ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1. Цели и задачи

В настоящее время при обучении студентов на специальностях горно-геологического факультета тема безопасности и правил поведения шахтера в выработке актуальна. Ведутся многочисленные работы для предотвращения аварийных ситуаций в шахтах, проводятся различные лекции, семинары. Но для закрепления лекционного, теоретического материала необходима наглядная его визуализация.

Целью данной работы является создание интерактивного приложения для тестирования знаний студента по технике безопасности в шахте с возможностью просмотра анимационных видеороликов, демонстрирующих элементарную последовательность действий шахтера в аварийных ситуациях. Данное приложение может быть использовано в процессе обучения на специальностях горно-геологического факультета. Результатом работы программного средства должно стать повышение безопасности труда, исключение человеческого фактора в аварийных ситуациях в угольных шахтах.

2. Актуальность и мотивация

В последнее время на шахтах Украины происходит все больше и больше аварий. По статистике компании Whites Communication, с 2011 году на шахтах погибло около 160 горняков. Украинские шахты считаются вторыми среди самых опасных в мире после китайских. Большинство аварийных ситуаций в выработках происходит по невнимательности, неосторожности. [1].

Моделирование опасных ситуаций в шахте позволит наглядно продемонстрировать правила поведения шахтера в шахтной выработке в той или иной ситуации, научить пользователя правилам элементарной техники безопасности в шахте. Наглядная демонстрация, вместе с практическим закреплением позволит обучающемуся закрепить основные правила техники безопасности в шахте и на производстве.

3. Научная новизна

Научная новизна разработки состоит в методе решения задачи, которая была поставлена в рамках выпускной работы. Суть научной новизны в использовании модульной структуры при проектировании программного средства, описанного в разделе «Цели и задачи». Такая структура позволяет оптимизировать и ускорить работу приложения за счет избегания повторений графических элементов моделируемой угольной выработки.

4. Планируемые практические результаты

На данный момент уже создан программный комплекс для моделирования угольных шахт, как в двумерном, так и в трехмерном виде. Программный комплекс состоит из двух приложений: программа-конструктор и программа-симулятор. Конструктор предназначен для создания плана угольных выработок средствами двумерной графики. А симулятор преобразует этот план в трехмерную модель по заданным правилам.

Среди недостатков существующей программы-симулятора можно отметить низкое качество графики, малый объем моделируемых нарушений техники безопасности, а также недостаточное количество моделируемых устройств шахтного оборудования. Кроме того, на данный момент не выполняется контроль столкновений персонажа с шахтным оборудованием.

Недостатком существующей программы-конструктора является недоработанная функциональная часть, которую необходимо совершенствовать.

Таким образом, очевидно, что существующие решения могут послужить базой для дальнейшего развития, но требуют существенной доработки.

Основными направлениями развития разработанного симулятора являются:

Для совершенствования программы-конструктора были выбраны следующие направления:

5. Обзор исследований и разработок по теме

На сегодняшний день, к сожалению, существует крайне мало тренировочных средств, как физических, так и виртуальных для демонстрации условий работы в шахте обучающемуся человеку.

На момент создания данной работы было найдено и рассмотрено всего два программных средства.

5.1 Обзор международных источников

Первое интерактивное приложение имеет формат квеста (пользователь выполняет поставленные приложением задачи), создано на языке программирования PHP и является веб-сервисом. Приложение не имеет анимации, а для демонстрации того, что работа ведется именно в угольной шахте, используются простые фотографии выработки. Это приложение абсолютно не пригодно для обучения и является примитивной игрой. При этом она, естественно, не требует серьезных аппаратных ресурсов. Пример его интерфейса на рисунке 1. [2]

Рисунок 1 – Интерактивное приложение «Квест»

Далее будет рассмотрено интерактивное приложение, обладающее трехмерной графикой, «Симулятор Шахтера». Приложение создано немецкими разработчиками компании Astragon Software GmbH, оригинальное название программы на немецком языке – «Untertagebau Simulator 2011». Программа имеет немецкоязычный интерфейс, что усложняет использование его украинскими пользователями. [3]

Программа имеет достаточно широкий выбор разнообразной шахтной техники, доступной для использования игровому персонажу (шахтеру), приемлемую трехмерную графику, реалистичную физику, а также предоставляет выбор локаций: угольная шахта, соляная, железная и золотая. Пример интерфейса приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Интерактивное приложение «Симулятор Шахтера»

Для установки и использования данной программы необходимо выполнение следующих системных требований:

Данная программа так же, как и предыдущая, является игровой.

Минусом программы является отсутствие визуализации опасностей, и нарушений в выработке, повышающих вероятность аварийных ситуаций, что делает эту программу также непригодной для обучения студентов.

5.2 Обзор национальных источников

В Украине за пределами ДонНТУ сходных по тематике программных средств найдено не было.

5.3 Обзор локальных источников

Аналогичные разработки с 2010 года ведутся в ДонНТУ, по материалам которых были проведены выступления с докладами на конференциях, а также написаны статьи для журналов по данной теме такими авторами, как проф. Аноприенко А.Я., доц. Карабчевсткий В.В., Трофимов В.А., доц. Николаев Е.Б., а также выпускники: Бабенко Е.В., Навка Е.А., Оверчик О.М. и студенты: Степных А.И., Коханова Ю.И. (т.е. я). [4, 6, 9, 11]

Магистром Бабенко Е.В. был разработан комплекс программ, включающий вышеописанные компоненты: конструктор и симулятор. На базе этого программного комплекса мной и будут вестись дальнейшие разработки.

6. Текущее состояние работы

В рамках предшествующей курсовой работы были рассмотрены методы моделирования и анимации трехмерных объектов, способы создания интерактивности. Созданы трехмерные модели шахтного туннеля, огнетушителя, пожарного крана и рукава, арочных крепей, шахтного телефона и т.д. Определены и смоделированы правила поведения шахтера при пожаре в шахтной выработке.

Первым этапом было моделирование шахтной выработки, где за основу были взяты реальные размеры ее составляющих в пропорции: туннеля, арки, атрибутов пожарной безопасности, телефона, лампы и многих других. На рисунке 3 изображена модель шахтной выработки.

Рисунок 3 – Модель шахтной выработки (анимация, 27 кадров, 10 повторов, размер 292 Кб)

Все объекты данной сцены были смоделированы средствами 3DS MAX.

Такие эффекты, как огонь и дым для имитации пожара, система частиц для имитации струящейся пены огнетушителя и воды пожарного рукава также разрабатывались стандартными средствами 3DS MAX. Данные средства обладают всеми необходимыми возможностями для создания реалистичного эффекта горения и распыления. В разработке тушения пожара огнетушителем была задействована сложная система частиц, вследствие чего было достигнуто реалистичное изображение струящейся пены.

Всего создано две части видеоролика, где виден пожар. В последствии эти части видеоролика были смонтированы, образовав целостный деморолик по пожарной безопасности в шахте.

В первой части по сюжету персонаж обнаруживает пожар, когда заходит в выработку. После этого персонаж идет к телефону, чтобы позвонить диспетчеру и сообщить о пожаре.

Во второй части видеоролика шахтер делает попытку потушить огонь самостоятельно, взяв огнетушитель (рис. 4). При распылении пены огонь немного уменьшается, но не гаснет.

Рисунок 4 – Попытка потушить огонь огнетушителем

Наконец персонаж разматывает пожарный шланг, присоединяет его к крану и открывает воду. Направив воду на огонь, он гасит пожар. [5]

Для успешного и наиболее реалистичного моделирования угольной выработки мною был посещен специальный музей, посвященный угольной шахте. Здесь были сделаны несколько фото-снимков необходимых для моделирования объектов, а также их размеры, для соблюдения пропорций (рис. 6).

Рисунок 6 – Шахтная лампа

На рисунке 7 приведен скриншот модели шахтного туннеля во вьюпорте трехмерного редактора 3DS MAX.

Рисунок 7 – Модель фрагмента шахтной выработки

Огонь и дым для имитации пожара разрабатывался стандартными средствами 3DS MAX.

Заключение

Таким образом, путь развития существующих решений поставленной задачи обозначен. Существует необходимость повышать качество графики в программе-симуляторе. Однако делать это стоит с осторожностью, так как предполагается использование его на различных по своим характеристикам компьютерах. На компьютерах с устаревшим оборудованием программа после повышения качества графики может некорректно работать.

От сюда вытекает следующее направление модификации: улучшение и оптимизация возможности выбора качества графики, в зависимости от используемого компьютера.

Кроме качества графики доработки и оптимизации требуют существующие и создаваемые трехмерные модели и динамическая загрузка сцен, а также реализация модульной организации программы.

Однако, кроме модернизации существующих решений, планируется также и создание трехмерной модели по кланам существующей угольной шахты Донецка или Донецкой области для наглядной демонстрации опасных ситуаций и нарушений правил техники безопасности в будущем месте работы студентов во избежание появления реальной угрозы.

Используя модель реально существующей шахты, планируется реализация учебных сценариев, демонстрирующих последовательность поведения человека, оказавшегося в опасности внутри шахтной выработки. А также планируется акцентирование внимания студентов на наиболее опасные участки выбранной для моделирования угольной шахты.

Список источников

  1. Media-Pulta – сервис рассылок пресс-релизов в СМИ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www/ URL: http://www.mediapulta.com/
  2. Квесты он-лайн [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www/ URL: http://kvester.ru/
  3. Мини-игры и аркады [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www/ URL: http://small-games.info/
  4. Аноприенко А.Я., Бабенко Е.В. Организация модульного интерактивного приложения для трехмерного моделирования угольных шахт.// Материалы III всеукраинской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС и КМ 2012)» – 16-18 апреля 2012 г., Донецк, ДонНТУ, 2012. Т.3. С. 680-684.
  5. Коханова Ю.И., Степных A.B., Карабчевский В.В. Создание анимированного учебного видеоролика о пожарной безопасности в шахте. // Материалы III всеукраинской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС и КМ 2012)» – 16-18 апреля 2012 г., Донецк, ДонНТУ, 2012.
  6. Бабенко Е.В., Оверчик О.М., Трофимов В.А., Николаев Е.Б., Аноприенко А.Я. Использование трехмерного интерактивного моделирования угольной шахты для создания тренажера по безопасности и охране труда.// Материалы всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов "Современные проблемы охраны труда и аэрологии горных предприятий"– 24 ноября 2011 г., Донецк, ДонНТУ, 2011. С. 80-84.
  7. Джамбруно, М. Трехмерная графика и анимация / М. Джамбруно. – М.: Вильямс, 2002. – 640 с.
  8. Маров, М.Н. 3ds max. Моделирование трехмерных сцен / М.Н. Маров. – СПб.: Питер, 2005. – 560 с. (+СD)
  9. Трофимов В.А., доц. Николаев Е.Б., доц., Аноприенко А.Я., проф., Бабенко Е.В., Оверчик О.М., ст. гр. КЭМ-11м (ДонНТУ). Использование трехмерного интерактивного моделирования угольной шахты для создания тренажера по безопасности и охране труда. Материалы всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов "СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ТРУДА И АЭРОЛОГИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ"– 24 ноября 2011 г., Донецк, ДонНТУ, 2011.
  10. Конструкторы для создания компьютерных игр. Выпуск 3 / Интернет-ресурс. – Режим доступа: www/ URL: http://itcs.3dn.ru.
  11. Бабенко Е.В. Навка Е.А. Оверчик О.М. Перспективы использования свободного программного обеспечения для создания трехмерных интерактивных приложений // Материалы II всеукраинской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС и КМ 2011)» – 12-13 апреля 2011 г., Донецк, ДонНТУ, 2011. Т.3. С. 184-187.
  12. Аноприенко А.Я., Джон С.Н. Задачи, методы и средства моделирования сетевой инфраструктуры // Научные труды. Выпуск 29. Серия «Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем» — Севастополь: «Вебер». – 2001. – С. 312-319.
  13. Аноприенко А. Я., Святный В. А. Универсальные моделирующие среды. // Сборник трудов факультета вычислительной техники и информатики. Вып.1. – Донецк: ДонГТУ. – 1996. – С. 8-23.
  14. 14. Вячеслав Тозик, Александр Меженин, Кирилл Звягин. 3ds Max. Трехмерное моделирование и анимация на примерах. – БХВ-Петербург, 2008 – 880 с. (+CD)