы является создание и исследование визуализации результатов моделирования  выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий.

Расчет затрат на проектирование и разработку будет включать в себя следующие этапы:

• Определение трудоемкости выполнения проекта.

• Калькуляция себестоимости проекта.

Себестоимость разработки имитационного моделирования будет определяться по фактическим затратам, произведенным за счет собственных финансовых средств разработчика.

3.2. Определение трудоемкости выполнения проекта

Перечень выполненных работ и их трудоемкость, входящая в определение себестоимости разработки проекта, приведены в таблице 1.

На основе трудоемкости выполнения работ по разработке имитационного моделирования рассчитываются издержки на оплату труда ее исполнителей, являющихся одной из статей калькуляции себестоимости разработки.

Таблица - Трудоемкость работ по разработке

Наименование работ

Трудоемкость, чел.- дни

Руководитель,

Исполнитель,

Формулирование требований и разработка технического задания

3

14

Изучение литературы и консультирование у экспертов по предметной области

0

12

Определение методов решения задачи и выбор технологий и средств проектирования и реализации

2

7

Выбор компонентов для моделирования

1

7

Продолжение таблицы 1

Разработка программно-математического  обеспечения

0

14

Тестирование и отладка

3

14

Разработка технической документации

1

7

Сдача проекта

1

1

Итого

11

76

3.3. Расчет себестоимости  программного обеспечения

Калькуляция себестоимости разработки осуществляется, по следующим статьям:

1. Материалы;

2. Основная зарплата непосредственных исполнителей;

3. дополнительная зарплата непосредственных исполнителей;

4. Отчисление на социальные нужды;

5. Амортизационные отчисления на износ ПК;

6. Накладные расходы;

3.3.1. Материалы

Материалы – это покупные полуфабрикаты и комплектующие изделия, использованные при выполнении разработки.

Калькуляция расходов по статье "Материалы" приведена в таблице .

Таблица - Калькуляция расходов по статье "Материалы"

Материалы

Единица измерения

Количество

Цена, р.

Сумма, р.

Бумага писчая

пачка

1

150.00

150.00

Использование копировальной техники

листы

100

3.00

300.00

Диск DVD-R

штука

2

15.00

30.00

Затраты на электроэнергию

163,75

Транспортно-заготовительные расходы

8% от суммы п. 1-3

38,40

Итого

682,15

 

При этом стоимость электроэнергии, потребляемой за год, определяется по

формуле (1)

                                       ,                                                          (1)

- суммарная мощность ПЭВМ,

- стоимость 1 кВт*ч электроэнергии,

- коэффициент интенсивного использования мощности машины.

Согласно техническому паспорту ПЭВМ кВт, стоимость 1 кВт*ч электроэнергии для предприятий руб., интенсивность использования машины , время эксплуатации  (использование ПЭВМ предполагалось на всех этапах работы, указанных в Таблице , кроме " Изучение литературы и консультирование у экспертов по предметной области" и " Сдача проекта")

Тогда расчётное значение затрат на электроэнергию:

3.3.2 Основная и дополнительная заработная плата непосредственных исполнителей 

Основная и дополнительная заработная плата непосредственных исполнителей рассчитывается на основании следующих данных:

трудоемкость выполнения работ руководителя и исполнителя (,) определяются по таблице 1:  чел./дн. и  чел./дн.

Дневные ставки руководителя и исполнителя согласно нормам, принятым на предприятии равны:

• дневная ставка исполнителя:  руб.;

• дневная ставка руководителя:  руб.;

• норматив дополнительной заработной платы: ;

• норматив отчислений на социальные нужды: ;

• норматив накладных расходов: ;

3.3.2.1. Основная заработная плата

Основная заработная плата исполнителей () рассчитывается по формуле (2)

                                           ,                                            (2)

Таким образом:

руб.

3.3.2.2. Дополнительная заработная плата

Сумма дополнительной заработной платы  составляет 12% от основной заработной платы и рассчитывается по формуле:

Таким образом:

руб.

3.3.3. Отчисления па социальные нужды 

Отчисления на социальные нужды  рассчитываются по формуле:

руб.

3.3.4. Амортизационные отчисления

Годовая амортизация персонального компьютера вычисляется по формуле (3).

                                    ,                                              (3)

где

– годовая амортизация

– балансовая стоимость(руб.)

– ликвидная стоимость()

– норма амортизации на износ ПК()

руб.

Амортизационные отчисления на износ ПК, таким образом, составляют:

,

где

– трудоемкость выделения проекта исполнителем (по Таблице 1.)

руб.

3.3.5 Накладные расходы 

Накладные расходы - это расходы на оплату труда управленческого персонала с начислениями, освещение, отопление, коммунальные услуги и прочее. Они принимаются равными одной трети (33%) основной заработной платы.

руб.

Калькуляция себестоимости разработки на основании рассчитанных значений приведена в таблице .

Таблица - Себестоимость продукции

Статья затрат

Сумма, руб.

Материалы

682,15

Основная заработная плата

40170

Дополнительная заработная плата

4820,4

Отчисления на социальные нужды

11697,5

Амортизационные отчисления

1027,4

Накладные расходы

18707

ИТОГО

77104,45

Таким образом, себестоимость разработки составляет 77104,45 рублей.

3.4.Выводы

Произведенное экономическое обоснование, выполненное на основе расчета затрат на проектирование и разработку, включающее этапы определения трудоемкости разрабатываемого проекта и расчете его себестоимости, показало, что, затраты на реализацию метода имитационного моделирования составили 77104,45 руб.

Реализация и использование данного программного обеспечения позволяет визуализировать результаты моделирования выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий, что обеспечивает существенное снижение затрат на реальных испытаниях АНПА.


4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЭКОЛОГИЯ

4.1 Анализ и нормирование опасных и вредных производственных факторов воздействий на пользователя 

Согласно ГОСТ 12.0.003-74 (1999) "Опасные и вредные производственные факторы. Классификация",  при работе оператора на персональной ЭВМ могут возникнуть следующие физические ОВПФ:

  •  повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны;
  •  повышенный уровень шума на рабочем месте;
  •  повышенный уровень вибрации;
  •  повышенная или пониженная влажность воздуха;
  •  повышенная или пониженная подвижность воздуха;
  •  повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;
  •  повышенный уровень электромагнитных излучений;
  •  отсутствие или недостаток естественного света;
  •  недостаточная освещенность рабочей зоны;

Психофизиологические ОВПФ, действующие на оператора, подразделяются на физические (статические и динамические) и нервно-психологические перегрузки (умственное перенапряжение, перенапряжение анализатора, монотонность работы, эмоциональные перегрузки). Мероприятия, направленные на устранение или снижение психофизиологических ОВПФ, связаны с правильной организацией рабочих мест и определены в стандартах ГОСТ 12.2.032-78 "Рабочее место при выполнении работ сидя".

4.1.1 Температура в рабочей зоне

Оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне изложены в ГОСТ 12.1.005-88 "Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования". Значения параметров микроклимата нормируются с учетом избытков явного тепла, поступающего в помещения, тяжести выполняемых работ и периодов года. Нормы микроклимата на рабочем месте представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Нормы микроклимата на рабочем месте

Период года

Категория работ

Температура, °C

Относительная влажность, %

Скорость движения воздуха, м/с

Холодный

Лёгкая 1а

20 - 30

40-60

0,2

Тёплый

Лёгкая 1а

22 - 25

40-60

0,2

4.1.2 Повышенный уровень шума на рабочем месте

Нормы  шума  в  соответствии  с  ГОСТ 12.1.003–83* и СНиП 23-03-2003 (Защита от шума) представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Нормы шума

Уровни звукового давления (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами (Гц)

Уровни звука и эквивалентные уровни, дБА

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

50

71

61

54

49

45

42

40

38

4.1.3 Повышенная вибрация

Гигиенические нормы технологической вибрации в соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 (Вибрация. Общие требования безопасности) представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Гигиенические нормы технологической вибрации

Среднегеометрические частоты полос, Гц

Нормативные значения

Среднеквадратическое значение виброскорости, м/c

Логарифмические уровни виброскорости, дБ

2.0

0.018

91

4.0

0.063

82

8.0

0.032

76

16.0

0.028

75

31.5

0.028

75

63.0

0.028

75

4.1.4 Недостаточная освещенность рабочей зоны

Рекомендуемая освещенность для работы с экраном дисплея составляет 200 Лк, а при работе с экраном в сочетании с работой с документами – 400 Лк. Нормы освещенности определены в СНиП 23-05-95 и приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Нормы освещенности рабочей зоны

Характеристика зрительной работы

Наименьший размер объекта различения, мм

Разряд зрительной работы

Контраст объекта различения с фоном

Характеристики фона

Искусственное освещение

Естественное освещение

Освещенность, Лк

КЕО, %

При комбинированном освещении

При общем освещении

При боковом освещении

1

2

3

4

5

6

7

8

Средняя точность

Св. 0,50 до 1,00

IV

Средний

Средний

400

200

1,5

4.1.5 Повышенный уровень электромагнитных излучений

Уровни допустимой электрической и магнитной напряженностей, составляющих электромагнитное поле для различных частей СВЧ-диапазона, регламентированы в СанПиН 2.2.2.542-96 и приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Допустимая электрическая и магнитная напряженность

Наименование параметра

Допустимое значение

Напряженность электромагнитного поля по электрической составляющей на расстоянии 50 см от видеомонитора

10 В/м

Напряженность электромагнитного поля по магнитной составляющей на расстоянии 50 см от видеомонитора

0,3 А/м

Напряженность электростатического поля не должна превышать:

для взрослых пользователей

для детей дошкольных учреждений и учащихся средних специальных и высших учебных заведений

20 кВ/м

15 кВ/м

Напряженность электромагнитного поля на расстоянии 50 см по электрической составляющей должна быть не более:

в диапазоне частот 5 Гц — 2 кГц

в диапазоне частот 2 кГц — 400 кГц

25 В/м

2,5 В/м

Плотность магнитного потока должна быть не более:

в диапазоне частот 5 Гц — 2 кГц

в диапазоне частот 2 кГц — 400 кГц

250 нТл

25 нТл

Поверхностный электростатический потенциал не должен превышать

500 В

4.1.6 Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека

Предельно допустимые уровни прикосновения и токов регламентируются в ГОСТ 12.1.038-82 и приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Предельно допустимые уровни прикосновения

Род тока

U, В, не более

I, мА

Переменный, 50Гц

2,0

0,3

Переменный, 400 Гц

3,0

0,4

Постоянный

8,0

1,0

4.2 Расчет устройства защитного отключения

Защитное отключение – это система защиты, автоматически отключающая электроустановку при возникновении опасности поражения человека электрическим током (при замыкании на землю, снижении сопротивления изоляции, неисправности заземления или зануления). Защитное отключение применяется тогда, когда трудно выполнить заземление или зануление, а также в дополнение к нему в некоторых случаях.

В зависимости от того, что является входной величиной, на изменение которой реагирует защитное отключение , выделяют схемы защитного отключения: на напряжение корпуса относительно земли; на ток замыкания на землю; на напряжение или ток нулевой последовательности; на напряжение фазы относительно земли; на постоянный и переменный оперативные токи; комбинированные.

Защитное отключение, реагирующее на напряжение корпуса относительно земли

Схем защитного отключения на напряжение корпуса относительно земли приведена на рисунке 43.

Рисунок 43 - Схема защитного отключения на напряжение корпуса относительно земли

Основным элементом схемы является защитное реле напряжения РЗ, включенное между корпусом и вспомогательным заземлителем. Схема осуществляет защиту от глухих замыканий на землю и пригодна в сетях с изолированной и глухоизолированной нейтралью любого напряжения.  При замыкании на корпус одной фазы корпус окажется под напряжением выше допустимого, сердечник реле РЗ втягивается и замыкает цепь питания катушки автоматического выключателя АВ, в результате чего электроустановка отключается.

Напряжение срабатывания реле определяется по формуле (4).

                                                 ,                                                       (4)

где - полное сопротивление реле;

- сопротивление вспомогательного заземлителя;

- длительно допустимое напряжение прикосновения;

- коэффициент напряжения прикосновения.

Выберем из значение  для единичного протяженного заземлителя.

Длительно допустимое напряжение прикосновения в соответствии с ГОСТ 12.1.038-82 примем равным  = 2 B.

Расчет сопротивления вспомогательного заземлителя

В качестве вспомогательного заземлителя выберем трубчатый заземлитель длинной l = 2.5 м и диаметром d = 40 мм расположенный у поверхности грунта. Его сопротивление рассчитаем по формуле (5)

[Ом],    (5)

где - расчетное удельное сопротивление грунта.

Выбор расчетного удельного сопротивления грунта осуществляется с учетом расчетных климатических коэффициентов сопротивления. Возьмем песок с  = 700 Ом*м. Расчетное сопротивление грунта получим домножив его на климатический коэффициент. Таким образом  =980 Ом*м

Сопротивление вспомогательного заземлителя по (6)

                                [Ом],                                                 (6)

Возьмем реле напряжения характеристиками из таблицы 10:

Таблица 10 - Характеристики реле напряжения

Ток питания обмотки:

перем./пост.

Классификация реле по начальному состоянию:

Одностабильное

Поляризация:

Нейтральное

Классификация по числу коммутационных положений:

Двухпозиционное

Количество обмоток:

1

Напряжение срабатывания, не более, В:

10.5

Напряжение отпускания, не менее, В:

0.85

Сопротивление обмотки, Ом:

2000

Минимальное рабочее напряжение, В:

24

Номинальное рабочее напряжение, В:

27

Максимальное рабочее напряжение, В:

35

Контактный набор:

Максимальное коммутируемое постоянное напряжение, В:

30

Максимальный коммутируемый постоянный ток, А:

0.35

Максимальное коммутируемое переменное напряжение, В:

220

Максимальный коммутируемый переменный ток(cos f *1),А:

0.2

Время срабатывания, мс:

4

Время отпускания, мс:

1

Сопротивление изоляции, МОм:

5000

Максимальное сопротивление электрических контактов, Ом:

0.25

Материал контактов:

Зл 999.9. Рд 99.9

Наработка на отказ не менее,циклов х10^6:

-

Рабочая температура, С:

-60...70

 

Таким образом, сопротивление обмотки реле =2000 Ом

Рассчитаем напряжение срабатывания реле по (7)

                                   [В],                                (7)

Полученное напряжение срабатывания реле или напряжение установки не превышает максимального напряжения срабатывания 10.5 В

Таким образом, если произойдет замыкание на корпус и он окажется под напряжением более 1.7 В, сработает реле и отключит электроустановку.

Достоинством схемы является простота. Недостатки: необходимость иметь вспомогательное заземление RВ; неселективность отключения в случае присоединения нескольких корпусов к одному заземлению; непостоянство установки при изменениях сопротивления .

4.3 Пожарная безопасность

В соответствии с НПБ 105-03 здания ВЦ относятся к категории пожароопасности – "В" и в соответствии с СНиП 21-01-97* имеет степень огнестойкости – II.

Согласно ГОСТ 12.1.004-91 помещения ВЦ объемом до 200 м3 должны иметь следующие средства пожаротушения:

В соответствии с НПБ 105-03 здания ВЦ относятся к категории пожароопасности — "В" и имеет степень огнестойкости - II. (таблица 4.9).

Согласно ГОСТ 12.1.004-91  помещения ВЦ объемом до 200 м3 должны иметь следующие средства пожаротушения:

сигнализатор РИД – 1шт.;

огнетушитель ОУ-5 — 2 шт.;

количество эвакуационных выходов — 2.

спринклерная установка пожаротушения.

4.4 Экологическая безопасность

Любая организация обязана документально оформлять поступление, движение, инвентаризацию и выбытие драгметаллов, содержащихся в составных частях офисной техники (компьютеров, телевизоров и т.д.) На это указывает два документа:

Федеральный закон от 26.03.98 № 41 ФЗ "О драгоценных металлах и драгоценных камнях" (п.2ст.20)

Инструкция по учету драгметаллов, Разработанная в Минфине.

Оргтехника включает в свой состав как органические составляющие (пластик различных видов, материалы на основе поливинилхлорида, фенолформальдегида), так и почти полный набор металлов. Все эти компоненты не являются опасными в процессе эксплуатации изделия.

Металлы, как свинец, сурьма, ртуть, кадмий, мышьяк, входящие в состав электронных компонентов переходят под воздействием внешних условий в органические и растворимые соединения и становятся сильнейшими ядами. Утилизация пластиков, содержащих ароматические углеводороды, органические хлорпроизводные соединения является насущной проблемой экологии. Поэтому вся оргтехника должна утилизироваться по методике утвержденной

Государственным Комитетом РФ по телекоммуникациям (от 19 октября 1999 г.). Благодаря комплексной системе утилизации оргтехники сводятся к минимуму не перерабатываемые отходы, а основные материалы (пластмассы, цветные и черные металлы) и ценные компоненты (редкие металлы, люминофор, ферриты и др.) возвращаются в производство. Драгметаллы, содержащиеся в электронных компонентах оргтехники концентрируются и после переработки на аффинажном заводе сдаются в Госфонд.

Так как в средствах вычислительной (компьютерной) техники содержатся драгоценные металлы, утилизацию компьютерной техники могут производить только организации зарегистрированные в Пробирной Палате.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дипломном проекте сформированы требования к программному обеспечению визуализации движения АНПА, выбрано средство визуализации результатов имитационного моделирования, разработано и отлажено программное обеспечение для визуализации результатов моделирования поиска экологических аномалий автономным необитаемым подводным аппаратом.

Разработанная в данном дипломном проекте автоматизированная система визуализации результатов моделирования поиска экологических аномалий автономным необитаемым подводным аппаратом обеспечивает пользователю наглядность результатов моделирования, облегчает процесс отладки автоматизированной обработки информации судовым природоохранным комплексом и сокращает трудоемкость разработки контрольных вариантов для имитационной модели.

Данное программное обеспечение позволяет облегчить процесс моделирования поиска экологических аномалий автономным необитаемым подводным аппаратом. Программное обеспечение разработано, реализовано и протестировано с применением современных технологий программирования и сред разработки.

Произведено экономическое обоснование, выполненное на основе расчета затрат на проектирование и разработку, включающее этапы определения трудоемкости разрабатываемого проекта и расчет его себестоимости, показало, что, затраты на реализацию визуализатора результатов имитационного моделирования составили 77104,45 руб.

Реализация и использование данного программного обеспечения позволяет визуализировать результаты моделирования выхода автономного необитаемого подводного аппарата на источник экологических аномалий, что обеспечивает существенное снижение затрат  при реальных испытаниях автоматизированного необитаемого подводного аппарата и повышает скорость и качество разработки новых динамической моделей.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Использование эхолокационной информации для обнаружения и инспекции искусственных протяженных объектов автономным необитаемым подводным аппаратом / А.В. Инзарцев, A.M. Павин // Подводные исследованиям робототехника. – 2006. – №2. – с. 20-43.
  2.  Исследование прикладных вопросов обеспечения контроля состояния морской среды Балтийского моря в зоне прокладки СЕГ. – СПб.: ЗАО "АПМП", 2006. – 234 с.
  3.  Гуральник Д.Л., Гусев А.В. и др. Опыт использования природоохранного судна "Экопатруль-2" для осуществления водного мониторинга Нижней Волги и Северного Каспия. – Москва-Астрахань: изд. Центра экологического образования населения, 1999. – 106 с.
  4.  Кичёв В.С. Гидроакустические средства обследования морского дна и основные направления их использования. Труды IX Всероссийской конференции "Прикладные технологии и гидроакустики и гидрофизики". – СПб.: Наука, 2008. С. 274-276.
  5.  Малышев П.Ю. Судно оперативного контроля экологической и радиационной обстановки в шельфовой зоне Баренцевого и Белого морей. Труды IX Всероссийской конференции "Прикладные технологии и гидроакустики и гидрофизики". – СПб.: Наука, 2008. С. 315-318.
  6.  Долговесов Б.С. Компьютерные системы визуализации в технологии виртуальной реальности  / Программные продукты и системы. – № 4 – 1995.
  7.  Захарова И.А. Результаты анализа загрязнения акваторий Севастополя растворенными нефтепродуктами. Проблемы создания систем управления ракетного оружия и радиоэлектронного вооружения кораблей: Сборник тезисов докладов XIX научно-технической конференции ОАО "Концерн "Фирма-Электрон", 2006, с. 132.
  8.  Дьяконов В.П. Matlab 7.* /R2006/R2007 – Москва: ДМК пресс, 2008. – 768 с.
  9.  Игнатов В.Г., Кокин А.В. Экология и экономика природопользования. – Ростов на Дону: изд-во "Феникс", 2003.Авраамова О.Д. Язык VRML. Практическое руководство. – Москва: Диалог-МИФИ, 2000. – 288 с.
  10.   Автономные подводные роботы: системы и технологии / М.Д. Агеев Л.В. Киселев, Ю.В. Матвиенко и др. / ред. М.Д. Агеев. – Москва : Наука, 2005. – с. 398.
  11.  Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник. – Санкт-Петербург: "Питер", 2002. – 528 с.
  12.  Оснащение и управление АНПА при обследовании подводных трубопроводов / М.Д. Агеев // Подводные технологии. – Владивосток : Дальнаука, 2005. – №1. – с. 68-72.
  13.  Охрана природы, мониторинг и обустройство сахалинского шельфа. – Южно-Сахалинск: Сахалинское книжное издательство, 2001.
  14.  Институт океанологии им. П.П. Ширшова: Полвека изучения Мирового океана. – М.: Наука, 1999. – 249 с.
  15.  Карабасов Ю.С., Чижикова В.М., Плущевский М.Б. Экология и управление: термины и определения. – М.: МИСИС, 2001.
  16.  Комплекс "Акватория-2С". Руководство по эксплуатации, ч.2. – СПб.: "Фирма-НЭМП".
  17.  Комплекс "Гвоздь-К". Пояснительная записка. – СПб.: ЗАО НПО "Фирма-7", 1997.
  18.  Комплекс "КНИБ". Пояснительная записка НМИУ. 416438.001ПЗ. – СПб.: ЗАО "Фирма-7", 2007. – 310 с.
  19.  Концепция развития глубоководных сил и средств Российской Федерации на период до 2021 года. – М.: 2006.
  20.   Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. – М.: Высшая школа, 2001.
  21.  Ориентация и  навигация подводных объектов: современные информационные технологии / Под. ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремеенко, А.И. Черноморского. –  М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – с. 424.
  22.   Соловьев С.Г. Vitrual Reality Toolbox – обзор // http://matlab.exponenta.ru/
  23.   Справка программы Matlab – Virtual Reality Toolbox.
  24.  Титтел Э., Сандерс К., Скотт Ч., Вольф П. Создание VRML – миров. – Санкт-Петербург: BHV, 2003. – 320 с.


ПРИЛОЖЕНИЕ А


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16897. Подготовка документа к печати. Урок 20.16 KB
  Тема Подготовка документа к печати Цели урока: 1 обучающие: Освоить дополнительные возможности OpenOffice.org Writer; Научиться быстро и качественно готовить документ к печати; 2 развивающие: повышение общего образовательного уровня в области офи
16898. Объекты Math: редактор формул OpenOfficeorg 393.19 KB
  Лабораторная работа № 7 Объекты Math: редактор формул OpenOffice.org Оборудование: ПКПрограммное обеспечение: Windows OpenOffice.org WriterЦель работы: приобретение и закрепление практических навыков работы в текстовом процессоре Writer OpenOffice.org OOo имеет компонент для создания и ре
16899. Работа с таблицами в OpenOfficeorg 431.22 KB
  Лабораторная работа № 8 Работа с таблицами Оборудование: ПКПрограммное обеспечение: Windows OpenOffice.org WriterЦель работы: приобретение и закрепление практических навыков работы в текстовом процессоре Writer Таблицы являются полезным средством для организации и представл...
16900. Знакомство с программой KompoZer 818.5 KB
  Лабораторная работа Знакомство с программой KompoZer Цель работы: познакомиться с рабочей средой программы KompoZer научиться создавать сайт на основе шаблона 1.2 Технические средства Оборудование: ПК; Программное обеспечение: KompoZer Примерное время ра...
16901. Знакомство с программой KompoZer. Лабораторная работа 807 KB
  Лабораторная работа №9. Знакомство с программой KompoZer. Цели лабораторной работы: познакомиться с рабочей средой программы KompoZer создать сайт на основе шаблона. Описание пунктов меню в KompoZer можно просмотреть в файле Описание пунктов меню в KompoZer.doc. Панель инстр...
16902. РАХМАНИНОВ, СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ 31.5 KB
  РАХМАНИНОВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ Rakhmaninov 1873–1943 русский композитор и пианист. Родился 20 марта 1 апреля 1873 в имении Онег Новгородской губернии. Проявив интерес к музыке уже в четыре года обучался игре на фортепиано а в девять лет поступил на фортепианное отделение СанктПете...
16903. Римский-Корсаков Николай Андреевич 39.5 KB
  Римский Корсаков Николай Андреевич [618.3.1844 Тихвин 821.6.1908 усадьба Любенск близ Луги ныне Ленинградской области] русский композитор педагог дирижёр общественный деятель музыкальный писатель. Из дворян. Получил образование в петербургском Морском корпусе по окон
16904. СКРЯБИН, АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ 35.5 KB
  СКРЯБИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ 1872–1915 русский композитор и пианист. Родился 25 декабря 1871 6 января 1872 в Москве. Окончив Московскую консерваторию где занимался в частности у А.С.Аренского и С.И.Танеева Скрябин начал давать концерты и преподавать однако вскоре сосредоточ
16905. ПЕТР ИЛЬИЧ ЧАЙКОВСКИЙ 42.5 KB
  ПЕТР ИЛЬИЧ ЧАЙКОВСКИЙ Tchaikovsky Petr Ilich 1840–1893 русский композитор музыка которого отличается красочностью романтичностью и необычайным мелодическим богатством. Родился 25 апреля 7 мая 1840 в Воткинске Вятская губерния в семье начальника КамскоВоткинского завода горного...