CC BY
74
11. Yuan X. An interactive approach of assembly planning // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics - Part A: Systems and Humans. 2002. Vol. 32. Issue 4. Pp. 522-526. D01:10.1109/TSMCA.2002.804822.
12.Siddique Z., Rosen D. A virtual prototyping approach to product disassembly reasoning // Computer-Aided Design. 1997. Vol. 29. Issue 12. Pp. 847-860. DOI: 10.1016/S0010-4485(97)00034-1.
13. ^oo T., Dutta D. Automatic disassembly and total ordering in three dimension // Journal of Engineering for Industry. 1991. Vol. 113. Issue 2. Pp. 207-213. DOI: 10.1115/1.2899679.
14.Berg L., Behdad S., Vance J., Thurston D. Disassembly sequence evaluation using graph visualization and immersive computing technologies // ASME 2012 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2012. Vol. 2. Parts A and B. Pp. 1351-1359. DOI: 10.1115/DETC2012-70388.
15.De Sa A., Zachmann G. Virtual reality as a tool for verification of assembly and maintenance processes // Computers & Graphics. 1999. Vol. 23. Issue 3. Pp. 389-403. DOI: 10.1016/s0097-8493(99)00047-3.
Computer aided assembly planning of complex products using virtual reality systems
Bozhko Arkadiy Nikolayevich, Ph.D., associate professor, Bauman Moscow State Technical University
The problem of computer aided assembly planning for complex technical systems is considered. Classification of models and methods for solving this important scientific and technical problem is given. The review of actual works on modeling of assembly processes by means of virtual reality technology is given.
Keywords. Assembly, computer aided design, virtual reality, geometric obstacles.
УДК: 004.94
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ,
НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ
Шорников Юрий Владимирович, докт. техн. наук, доцент, профессор,
E-mail: [email protected] Попов Евгений Александрович, аспирант, Е-mail: [email protected], Новосибирский государственный технический университет,
http://www.nstu.ru
Показаны примеры использования компьютерного моделирования в науке, образовании, при выполнении научных исследований и в промышленных приложениях. Представленные компьютерные модели были построены в оригинальной инструментальной среде ИСМА, отличительные особенности которой кратко рассмотрены в работе.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, инструментальная среда, гибридные системы, проект InMotion.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 17-07-01513) и гранта Европейского союза по программе ERASMUS+ Capacity building in higher education, проект 573751-EPP-1-2016-1-DE-EPPKA2-CBHE-JP, Innovative teaching and learning strategies in open modelling and simulation environment for student-centered engineering education.
Современные достижения науки и промышленности создают предпосылки и диктуют качественно новые требования к техническим системам. Сложные новые программно-управляемые технические системы и комплексы характеризуются нетривиальными динамическими процессами.
Поведение таких процессов характеризуется дискретной сменой непрерывных режимов или состояний. Поэтому в современной терминологии такие динамические системы называют гибридными или событийно-непрерывными [1, 2]. Такие объекты часто являются гетерогенными, сочетающими различную физическую природу: механическую, электрическую, химическую, биологическую и др.
j
Шорников Ю.В.
В работах, посвященных анализу гибридных систем (ГС), как правило, рассматриваются объекты, режимное поведение которых определяется на решении дифференциально-алгебраических уравнений. Также непрерывное поведение может определяться: обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) с запаздыванием; не разрешенными относительно производной ОДУ; дифференциальными уравнениями в частных производных (ДУЧП) и др. В отличие от традиционных математических моделей, режимное поведение ГС дополнено неравенствами, определяющими условия существования режимов. Наличие таких ограничений существенно затрудняет аналитическое исследование совокупного поведения ГС и резко ограничивает использование традиционных схем анализа дискретно - непрерывных систем. Поэтому в настоящее время актуальным направлением является создание программных средств инструментального анализа сложных систем. По мнению академиков Н.Н. Моисеева и Н.Н. Яненко, такая разработка является самостоятельной фундаментальной задачей исследования [2], которая связана с решением комплекса важных научных проблем.
К инструментальным средствам моделирования ГС предъявляются следующие, иногда противоречивые, требования. Спецификация компьютерных моделей должна осуществляться в форме, доступной как предметному, так и неподготовленному пользователю. Язык спецификации может быть, как унифицированным для различных предметных задач, так и специализированным. Средства трансляции программной модели в исполняемый код должны обладать высоким быстродействием и надежностью, предоставлять содержательную диагностику ошибок. Часто расчетные модели обладают высокой размерностью, являются жесткими и чувствительными к точности расчета. Наличие смены режимов вносит дополнительные ограничения на выбор шага интегрирования. Поэтому алгоритмы численного анализа Рис.1. Архитектура ИСМА необходимо проектировать с
учетом указанных особенностей ГС. Перечисленные требования обосновывают необходимость рассмотрения средств компьютерного моделирования ГС как совокупности инструментов, предназначенных для спецификации, интерпретации, анализа и визуализации поведения сложных динамических систем. Под категорию таких систем подпадают
множество объектов разной природы из всех сфер человеческой деятельности: экономики и менеджмента, медицины и биологии, мехатроники и робототехники и т.д. Здесь рассмотрим применение компьютерного моделирования в науке, промышленности и образовании на примере инструментальной среды ИСМА [3].
Спецификация ГС в ИСМА выполняется на универсальном текстовом языке LISMA [4] и графических предметно - ориентированных языках. Формат записи языковых конструкций соответствует традиционной математической форме или принятым на практике инженерным схемам, что способствует быстрому освоению системы при моделировании традиционных динамических систем. Кроме того, язык включает возможность спецификации дискретного поведения ГС.
На рисунке 1 представлена архитектура программного комплекса ИСМА.
Проиллюстрируем возможности спецификации ИСМА в различных приложениях.
Модель диффузии. Рассмотрим задачу проникновения помеченных радиоактивной меткой антител в пораженную опухолью ткань живого организма [5]. Исследование проводилось лабораторией Akzo Nobel Central Research (ANCR) в диагностических и терапевтических целях. Рассматривается химическая реакция A + B ^ C, где A - антитела с радиоактивной меткой, реагирующие с субстратом B - тканью, пораженной опухолью. Изучается пластина ткани, внутри которой субстрат B равномерно распределен. Реагент A, попадая на поверхность пластины, начинает проникать в нее. Математическая модель для конечной пластины имеет вид
cu (С-1)4 д 2ы 2 (С- i)3 cu dv — = -----+ —-----kuv, — = -kuv,
dt с2 дС2 с2 дС dt
u(С,0) = 0, v(С,0) = vo, u(0,t) = O(t), u(i,t) = 0, o < С < i, o < t < t,
где концентрации A и B обозначены через u и v соответственно. Функция O (t) = 2 при 0 < t < 5 и O (t) = 0 при 5 < t < 20, то есть O имеет разрыв первого рода в точке t = 5 . При выводе
уравнений предполагалось, что кинетика реакции описывается законом действующих масс, причем реагент A подвижен, тогда как реагент B неподвижен. На рисунке 2 представлена программная модель на языке LISMA.
6 u' = pow(x-l, 4)*D(u,x,2)/c2 + 2*D(u:ix)*pow(x-l:i3)/c2 - k*u*v;
Рис.2. Программная модель диффузии
Численный эксперимент проводился со следующими значениями параметров: k = 100, v0 = 1, c = 4. Результаты представлены на рисунке 3. Они полностью соответствуют полученным в лаборатории ANCR [5].
12 и J о 9
time, с time, с
Рис.3. Моделирование проникновения помеченных антител в ИСМА (a - концентрация антител A,
б - концентрация субстрата B)
Энергетика. Принципиальная схема сложнозамкнутой энергосистемы с двумя уровнями напряжения и шестью синхронными машинами разных типов и мощностей представлена на рисунке 4 [6].
ISMA Electrical Power Systems Editor
File Edit Help
[Нрз у ¿Jo^fal x гез] [T]
Elements Macros
Wire Power line
OD
Transformer <g>
Three windings transformer
Г Scheme l£3|_
—©
G,
Рис.4. Схема ЭЭС
Генератор О1
представляет мощную гидроэлектростанцию. Генераторы О2 и О3 моделируют тепловую электростанцию малой мощности, агрегаты которой работают на линии электропередачи разного номинального напряжения 500 и 220 кВ. Генераторы О4 и О5 моделирует
мощную тепловую электростанцию, агрегаты которой
также работают на линии электропередач разного напряжения. С помощью О6 моделируются синхронные компенсаторы, установленные на узловой подстанции.
Общая математическая модель содержит 279 нелинейных ДАУ. Соответствующая программная модель содержит 173 строки программного текста.
Образование. Компьютерное моделирование всё шире и многообразнее используется при обучении студентов. Это виртуальные лабораторные стенды, САПР, авиационные симуляторы и многое другое. На продвижение компьютерного моделирования в образовательной среде направлен, в частности, международный проект 1пМойоп (http://www.inmotion-project.net) "Новые стратегии обучения инженеров с использованием сред визуального моделирования и открытых учебных платформ", финансируемый Европейский союзом. В реализации проекта принимают участие представители университетов и научных учреждений России (НГТУ, СПбПУ, СПбГМТУ, СПИИРАН), Малайзии (ШМ, иТР, ЦшКЬ), Словении (ЦЪ), Германии (ЦшВгетеп) и Испании (UNED).
Заключение. Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты. В статье продемонстрировано использование современных инструментальных средств моделирования в некоторых приложениях науки, промышленности и образования. По сравнению с мировыми аналогами в авторской системе ИСМА
используется архитектура с оригинальными текстовым и графическими предметно -ориентированными языками спецификации ГС. Библиотека численных методов включает не только традиционные схемы решения задачи Коши, но и оригинальные разработанные методы с учетом жесткости системы и корректной детекции односторонних событий.
Литература
1. Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Моделирование систем. Динамические и гибридные системы. - СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 224 с.
2. Новиков Е.А., Шорников Ю.В. Компьютерное моделирование жестких гибридных систем: монография. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. 451 с.
3. Бессонов А.В., Шорников Ю.В. Компоненты ядра программного комплекса «ИСМА 2015» // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015617235. -М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 2015.
4. Шорников Ю.В., Бессонов А.В. Компонента спецификации моделей гибридных систем на языке «LISMA_PDE» // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015617191. М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности. 2015.
5. Mazzia F., Iavernaro F. Test Set for Initial Value Problem Solvers. [Электронный ресурс] // Department of Mathematics, University of Bari. August 2003. URL: http://www.dm.uniba.it/~testset (дата обращения: 09.04.2018).
6. Фомина Т.Ю. Разработка алгоритма расчёта переходных процессов сложных регулируемых ЭЭС: дис.... к-та техн. наук / Фомина Татьяна Юрьевна. - М., 2014. 109 с.
Computer modeling and simulation in industry, researching, and education
Shornikov Yury Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, professor, Novosibirsk State Technical University
Popov Evgeny Alexandrovich, doctoral student, Novosibirsk State Technical University Examples of using computer modeling and simulation for education, researching, industrial applications are given. The presented computer models were built in the computer modeling and simulation environment ISMA, whose features are briefly covered.
Keywords: computer modeling and simulation, computer modeling and simulation environment, hybrid systems, the InMotion project.
УДК 004.501
О ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Александр Иванович Гаранин, канд. техн. наук, старший научный сотрудник
E-mail: [email protected] Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» РАН (ФИЦ ИУ РАН)
www.frccsc.ru
В статье рассмотрено ряд подходов к определению понятия «функциональная надежность», рассмотрено ее отличие от «структурной надежности», рассмотрено понятие «функционального отказа».
Ключевые слова: функциональная надежность, структурная надежность, безошибочность, функциональный отказ
Информационные системы (ИС) применяются для решения широкого спектра научных и производственных задач - от традиционного сбора, обработки, накопления и хранения информации до решения задач искусственного интеллекта и управления ответственными объектами в реальном масштабе времени. Отсюда высокий уровень требований, предъявляемых к надежности информационных систем [1, С. 3].
