Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання роботи
• 3. Огляд досліджень і розробок
• 4. Розробка алгоритму для створення параметричної моделі шахтної виробки
• Висновок
• ССписок використаних джерел

Вступ

Моделювання – це дуже важлива частина практично всіх сучасних досліджень. Воно застосовується скрізь: в економіці, математиці, фізиці, хімії, біології і таке інше. Моделювання – це побудова і вивчення моделей реально існуючих об'єктів, процесів і явищ з метою отримання пояснення цих явищ, також передбачення явищ, що цікавлять дослідника [2].

Геометричне моделювання – створення геометричних моделей з метою їх застосування в процесі синтезу геометрії об'єктів, що проектуються. В даний час промислове виробництво, архітектура і містобудування, управління і багато іншого немислиме без використання комп'ютерних технологій. Будь-які вироби в процесі виробництва описуються, насамперед, геометричними параметрами, без цього виробництво неможливе.

Параметричне моделювання (параметризація) – моделювання (проектування) з використанням параметрів елементів моделі і співвідношень між цими параметрами. Параметризація дозволяє за короткий час «програти» (за допомогою зміни параметрів або геометричних співвідношень) різні конструктивні схеми і уникнути принципових помилок [3].

Ці технології можна застосовувати і до створення моделей підземних шахтних виробок, з метою використання їх для створення навчальних симуляторів, відеороликів і т.д.

1. Актуальність теми

Донецький кам'яновугільний басейн бло відкрито ще в 1720-і роки. А його промислове освоєння почалося вже наприкінці XIX століття. З тих пір на території Донбасу активно розвивається шахтне виробництво.

Вугільна промисловість України представлена головним чином підприємствами Донецького, Львівсько-Волинського кам'яновугільних і Дніпровського буровугільного басейнiв. Основною базою кам'яного вугілля України, як і раніше, залишається Донбас. Тому тема гірничої справи залишається актуальною і сьогодні.

На сьогодні актуальним стає створення навчальних програм для людей, які вчаться гірничої справи. Найбільш ефективними тренажерами є тривимірні симулятори, на яких людина повинна проходити те чи інше завдання. Це дозволяє майбутньому працівникові шахти «зануритися» у її світ. Для цього розробнику потрібно створювати «віртуальні» шахти в тривимірних графічних редакторах.

Щоб допомогти розробнику симуляторів в якійсь мірі автоматизувати його роботу, необхідно для початку знайти спосіб створення «каркасу» гірської виробки – сам шахтний тунель з об'єктами, що зустрічаються найчастіше (рейки, арочні крепі і так далі).

Тобто, потрібно домогтися автоматизованої візуалізації об'єктів, зображених на заданому розробником кресленні.

2. Мета і завдання роботи

Метою даної магістерської роботи є створення геометричних моделей підземних шахтних виробок на базі САПР AutoCAD за допомогою мови програмування AutoLISP.

Завданням даної магістерської роботи є розробка алгоритму для створення параметричних моделей гірських виробок з різною формою поперечного перерізу, різної довжини і звивистості.

Об'єкт дослідження: параметричні моделі гірських виробок.

Предмет дослідження: розробка алгоритму для створення параметричних моделей гірських виробок.

3. Огляд досліджень і розробок

Програмних продуктів для створення параметричних моделей шахтних виробок існує дуже мало, якщо вони взагалі існують. Ні Google, ні Yandex не видають на перших трьох сторінках за результатами пошуку за темами «конструктор віртуальної шахти», «створення параметричної моделі шахтної виробки» ніякої точної інформації про алгоритми або ж програми, присвячені цим темам.

Єдина інформація про програму-конструктор підземного шахтного простору знайдена на порталі магістрів ДонНТУ. Дану роботу виконувала Олена Бабенко [6]. Її магістерська робота була присвячена створенню спрощеного конструктора з метою використання його для побудови тривимірних моделей гірничої виробки. Це застосування призначене для творців симуляторів.

На відмінну від роботи Олени Бабенко, в даній магістерській роботі я планую створити універсальний алгоритм створення параметричної моделі шахтної виробки будь-якої довжини і складності на базі САПР AutoCAD (професійна програма для проектування) і реалізувати його за допомогою мови програмування AutoLISP.

Це програмне забезпечення обрано не випадково. AutoCAD – двох- і тривимірна система автоматизованого проектування і креслення. Вона знайома будь-якому проектувальнику: чи то архітектор, чи то студент ВНЗ. Тобто, проектувальнику (розробнику або його помічникові) немає необхідності освоювати додаткове програмне забезпечення – він працює в знайомому програмному середовищі. До того ж відпадає проблема сумісності різних програмних продуктів.

4. Розробка алгоритму для створення параметричної моделі шахтної виробки

Робота з моделями шахтних виробок почалася ще на третьому курсі в рамках групової курсової роботи з дисципліни «Графічне та геометричне моделювання». В ході даної курсової роботи була спроектована частина гірничої виробки з обладнанням, необхідним для гасіння пожежі (див. мал.1), а також був створений навчальний відеоролик «Пожежна безпека в шахті», що демонструє послідовність дій шахтаря при виникненні небезпечної ситуації [7, с. 161–165].

Але проблема полягала в тому, що на звичайних комп'ютерах рендеринг даного відеоролика займав дуже велику кількість часу. Ролик був розбитий на шматки по 5–10 секунд, візуалізація яких відбувалася незалежно один від одного. У результаті вийшло, що дана робота займала дуже велику кількість часу: по-перше потрібно створити реалістичну модель гірничої виробки, по-друге «помістити» туди все необхідне обладнання, по-третє зробити анімацію, і врешті відрендеріти необхідну частину. Для того, щоб хоч трохи полегшити завдання побудови моделі виробки було вирішено, що необхідно створити програму, яка могла б допомогти користувачеві (проектувальнику) створювати гірничі виробки різної довжини та складності. Для зручності було прийнято рішення створити необхідний інтерфейс в 3DS Max або AutoCAD.

На першому кроці був створений інтерфейс для 3DS Max. Програма була написана скриптовою мовою MАХScript, вбудованою безпосередньо в редактор тривимірної графіки.

MAXScript – вбудована у 3ds Мax мова написання скриптів. Скрипт – це текстовий файл, зазвичай з розширеннями. ms,. mcr.

За допомогою скриптів можна [4]:

1. Програмувати дії користувача, такі як моделювання, анімація, накладення матеріалів, візуалізація (rendering) та інше.
2. Інтерактивно контролювати програму з командного рядка вікна MAXScript Listener.
3. Управляти зовнішніми програмами через механізм OLE Automation.
4. Записувати свої дії в 3DS Мax, як команди MAXScript (MAXScript Recorder).
5. Зберігати у файлах сцен скрипти, які будуть запускатися при кожній з визначених подій, наприклад, до і після відкриття файлу сцени, після і перед візуалізацією, зміною обраних об'єктів тощо.

У ході роботи з MАХScript був створений інтерфейс для створення гірничої виробки такої складності і довжини, яку задасть користувач. Тобто проектувальник повинен був за допомогою об'єкта Spline прокласти деякий шлях, запустити необхідний скрипт і застосувати його до об'єкту. Результат роботи даного скрипта показаний нижче, на малюнку 2.

Особливістю 3DS Max є те, що в ньому складно працювати з двовимірними об'єктами – один невірний рух і крапка кривої буде лежати вже не в двох, а в трьох площинах.

На другому етапі даної роботи було з'ясовано, що даний алгоритм не може бути застосовний до гірничих виробок, так як вони не можуть проходити так, як того захоче проектувальник (розробник). Iстнує ряд технічних обмежень. Складність полягала в тому, щоб отриманий тунель заповнити такими об'єктами, як рейки, арочні крепі, труби і так далі. А для цього потрібно працювати зі сплайном, розбивати його на відрізки, застосовувати інтерполяцію. За допомогою MAXScript всі ці дії реалізувати виявилося вельми не просто. Тому було прийнято рішення перейти на AutoCAD і AutoLISP.

Мова програмування AutoLISP є розширенням мови програмування LISP, вона забезпечує широкі можливості для автоматизації роботи з AutoCAD. AutoLISP – найстаріша з внутрішніх мов програмування AutoCAD (в пізніших версіях присутня можливість роботи з Visual Basic і т.д.). У AutoLISP реалізовано тісну взаємодію з командним рядком, що сприяло її популяризації серед інженерів, що працюють з AutoCAD.

LISP – це мова високого рівня, орієнтована на обробку списків, яка була обрана в якості базової тому, що графічні примітиви (починаючи, з точки), блоки, набори примітивів і блоків зручно представляються у вигляді списків.

Можливості застосування AutoLISP вельми широкі і різноманітні. Найбільш характерні такі класи застосувань [5]:

• Програмування креслень з параметризацією. Створюється програма, що дозволяє при кожному зверненні до неї формувати нове креслення, що відрізняється від попередніх, побудованих цією ж програмою, розмірами, а також, можливо, і топологією.
• Створення і використання графічних баз даних.
• Аналіз та (або) автоматичне перетворення зображень.
• Розширення системи команд графічного редактора AutoCAD і побудова на основі універсального редактора спеціалізованих САПР, що мають набагато більш просту і природну для користувачів мову, орієнтовану на конкретну предметну область.

Для початку слід відзначити той факт, що шахтні виробки (горизонтальні) бувають різних видів: штольня, тунель, штрек, квершлаг, орт, просік. І тому потрібно врахувати те, що виробка може мати різну форму поперечного перетину: склепінчаста, трапецієвидна (застосовується найбільш часто), кругла, підковоподібна, прямокутна. Тобто повинна бути реалізована можливість вибору цього самого перерізу.

Далі слід реалізувати сам алгоритм побудови тунелю. При цьому слід врахувати те, що він може бути не порожнім, а містити різні об'єкти: рейки, арочні крепі, конвеєри. А тому він не може повертати менше, ніж на 90 градусів (цього не дозволяють рейки). Але цього теж мало. Треба відзначити ще й те, що навіть при повороті на прямий кут, радіус викривлення рейки повинен бути відповідним. Мінімальний радіус кривих на стаціонарних коліях приймається не менш 200 м, на пересувних – 100–150 м. Колії в гірничій виробці вважаються стаціонарними [1, с. 48].

Тобто спочатку проектувальник повинен задати довжину початкової ділянки прямої, потім кут і радіус повороту і далі довжину ділянки прямої, розраховуючи місце розташування необхідних точок по простим геометричним і тригонометричним формулами. Так до тих пір, поки він не визнає потрібним закінчити тунель. Далі, якщо потрібно, від загальної кривої відкласти рейки паралельно їй же (при цьому щоразу заново розраховуючи необхідний радіус повороту) і арочні кріплення (розділяючи кожну ділянку кривої на відрізки). Схематично, даний процес відображений на малюнку 3.

Для точок A, B, C і D були розраховані координати: 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 цьому були використані формули:

Дані формули необхідні для створення первісного креслення в AutoCAD за допомогою мови програмування AutoLISP. При цьому доцільно використовувати команди setq, arc (початкова точка, кінцева точка, кут), line (початкова точка, кінцева точка). При продовженні кривої щоразу зрушувати систему координат.

Потім, за отриманими кривими потрібно «видавити» необхідні форми за допомогою команди extrude і отримати тривимірну модель гірничої виробки з метою подальшого використання у навчальних цілях, або ж конструкторських.

Для проектування рейок, або ж конвеєра, потрібно використовуючи перелічені вище формули для знаходження точок A, B, C, D і пропорції побудувати аналогічні криві.

На момент створення сайту робота над даною магістерською роботою ще не завершена. Дата завершення роботи – грудень 2013 року.

Висновки

У даному проекті головним завданням є – створити і реалізувати універсальний алгоритм побудови моделі підземних шахтних виробок. Результатом роботи даного алгоритму є тривимірна модель шахтної виробки, яку можна далі доопрацьовувати в редакторах тривимірної графіки, наприклад 3DS Mах. Отримані моделі можна використовувати для створення симуляторів чи навчальних відеороликів для студентів гірничих спеціальностей.

Список використаних джерел

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