Введение к работе
Актуальность работы. Понятие «интерактивная система» (ИС), применительно к компьютерной графике и системам автоматизированного (человеко-машинного) проектирования (САПР), появилось с начала 70-х годов. С совершенствованием устройств ввода отпала необходимость вводить операторы входного языка в текстовом виде вручную; достаточно стало указать на значки, их заменяющие, в перечне, представленном на экране дисплея. В программном обеспечении наметился переход в структурной организации интерактивных систем от пакетов графических программ к программным системам. Сформировалось понятие системной целостности программного обеспечения ИС, объединяющее процессорную часть, средства ввода-вывода информации и управления базами данных. Примерами таких систем являются: AutoCAD, SolidWorks, I-Deas и др.
С начала 90-х годов появился новый класс ИС - интегрированные системы, охватывающие несколько этапов жизненного цикла изделий, например, CAD/CAM, CAD/CAM/PDM и т.п. Появление интегрированных ИС напрямую было связано со стандартами по CALS-технологиям (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) - технологиям непрерывного компьютерного сопровождения изделия на всех этапах его жизненного цикла от маркетинга до утилизации. CALS-технология отличается от традиционной технологии следующими особенностями: на всех этапах жизненного цикла изделия создается электронная документация, используются единая обобщенная модель изделия и международные стандарты на форматы и структуры данных по обмену информацией об изделии. Кроме того, CALS-технология предусматривает параллельную и территориально распределенную работу над создаваемым изделием.
Согласно CALS-технологии, на стадии проектирования должны создаваться ЗБ-модели изделия, которые используются для поддержки изделия на последующих стадиях жизненного цикла. Таким образом, в CAD/CAM/PDM системах центральная роль отводится той части систем, которая связана с построением, анализом, преобразованием и использованием в сопутствующих расчетах ЗБ-моделей, а саму эту часть систем можно выделить в отдельный класс - интерактивные системы объемного геометрического моделирования (ИСОГМ). Этот класс систем нашел, кроме того, самостоятельное применение в виде специализированных систем таких, как интерактивные технические руководства, тренажеры, системы виртуального программирования роботов и т.п.
Сложность задач ЗО-моделирования в реальном времени предъявляет все более высокие требования к производительности и объемам памяти вычислительных систем. Под эти требования совершенствуются основные средства разработки ИСОГМ, такие как методы структурного проектирования систем и инструментальные средства для их создания.
Варианты структурной организации ИСОГМ рассматриваются на начальных этапах жизненного цикла создаваемых систем с использованием
различных методов структурного проектирования. Особенности используемых методов в существенной степени проявляются на последующих этапах проектирования и формируют соответствующие эксплуатационные характеристики ИСОГМ такие, как сложность разработки, наладки и использования, надежность, экономичность, безопасность и др. Поэтому совершенствование уже существующих и разработка новых эффективных методов структурного проектирования ИСОГМ являются весьма актуальными задачами.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка формализованного метода синтеза структур (МСС) ИСОГМ с оптимизацией этих структур по критериям быстродействия и сложности программной реализации.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
проведен анализ современных методов структурного проектирования систем;
проведены анализ, классификация и формальное описание структур данных ЗБ-моделей и способов их преобразования;
выполнена систематизация реализаций типовых операций в алгоритмах функционирования ИСОГМ;
разработан МСС как метод формализованной генерации вариантов структур ИСОГМ и выбора лучшего варианта структуры;
разработаны формализованные процедуры выполнения операций со структурами алгоритмов ИСОГМ;
- разработаны инструментальные средства для создания ИСОГМ;
- выполнена апробация МСС и инструментальных средств путем
построения специализированных ИСОГМ.
Методы исследований. Результаты диссертации базируются на теории
графов, методах компьютерной графики, аналитической геометрии,
структурного, функционального и объектно-ориентированного
проектирования.
Научная новизна.
-
Развит МСС систем применительно к задачам ЗБ-моделирования в части систематизации программных реализаций типовых алгоритмов по преобразованию, хранению и визуализации структур данных геометрических моделей.
-
Разработан принцип построения обобщенных сетевых моделей (ОСМ) структур специализированных ИСОГМ, учитывающий возможные варианты программной реализации алгоритмов ЗБ-моделирования. ОСМ отображают возможные варианты реализации структур ИСОГМ; вершины ОСМ представляют собой структуры данных ЗБ-моделей, а
ребра - качественные показатели программных реализаций отдельных операций алгоритма.
-
Впервые проведена классификация более 100 существующих структур данных ЗБ-моделей по точности представления информации и способам кодирования с целью построения ОСМ создаваемых ИСОГМ.
-
Получены теоретические оценки сложности кодирования наиболее распространенных структур данных ЗЭ-моделей для расчета качественных показателей реализаций в ОСМ.
-
Для разработанного метода МСС созданы инструментальные средства разработки ИСОГМ, включающие базы данных ЗБ-моделей с их качественными характеристиками, программные реализации алгоритмов построения ЗБ-моделей с различными структурами данных, примеры построения ОСМ структур специализированных ИСОГМ.
Достоверность результатов исследований подтверждается
корректностью постановок задач, применением математических методов и строгих критериев оценки вариантов реализации структур ИСОГМ, а также результатами практического применения предложенных в диссертации моделей ИСОГМ, метода МСС и инструментальных средств.
Практическая ценность.
-
Разработанный метод МСС позволяет формализовать решение задачи построения оптимальных структур интерактивных систем объемного геометрического моделирования и, в отличие от существующих методов (IDEFO, UML, ARIS), учитывает различные способы кодирования и точности представления ЗБ-моделей, а также их возможные преобразования.
-
Полученные теоретические оценки сложности кодирования структур данных и построение ОСМ позволили обоснованно производить выбор лучшего варианта программной реализации ИСОГМ.
-
Разработанные ОСМ специализированных ИСОГМ, базы данных 3D-моделей и программные реализации отдельных операций алгоритмов функционирования ИСОГМ могут использоваться разработчиками в качестве инструментальных средств при создании своих специализированных систем.
-
Результаты диссертационной работы использовались при разработке ОСМ и ЗО-моделей для интерактивного технического руководства по сборке узлов и агрегатов автомобиля (для ООО «Техстанко»), системы ситуационного моделирования, системы управления движением магнитной капсулы эндоскопа (по проекту РФФИ № 09-08-00123-а), медицинского тренажера для проведения операции стентирования (для ООО «Техстанко»), пула свободных производственных мощностей предприятий виртуальной корпорации (по государственному контракту ГК № 02.740.11.0488), установки послойного синтеза деталей из
металлических порошков (для ОАО «Национальный институт авиационных технологий», тема 09-64М).
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты были использованы при реализации следующих проектов:
-
Разработка интерактивного учебного пособия по сборке узлов и агрегатов автомобиля для профильных учебных заведений г. Москвы (совместный проект с ООО «Техстанко»).
-
Медицинский тренажер для освоения операции стентирования (совместный проект с 000 «Техстанко»).
-
Создание гетерогенной распределенной компьютерной системы для управления в реальном времени децентрализованными высокотехнологичными производствами, объединенными в виртуальные корпорации (государственный контракт
ГК№ 02.740.11.0488).
-
Разработка установки послойного синтеза деталей из металлических порошков (ОАО НИАТ, тема 09-64М).
-
Разработка теории магнитной локации и управления движением магнитной капсулы эндоскопа и создание макета измерительно-управляющего комплекса с капсулой (проект РФФИ № 09-08-00123-а).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской молодежной конференции по проблемам управления ВМКПУ'2008 (ИПУ РАН, 2008), IV Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Проблемы управления и информационные технологии ПУИТ'08» (Казань, 2008 г.), Семинаре молодых ученых ИПУ РАН 2009 (ИПУ РАН, 2009), III Отраслевой научно-технической конференции (МТУСИ, 2009), VIII-X Международных конференциях «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта CAD/CAM/PDM» (ИПУ РАН, 2008, 2009 и 2010 гг.), Семинаре молодых ученых ИПУ РАН (ИПУ РАН, 2010).
Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации опубликованы в 18 печатных работах, среди которых 3 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ ([1-3] в списке публикаций по теме диссертации).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 115 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 55 рисунков и 5 таблиц. Список литературы состоит из 55 наименований.
