"Си Проект": 3D-моделирование для систем информационной поддержки эксплуатации

Трехмерное моделирование как способ предоставления информации в последнее время пользуется большой популярностью, находя применение во многих областях производственной деятельности. Его ценность — в возможности отобразить в объеме не только уже существующие, но и проектируемые объекты.
 

На сегодняшний день существует несколько направлений применения трехмерного моделирования. О наиболее эффективных примерах использования трехмерной графики в гражданской и военной отраслях промышленности рассказывают специалисты компании «Си Проект» — ведущий инженер, к.т.н. Мыскин Р.А. и руководитель группы 3D-моделирования Севостьянов А.Е.

 
Системы автоматизированного проектирования (САПР)

Такие системы обеспечивают поверхностное и твердотельное моделирование в трехмерном пространстве, а также выпуск документации на проектируемые модели. САПР применяются в машиностроении, архитектуре, геодезии и многих других сферах. САПР позволяют инженерам-конструкторам, работающим в различных областях промышленного проектирования (электроники, механики, архитектуры), значительно повысить производительность труда, оптимизировать процесс документооборота и контроля создаваемой документации на изделия.

Электронно-цифровые модели для производства (3D-печать)

Это процесс воссоздания реального объекта по образцу 3D-модели. Цифровая 3D-модель сохраняется в формате файла STL (такой формат используется для хранения трёхмерных моделей объектов) и передается на печать 3D-принтеру. Затем 3D-принтер, накладывая слой за слоем акрил, пластик или другие материалы, формирует реальный объект. 3D-принтер позволяет создавать прототипы в кратчайшие сроки. Благодаря гибкости технологии 3D-печати, для внесения изменений в конструкцию будущего предмета, достаточно отредактировать его виртуальную модель в 3D-редакторе. Естественно, это значительное снижение как финансовых, так и временных затрат.

Интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР)

Представляют собой структурированный комплекс взаимосвязанных технических данных, необходимых на этапах эксплуатации и ремонта изделия. Разработка ИЭТР одно из направлений деятельности компании «Си Проект». Использование ИЭТР позволяет предоставить в интерактивном режиме справочную и описательную информацию об эксплуатационных и ремонтных процедурах, относящихся к конкретному изделию, непосредственно во время проведения этих процедур. ИЭТР включает в себя базу данных и электронную систему отображения, предназначенную для визуализации информации и обеспечения интерактивного взаимодействия с пользователем. Информация в ИЭТР может быть представлена в виде текста, графических схем, чертежей, 3D-моделей, видеороликов. Такое представление данных позволяет быстро подготовить персонал к работе с изделием, схемами его эксплуатации и планами обслуживания. Для пользователей такая подача материала достаточно наглядна, удобна и общедоступна. Например, если пользователю требуется начать освоение еще неизготовленного изделия, то целесообразно вставить в ИЭТР анимационную трехмерную модель, обеспечивающую виртуальное изучение этого изделия.

Информационно-справочные системы

Одним из значимых направлений применения трехмерных моделей является использование их в различных информационно-справочных системах, которые обеспечивают быстрое освоение обслуживающим персоналом сложных технических и промышленных объектов (агрегатов, узлов). К таким системам относится разработанная ЗАО «Си Проект» система информационной поддержки эксплуатации (СИПЭ).

СИПЭ позволяет добиться снижения эксплуатационных затрат за счет правильного планирования обслуживания техники, оптимизации материально-технического обеспечения и повышения профессионализма обслуживающего персонала. ЗАО «Си Проект» уже 13 лет успешно занимается разработкой программных комплексов и систем информационной поддержки, основанных на применении 3D-моделей эксплуатируемого оборудования и технических средств. 3D-модель в сочетании со специальным программным обеспечением, контролирующим проведение технического обслуживания и ремонта, способна предоставить всю необходимую информацию для выполнения технологических процессов эксплуатации с возможностью предварительной раскладки инструментов, проверки наличия и конфигурации вспомогательного оборудования и приспособлений. Компания «Си Проект» имеет внушительный опыт успешно реализованных проектов по поставке СИПЭ для кораблей ВМФ.
 
Основные виды и особенности реализации трехмерного моделирования в информационных системах
 
Существует несколько способов моделирования, но самым популярным является «полигональное моделирование». Нередко можно увидеть в рекламах или роликах о 3D как тот или иной объект представляется в виде так называемой «сетки» (рис.1).




Рис.1 Представление 3D-модели в виде «сетки».
 
Это и есть пример полигонального моделирования. Суть его в том, что поверхности представляются в виде простых геометрических двумерных примитивов. Эти примитивы, из которых состоит модель, называют полигонами. Полигональная сетка — это совокупность вершин, рёбер и граней, которые определяют форму многогранного объекта в трехмерной графике (рис.2).



Рис.2 Части многогранных объектов
 
Чем больше полигонов, тем более детализированная получается модель и тем более она походит на оригинал. Но у большого количества полигонов есть обратная негативная сторона: снижение производительности обработки информации вычислительными средствами. Чем больше полигонов, тем больше точек, по которым они строятся, тем больше данных приходится обрабатывать процессору. Поэтому 3D-графика — это всегда компромисс между детализацией модели и производительностью. В связи с этим возникли термины: «hight poly» и «low poly», соответственно «высоко полигональная модель» и «низко полигональная модель». В игровых и графических движках (программных комплексах управления в компьютерных играх – прим. автора) применяются низко полигональные модели, так как в них выполняется визуализация в реальном времени. Кстати, модели в этих движках представлены треугольниками для повышения производительности: графические процессоры на аппаратном уровне могут быстро обрабатывать миллионы треугольников за секунду.

Как правило, полигональное моделирование относится к пустотелому моделированию, где объект имеет только внешний объем, но внутри пустой. Это означает, что если мы смоделируем куб, а потом удалим одну из стенок, то увидим внутри пустоту. Также имеются программы для «твердотельного моделирования», где тот же самый куб представлен в виде монолитного объекта.
В таких программах как системы автоматизированного проектирования (САПР) применяются математические модели отличные от тех, что используются в полигональном моделировании. Алгоритмы твердотельного моделирования лучше подходят для моделирования механизмов при разработке техники. Получаемые модели можно сразу отправить на подходящий станок для получения изделия в металле, пластике или другом материале.

При разработке моделей для СИПЭ используется полигональное моделирование. Существует 2 способа получения 3D-модели.

В первом случае модель разрабатывается с нуля в соответствии с рабоче-конструкторской документацией (РКД). Этот метод наиболее трудоемкий, т.к. помимо самого моделирования необходимо следить за коллизией между трубопроводами, деталями трубопровода, оборудованием, корпусными конструкциями и прочим. Но на данном этапе мы получаем полный контроль над количеством полигонов и легкостью корректировки «веса» модели, что, в свою очередь, в дальнейшем сказывается на быстродействии системы.
Во втором случае 3D-модель поступает в стороннем 3D-формате (sat, stp, dxf). Из явных плюсов можно отметить то, что каждый объект уже имеет свои координаты в пространстве XYZ, и фактически следить за пересечением объектов уже не надо. Но в тоже время при передаче модели из САПР в 3D max можно получить либо слишком тяжеловесную модель, либо очень сильно упрощенную (например, электронасос в виде куба).

И вот у нас есть готовая модель, например, катер (рис.3).





Рис.3 Представление объекта в виде трехмерной модели
 
На данном этапе у нас всего лишь математическая модель содержащая данные только о геометрической форме. Но у реального объекта кроме формы есть еще и цвет, плотность, отражающая/преломляющая способность, рельеф, прозрачность и т.д. Все эти параметры задаются в свойствах материала. Т.е. материал с точки зрения 3D-графики — это некая математическая модель, описывающая параметры поверхности. Придание модели нужного цвета и блеска достигается за счет наложения материалов. В материале можно также присвоить текстуру. В общем случае текстура — это двумерный рисунок, который накладывается на 3D-модель. Текстура может быть как процедурной — сгенерированной при помощи алгоритма, так и созданная в графическом редакторе, или фотографией реального объекта. С помощью текстуры задается рисунок и цвет модели. Также создаются так называемые «Baked Textures», что означает создание затемнений теней на текстуре. Суть сводится к тому, что на саму текстуру накладываются мягкие тени, от деталей модели. Это придает выразительность изображению и освобождает игровой движок от проделывания операций для создания аналогичного эффекта в режиме реального времени (рис.4).
 

 
Рис.4 Трехмерная модель с наложением материалов
 
 
Каким же образом получается интерактивная модель? После того как 3D-модельер создал низко полигональную модель и назначил материалы, ей назначается уникальный 3D-код. В дальнейшем по этому коду происходит связь с базой данных, и конечный пользователь сможет получить интересующую его информацию по тому или иному оборудованию или системе в целом. Затем низко полигональная модель и текстуры экспортируются в так называемый «графический движок», который позволяет, как правило, симулировать некоторый мир (пространство, процесс). Основной задачей графического движка является визуализация (рендеринг) трехмерной графики в режиме реального времени (на рисунках 5 и 6 показана 3D-модель в режиме реального времени). Такие 3D-движки бывают разные: как платные, так и бесплатные, кроссплатформенные, с открытым исходным кодом и т.п.  


 
Рис.5 3D-модель в режиме реального времени
 


Рис.6 3D-модель в режиме реального времени

Таким образом, трехмерная модель объекта позволяет наглядно продемонстрировать расположение той или иной системы, агрегата или оборудования как на самом объекте, так и внутри помещения. Применение 3D-модели помогает быстро и своевременно получить нужную информацию, просто выделив интересующую часть модели в режиме реального времени. Такой подход, безусловно, эффективен в обучении обслуживающего персонала устройству изделия, правилам его эксплуатации и регламентного обслуживания.

Нет сомнений в том, что трехмерная модель становится важным и практически неотъемлемым инструментом любой системы управления, предназначенной для решения широкого спектра практических задач.
 
«Си Проект» - справка

Отечественная компания, специализирующаяся на создании и внедрении информационных систем в высокотехнологичных секторах военной и гражданской отраслей промышленности.

ЗАО «Си Проект» основано в 2003 г. Компания выполняет работы по созданию систем управления эксплуатации для различных видов техники как в интересах МО РФ, так и промышленных предприятий, энергетических компаний.

За период с 2003 г. по 2016 г. выполнено около 300 НИР и ОКР.

Основные направления деятельности:

-разработка и внедрение систем информационной поддержки эксплуатации, позволяющих минимизировать затраты и значительно снизить риски эксплуатации техники на протяжении всего жизненного цикла;
-создание и внедрение комплексов информационной поддержки выполнения производственными предприятиями технического (сервисного) обслуживания и ремонта;
-разработка регламентов сервисного обслуживания;
-разработка интерактивной эксплуатационной и ремонтной документации в виде интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР), дающей возможность повысить конкурентоспособность продукции обеспечить наглядность и удобство использования разрабатываемой документации для подготовки и обучения персонала;
-разработка электронных каталогов ЗИП.
 
Контактная информация:

www.seaproject.ru; info@seaproject.ru
+7 (812) 740-35-95
198095, Санкт-Петербург, ул. Маршала Говорова, д. 52

Иллюстрации: "Си Проект"