Введение к работе
Актуальность проблемы
Нефтегазовая промышленность - сфера с высоким риском возникновения чрезвычайных ситуаций. Их появление обусловлено сложными технологическими процессами, легко воспламеняющимися и токсичными продуктами, быстрым износом оборудования и другими причинами, среди которых немалую роль играет «человеческий фактор». Роль этого фактора является определяющей и при ликвидации последствий аварий. Для снижения количества чрезвычайных ситуаций и эффективного устранения последствий возникающих ситуаций необходимо проводить обучение и тестирование персонала всех уровней. Для этих целей хорошо подходят тренажерные системы.
Активное применение мультимедийных обучающих систем (компьютерных тренажёров) в процессе обучения персонала обусловлено тем, что они обеспечивают глубокую индивидуализацию обучения, создают условия для самостоятельной работы и позволяют проводить тестирование персонала при моделировании критических ситуаций. Компьютерные тренажёры позволяют улучшить подготовку специалистов высокого уровня. В основе подобных систем (комплексов) обычно лежит цифровая модель театра действий, на которой моделируются действия различного масштаба. В их ходе сотрудники всех уровней от командного состава до операторов получают необходимые навыки в проведении операций, в управлении, при работе с оборудованием.
Построению компьютерных тренажеров уделяется большое внимание, как за рубежом, так и в нашей стране. Так по некоторым оценкам в США и Европе выпуск одного только оборудования для учебных центров и центров научной визуализации увеличился со 150 миллионов долларов в 2005 году до 600 миллионов долларов в 2010 году. В России вопросами построения компьютерных тренажеров для нефтегазовой промышленности занимаются группы ученых в РГУ Нефти и Газа, Тюменском НГУ, Уфимском Нефтяном ГТУ, Омском ГУ.
Трехмерная визуализация окружающей обстановки становится сегодня неотъемлемой частью тренажерных систем, являясь одним из важнейших направлений в обработке и представлении данных. В настоящее время, аппаратные возможности устройств отображения информации постоянно совершенствуются: увеличивается объем памяти графических карт, число их процессоров и т.д., что в свою очередь открывает новые возможности для визуализации обстановки в реальном времени.
Времена, когда тренажерная система представляла собой всего один тренажер, проходят. Современные технологии позволяют объединить в комплексную тренажерную систему различные виды тренажеров. Это позволяет проводить крупномасштабные, совместные учения специализированных служб. Примером может служить тренажерная система,
объединяющая три тренажера - танкера, нефтяной платформы и спасательного вертолета. В такой ситуации без визуализации окружающей обстановки обойтись практически невозможно.Мало того, окружающая обстановка во всех тренажерах не должна различаться, и это в свою очередь выводит задачу визуализации ландшафта на новый уровень.
Задача отображения ландшафта становится одной из основных задач при разработке комплексных тренажерных систем, требующих визуализации окружающей обстановки.Проблемы визуализации ландшафта являются предметом рассмотрения специальных конференций и симпозиумов.
Система трехмерной визуализации тренажерного комплекса требует отображения ландшафта с детализацией, необходимой для конкретного тренажера. При этом все тренажеры должны работать в одном виртуальном пространстве. Вэтом же пространстве должна работать и система визуализации для отображения окружающей обстановки каждого тренажера, отображения любого объекта на поле действия, отображения самого поля действий.
Проблема заключается в том, что, например, для визуализации окружающей обстановки наземной буровой платформытребуетсявысокая степень детализации области сравнительно небольшого размера, для тренажера спасательного вертолета требуется отображение ландшафта области большего размера, но с меньшей степенью детализации, а для визуализации данных, поступающих от спутника на орбите, требуется отображать область масштаба планеты. Напрямую невозможно загрузить в память компьютера все данные о земной поверхности с высокой детализацией, так как это требуеттерабайтов информации.
Для обеспечения высокого уровня подготовки специалистов, способных принимать правильные решения в критических ситуациях, необходимо создавать компьютерные тренажеры, использующие такую систему визуализации, которая позволитотображатьландшафт:
с необходимой степенью детализации,
в области требуемых размеров,
с учетом сферичности,
с требуемой частотой изменения кадров, позволяющей отображать ландшафт в реальном масштабе времени при перемещении наблюдателя.
Цель работы
Целью работы является повышение качества подготовки специалистов, занимающихся управлением производственными и чрезвычайными ситуациями при добыче и транспортировке нефти и газа путем создания системы визуализации ландшафта.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи:
На основе анализа предметной области выработать требования к системе визуализации ландшафта, применимой при построении комплексной системы тренажеров в нефтегазовой промышленности.
Разработать методы визуализации ландшафта, удовлетворяющие поставленным требованиям, и приемы представления и передачи исходных данных, необходимые для эффективной реализации методов.
Построить программную систему, реализующую трехмерную визуализацию ландшафта, и провести ее тестирование на соответствие требованиям,предъявляемым тренажерными системами.
Объектом исследованияявляются способы представления и передачи исходных данных о рельефе местности и методы трехмерной визуализации ландшафта.
Предметом исследованияявляются комплексные системы тренажеров, требующие отображения ландшафта в реальном масштабе времени, с различной степенью масштабируемости и детализации.
Методами исследованияявляются методы трехмерной визуализации поверхности рельефа, методы линейной алгебры и аналитической геометрии, теория архитектуры ЭВМ и современных ГПУ, научные результаты, полученные в трудах отечественных и зарубежных ученых в области компьютерной графики.
Научные результаты.
Исследованы методы трехмерной графики, применяемые при визуализации рельефа. Исследованы возможности современных графических процессоров. В результате исследований разработанметод визуализации ландшафтаСиЬісаІСНртар, применимый в комплексной системе тренажеров нефтегазовой отрасли, отвечающий требованиям по времени отклика, масштабируемости, степени детализации.
Разработана и протестирована программная CHCTeMaVisioLand, реализующая предлагаемые алгоритмы и структуры данных.
Предложен метод хранения информации о ландшафте в виде куба со сторонами из квадродеревьев, листьями которых являются матрицы данных о ландшафте.
Предложен метод потоковой загрузки данных позволяющий обеспечить требуемое время отклика процессора графического устройства, визуализирующего ландшафт.
Предложен метод визуализации ландшафтаСиЬісаІСНртарз, использующий кубическую проекцию.
Создана библиотека программ, реализующих алгоритмы хранения, потоковой загрузки и визуализации рельефа земной поверхности.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций диссертации определяются корректным применением указанных методов, а также верификацией и проверкой соответствия реализованной программной системывнешним требованиям.
Научная новизна работы.
Новизна работы состоит в разработке комплекса методов трехмерной визуализации ландшафта, позволяющих отображать в реальном масштабе времени местность, масштабируемую по размерам, с различной степенью детализации, с учетом сферичности отображаемой поверхности. Эффективная по памяти и времени реализация этих методов позволяет использовать современные компьютеры с обычными видеокартами. Все это позволило интегрировать разработанную библиотеку программ визуализации ландшафта в комплексную тренажерную систему, применимую в нефтегазовой промышленности.
Предложенная система уровней детализации и кэширования данных позволила ощутимо сократить требуемые объемы оперативной памяти и видеопамяти графического процессора.
Перенос значительной части вычислений на графический процессор (ГПУ) позволил значительно увеличить общую производительность системы.
Разработана система потоковой загрузки данных с жесткого диска в память видеокарты, отличительной особенностью которой является создание промежуточных кэш уровней в оперативной памяти компьютера, что позволило сократить время обработки данных.
В совокупности эти решения позволили реализовать основную цель работы - создать систему визуализации ландшафта с характеристиками, требуемыми тренажерами нефтегазовой отрасли.
Значение полученных результатов для теории и практики.
Разработанные в диссертации алгоритмы отображения трехмерного сферического ландшафта, способы хранения данных и их потоковой загрузки в память графического устройства, разработанная библиотека программ вносят вклад в теорию и практику компьютерной графики, применяемой при отображении рельефа поверхности и построения ландшафта.
Разработанная в диссертация система VisioLand - отображения трехмерных ландшафтов используется в тренажерном комплексе компании ЗАО "КОНЦЕРН ВНИИНС". Данный программный комплекс позволил объединить системы визуализации и работать различным тренажерным системам в едином виртуальном пространстве.
Внедрение.
Программный комплекс визуализации трехмерных ландшафтов, разработанный в ходе выполнения диссертационной работы, используется при создании системы единой моделирующей среды, проектируемой в ЗАО«КОНЦЕРН ВНИИНС». Акт опере даче результатовразработки.
Апробация.
Диссертационная работапрошла апробацию в ОАО «Концерн ВНИИНС». Результаты работы докладывались на научных собраниях аспирантов ТГТУ.
