Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи работы
• 3. Обзор исследований и разработок
• 4. Разработка алгоритма для создания параметрической модели шахтной выработки
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Моделирование – это очень важная часть практически всех современных исследований. Оно применяется везде: в экономике, математике, физике, химии, биологии и так далее. Моделирование – это построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов и явлений с целью получения объяснения этих явлений, так же предсказания явлений, интересующих исследователя [2].

Геометрическое моделирование – создание геометрических моделей с целью их применения в процессе синтеза геометрии проектируемых объектов. В настоящее время промышленное производство, архитектура и градостроительство, управление и многое другое немыслимо без использования компьютерных технологий. Любые изделия в процессе производства описываются, прежде всего, геометрическими параметрами, без этого производство невозможно.

Параметрическое моделирование (параметризация) – моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических соотношений) различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок [3].

Данные технологии можно применять и к созданию моделей подземных шахтных выработок, с целью использования их для создания обучающих симуляторов, видеороликов и т.д.

1. Актуальность темы

Донецкий каменноугольный бассейн был открыт еще в 1720-е годы. А его промышленное освоение началось уже в конце XIX века. С тех пор на территории Донбасса активно развивается шахтное производство.

Угольная промышленность Украины представлена главным образом предприятиями Донецкого, Львовско-Волынского каменноугольных и Днепровского буроугольного бассейнов. Основной базой каменного угля Украины по-прежнему остаётся Донбасс. Поэтому тема горного дела остается актуальной и сегодня.

На сегодняшний день актуальным становится создание обучающих программ для людей, которые учатся горному делу. Наиболее эффективными тренажерами являются трехмерные симуляторы, где человек должен проходить то или иное задание. Это позволяет будущему работнику шахты «окунуться» в ее мир. Для этого разработчику нужно создавать «виртуальные» шахты в трехмерных графческих редакторах.

Чтобы помочь разработчику симуляторов в какой-то мере автоматизировать его работу, необходимо для начала найти способ создания «каркаса» горной выработки – сам шахтный туннель с наиболее часто встречающимися объектами (рельсы, арочные крепи и так далее).

То есть, нужно добиться автоматизированной визуализации объектов, изображенных на заданном разработчиком чертеже.

2. Цели и задачи работы

Целью данной магистерской работы является создание геометрических моделей подземных шахтных выработок на базе САПР AutoCAD с помощью языка программирования AutoLISP.

Задачей данной магистерской работы является разработка алгоритма для создания параметрических моделей горных выработок с разной формой поперечного сечения, разной длины и извилистости.

Объект исследования: параметрические модели горных выработок.

Предмет исследования: разработка алгоритма для создания параметрических моделей горных выработок.

3. Обзор исследований и разработок

Программных продуктов для создания параметрических моделей шахтных выработок существует очень мало, если они вообще существуют. Ни Google, ни Yandex не выдают на первых трех страницах с результатами поиска по темам «конструктор виртуальной шахты», «создание параметрической модели шахтной выработки» никакой точной информации о алгоритмах или же приложениях, посвященных этим темам.

Единственная информация о приложении-конструкторе подземного шахтного пространства найдена на портале магистров ДонНТУ. Данную работу выполняла Елена Бабенко [6]. Ее магистерская работа была посвящена созданию упрощенного конструктора с целью использования его для построения трехмерных моделей горной выработки. Это приложение предназначено для создателей симуляторов.

В отличии от работы Елены Бабенко, в данной магистерской работе я планирую создать универсальный алгоритм создания параметрической модели шахтной выработки любой длины и сложности на базе САПР AutoCAD (профессиональная программа для проектирования) и реализовать его с помощью языка программирования AutoLISP.

Данное программное обеспечение выбрано не случайно. AutoCAD – двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения. Она знакома любому проектировщику: будь то архитектор или студент ВУЗа. То есть, проектировщику (разработчику или его помощнику) нет необходимости осваивать дополнительное программное обеспечение – он работает в знакомой программной среде. К тому же отпадает проблема совместимости разных программных продуктов.

4. Разработка алгоритма для создания параметрической модели шахтной выработки

Работа с моделями шахтных выработок началась еще на третьем курсе в рамках групповой курсовой работы по дисциплине «Графическое и геометрическое моделирование». В ходе данной курсовой работы была спроектирована часть горной выработки с оборудованием, необходимым для тушения пожара (см. рис.1), а так же был создан обучающий видеоролик «Пожарная безопасность в шахте», демонстрирующий последовательность действий шахтера при возникновении опасной ситуации [7, с. 161–165].

Но проблема заключалась в том, что на обычных компьютерах рендеринг данного видеоролика занимал очень большое количество времени. Ролик был разбит на куски по 5–10 секунд, визуализация которых происходила независимо друг от друга. В итоге получилось, что данная работа занимала очень большое количество времени: во-первых нужно создать реалистичную модель горной выработки, во-вторых «поместить» туда все необходимое оборудование, в-третьих сделать анимацию, и в конце отрендерить необходимую часть. для того, чтобы хоть немного облегчить задачу построения модели выработки, было решено, что необходимо создать приложение, которое могло бы помочь пользователю (проектировщику) создавать горные выработки разной длины и сложности. Для удобства было принято решение создать необходимый интерфейс в 3DS Max или AutoCAD.

На первом шаге был создан интерфейс для 3DS Max. Программа была написана на скриптовом языке МАХScript, встроенном непосредственно в редактор трехмерной графики.

MAXScript – встроенный в 3ds Мax язык написания скриптов. Скрипт – это текстовый файл, обычно с расширениями .ms, .mcr.

При помощи скриптов можно [4]:

1. Программировать действия пользователя, такие как моделирование, анимация, наложение материалов, визуализация (rendering) и др.
2. Интерактивно контролировать программу из командной строки окна MAXScript Listener.
3. Управлять внешними приложениями через механизм OLE Automation.
4. Записывать свои действия в 3DS Max, как команды MAXScript (MAXScript Recorder).
5. Хранить в файлах сцен скрипты, которые будут запускаться при каждом из определенных событий, например, до и после открытия файла сцены, после и перед визуализацией, изменением выбранных объектов и тому подобное.

В ходе работы с MAXScript был создан интерфейс для создания горной выработки такой сложности и длины, которую задаст пользователь. То есть проектировщик должен был с помощью объекта Spline проложить некоторый путь, запустить необходимый скрипт и применить его к объекту. Результат работы данного скрипта показан ниже, на рисунке 2.

Особенностью 3DS Max является то, что в нем сложно работать с двумерными объектами – одно неверное движение и точка кривой будет лежать уже не в двух, а в трех плоскостях.

На втором этапе данной работы было выяснено, что данный алгоритм не может быть применим к горным выработкам, так как они не могут проходить так, как того захочет проектировщик (разработчик). Существует ряд технических ограничений. Сложность заключалась в том, чтобы полученный тоннель заполнить такими объектами, как рельсы, арочные крепи, трубы и так далее. А для этого нужно работать со сплайном, разбивать его на отрезки, применять интерполяцию. С помощью MaxScript все эти действия реализовать оказалось весьма не просто. Поэтому было принято решение перейти на AutoCAD и AutoLISP.

Язык программирования AutoLISP является расширением языка программирования LISP, он обеспечивает широкие возможности для автоматизации работы с AutoCAD. AutoLISP – самый старый из внутренних языков программирования AutoCAD (в более поздних версиях присутствует возможность работы с Visual Basic и т.д.). В AutoLISP реализовано тесное взаимодействие с командной строкой, что способствовало его популяризации среди инженеров, работающих с AutoCAD.

LISP – это язык высокого уровня, ориентированный на обработку списков, который выбран в качестве базового потому, что графические примитивы (начиная, с точки), блоки, наборы примитивов и блоков удобно представляются в виде списков.

Возможности применения AutoLISP весьма широки и разнообразны. Наиболее характерны следующие классы применений [5]:

• Программирование чертежей с параметризацией. Создается программа, позволяющая при каждом обращении к ней формировать новый чертеж, отличающийся от предыдущих, построенных этой же программой, размерами, а также, возможно, и топологией.
• Создание и использование графических баз данных.
• Анализ и (или) автоматическое преобразование изображений.
• Расширение системы команд графического редактора AutoCAD и построение на основе универсального редактора специализированных САПР, имеющих гораздо более простой и естественный для пользователей язык, ориентированный на конкретную предметную область.

Для начала следует отметить тот факт, что шахтные выработки (горизонтальные) бывают разных видов: штольня, тоннель, штрек, квершлаг, орт, просек. И потому нужно учесть то, что выработка может иметь разную форму поперечного сечения: сводчатая, трапециевидная (применяется наиболее часто), круглая, подковообразная, прямоугольная. То есть должна быть реализована возможность выбора этого самого сечения.

Далее следует реализовать сам алгоритм построения тоннеля. При этом следует учесть то, что он может быть не пустым, а содержать различные объекты: рельсы, арочные крепи, конвейеры. А потому он не может поворачивать меньше, чем на 90 градусов (этого не позволяют рельсы). Но этого тоже мало. Надо отметить еще и то, что даже при повороте на прямой угол, радиус искривления рельсы должен быть соответствующим. Минимальный радиус кривых на стационарных путях принимается не менее 200м, на передвижных – 100–150. Пути в горной выработке считаются стационарными [1, с. 48].

То есть изначально проектировщик должен задать длину изначального участка прямой, затем угол и радиус поворота и дальше длину участка прямой, рассчитывая местоположение необходимых точек по простым геометрическим и тригонометрическим формулам. Так до тех пор, пока он не сочтет нужным закончить туннель. Далее, если нужно, от общей кривой отложить рельсы параллельно ей же (при этом каждый раз заново рассчитывая необходимый радиус поворота) и арочные крепи (разделяя каждый участок кривой на отрезки). Схематично, данный процесс отображен на рисунке 3.

Для точек A, B, C и D были рассчитаны координаты: A(x,y), B(x+h1,y), C(x+h1-h’*cos(a1),h’*sin a1), D(x+h1-h’*cos(a1)-h2*cos(a1),h’*sin(a1)+h2*sin(a1)). При этом были использованы формулы:

Данные формулы необходимы для создания первоначального чертежа в AutoCAD с помощью языка программирования AutoLISP. При єто целесообразно использовать команды setq, arc (начальная точка, конечная точка, угол), line (начальная точка, конечная точка). При продолжении кривой каждый раз сдвигать систему координат.

Затем, по полученным кривым нужно «выдавить» необходимые формы с помощью команды extrude и получить трехмерную модель горной выработки с целью дальнейшего использования в учебных целях, или же конструкторских.

Для проектирования рельс, или же конвейера, нужно используя вышеперечисленные формулы для нахождения точек A, B, C, D и пропорции построить аналогичные кривые.

На момент создания сайта работа над данной магистерской работой еще не завершена. Дата завершения работы – декабрь 2013 года.

Заключение

В данном проекте главной задачей является – создать и реализовать универсальный алгоритм построения модели подземных шахтных выработок. Результатом работы данного алгоритма является трехмерная модель шахтной выработки, которую можно дальше дорабатывать в редакторах трехмерной графики, например 3DS Mах. Полученные модели можно использовать для создания симуляторов или обучающих видеороликов для студентов горнах специальностей.

Список использованных источников

1. Порцевский А.К., Транспорт при горноразведочных работах. – М.: Московский государственный открытый университет, 2005. – 66 с.
2. Wikipedia [Electronic resourse] / Интернет-ресурс. – Режим доступа : http://ru.wikipedia.org/wiki/Моделиртование. – Моделирование.
3. Wikipedia [Electronic resourse] / Интернет-ресурс. – Режим доступа : http://ru.wikipedia.org/wiki/Параметрическое_моделирование. – Параметрическое моделирование.
4. Scriptattak.com [Electronic resourse] / Интернет-ресурс. – Режим доступа : http://scriptattack.com/theory/topic1.html. – MaxScript.
5. Kappasoft [Electronic resourse] / Интернет-ресурс. – Режим доступа : http://kappasoft.com – АВТОЛИСП – язык графического программирования в системе AutoCAD.
6. Бабенко Е.В., Реферат по теме выпускной работы: Трехмерные модульные интерактивные среды для использования в учебном процессе. – Портал магистров ДонНТУ [Electronic resourse] / Интернет-ресурс. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2012/fknt/babenko/diss/index.htm
7. Степных А.И., Коханова Ю.И., Карабчевский В.В. Создание анимированного учебного видеоролика о пожарной безопасности в шахте // Информатика и компьютерные технологии-2012. – Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2012.
8. Степных А.И., Коханова Ю.И., Годла А.С., Хамидуллина Е.Д., Карабчевский В.В. Разработка видеоролика для обучающей системы по пожарной безопасности в шахте // Четверта міжнародна науково-технічна конференція «Моделювання та комп’ютерна графіка» – Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2011.
9. Кафедра прикладной и компьютерной оптики [Electronic resourse] / Интернет-ресурс. – Режим доступа : http://aco.ifmo.ru/~nadinet/html/other/lsp_book/lisp.html. – Справочник по стандартным функциям AutoLISP.
10. Политехнический университет (СПбГПУ). Факультет переподготовки специалистов [Electronic resourse] / Интернет-ресурс. – Режим доступа : http://vpakulin.narod.ru/. – Программирование в AutoCAD.
11. Толстоба Н.Д. Программирование на AutoLISP. Система автоматизированного конструирования AutoCAD. – СПб.: Спб ГИТМО (ТУ), 2002, – 54 с.
12. Городняя Л.В. Введение в программирование на языке LISP. – НГУ, 2005 г. – 93 с.
13. Притыкин Ф.Н. Параметрические изображения объектов проектирования на основе использования языка АВТОЛИСП в среде АВТОКАД. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 112 с. – ISBN: 978-5-8149-0527-7