CC BY
15УДК 620.9:001.892
В.Н. Сокотущеко, А.В. Нечаевский1
ОСОБЕННОСТИ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОБЪЕКТАМ SMART ENERGY НОВОЙ МОСКВЫ
Разработка системы «умной» энергетики (Smart Energy) мегаполиса предполагает формирование концепции «умного» города (Smart Sity) и его энергетической инфраструктуры - Smart Grid. Эти подходы применительно к Москве представлены в работе [1]. В данной статье рассматриваются особенности построения пространственно-функциональных объектов города - «умного» дома, «умного» квартала, «умного» района с помощью SD-моделей, позволяющих увязать физическое и информационное представление подобных объектов, представленных затем в общем файле. URL: http://www.smart-energy. msk.ru [2].
Ключевые слова: «умный» город, энергетическая инфраструктура, SD-модели объектов.
Введение
Трехмерное моделирование - это отображение одного или нескольких объектов при помощи специальных компьютерных программ. Главное достоинство этой технологии заключается в том, что она позволяет создавать трехмерные модели с фотографической точностью, дает возможность наглядно показать мельчайшие детали объекта. Используя всю возможную информацию: рисунки, чертежи, планы-проекты и текстовые описания дизайнер 30 с максимальной точностью может воссоздать любую модель. Трехмерное моделирование, как новый способ предоставления информации, в последнее время пользуется большой популярностью, находя применение во многих областях человеческой деятельности. Ценность трехмерного моделирования в том, что оно позволяет отобразить в объеме не только существующие, но и проектируемые объекты.
Наглядность - главное преимущество трехмерного моделирования и визуализации. Это объясняет, почему 30-моделирование получило такое широкое распространение. 30-визуализация - это новейшие технологии, которые дают возможность максимально реалистично представить любой предмет еще до его создания. Помимо наглядности 30-модель позволяет проводить анализ с учетом расположе-
ния объектов. Традиционные чертежи и схемы в этом плане менее удобны.
Цифровые SD-технологии влияют не только на методы проектирования, архитектурный облик объектов, но и на развитие градостроительных концепций, на представления о функционировании и устройстве города. Например, в современном европейском урбанизме город делят не на строгие и статичные функциональные зоны, а на гибкие и изменяемые слои, которые, в отличие от функциональных зон, обладают способностью перекрывать друг друга. Так, изобретение, изначально появившееся в компьютерной графике (в программах AutoCAD и Photoshop), через изменение способов графической подачи материала повлияло на саму логику организации городских образований.
Трехмерные технологии помогают инженерам и градостроителям быстро создавать проектные предложения, а городским службам и органам власти анализировать, «что может быть» в контексте того, «что уже есть»: планирование развития территории, разработка концепций застройки (с учетом объектов различного типа). На карту могут накладываться данные о системах электро-, тепло- и газоснабжения. Это позволит оценить влияние планируемых к постройке зданий на существующую инфраструктуру.
1 Вадим Николаевич Сокотущенко - директор ИТ-Центра «Интеллектуальное прогнозирование в экономике и энергетике», старший научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН, к.т.н., e-mail: sokotushenko@mail.ru;
Андрей Васильевич Нечаевский - сотрудник ИТ-Центра «Интеллектуальное прогнозирование в экономике и энергетике», инженер-программист Объединенного института ядерных исследований РАН, e-mail: nechav@jinr.ru.
При использовании визуальной, легкой в восприятии концептуальной модели, для управления которой не требуется никаких специальных технических знаний, принятие решений происходит значительно быстрее и проще. Технология имеет возможность быстрого переключения между несколькими вариантами и оценки влияния каждого из них на окружающую обстановку и объекты.
Другим примером могут служить теоретические проекты европейских архитекторов, посвященные виртуальным городам, наполненным информацией, состоящим из информации.
Освоение и понимание разработанных принципов электронного трехмерного моделирования позволяет грамотно выбирать рацио-нальный способ моделирования в конкретной проектной ситуации, искать новые способы воплощения идей, развивать новое мышление и инновационный подход к моделированию как средству проектирования.
Концептуальное проектирование инфраструктурных Smart Grid
Подобная методология была использована авторами при разработке принципиальной схемы объектов Новой Москвы и реализована в виде системы smart-energy.msk.ru.
Современные тенденции развития «большой» и распределенной энергетики связаны с внедрением интеллектуальных активно-адаптивных сетей нового поколения или так называемых смарт-гридов. Однако внедрение «умных» решений для создания энергоэффективного города является чрезвычайно сложной задачей для городских властей. В процессе создания энергоэффективного города обойтись без проектирования городских энергетических сетей не представляется возможным.
Проектирование городских энергосетей предусматривает совокупность работ по созданию моделей городской инфраструктуры как с заранее заданным количеством объектов промышленности и внутренней инфраструктуры, так и с перспективой ее дальнейшего развития. Все элементы энергосистемы должны быть определенным образом связаны между собой и взаимно обусловлены. Именно проектирование
позволяет заранее наилучшим способом спланировать и согласовать расположение тех или иных компонентов будущей городской интеллектуальной энергосети. Концептуально энергоэффективный город включает в себя три компоненты: глубокую электрификацию, интеграцию всех систем энергоснабжения и смарт-грида для реализации этих задач.
Энергоинформационная модель Smart Grid - это модель энергосистемы, в которой передающая и распределительная электрическая сеть используется для двусторонних коммуникаций между электростанциями, потребителями и центрами управления с целью оптимизации про-
Рис. 1. Концепция Smart Grid
цессов электроснабжения и электропотребления для повышения их эффективности (рис. 1).
Для реализации демонстрации возможностей Smart Grid целесообразно использовать возможности компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить вычислительные эксперименты, которые по сравнению с реальным экспериментом затруднены из-за финансовых и физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-ор-гинала (или целого класса объектов), и в частности - исследовать отклик моделируемой фи-
зической системы на изменения ее параметров и начальных условий.
Одним из значимых направлений применения трехмерных моделей является информационная поддержка проектных решений. 30-моделирование позволяет опробовать технические решения непосредственно в процессе проектирования, что радикально сокращает временные затраты и существенно повышает качество проектов.
Моделирование для информационной поддержки проектных решений имеет два этапа - подготовительный (подготовки данных) и расчетно-аналитический. Первый во многом схож с аналогичным этапом двухмерного проектирования, но в обязательном порядке требует наличия данных аэросъемки или космического дистанционного зондирования. Второй подразумевает вычисление каких-либо параметров по 30-моделям (например, потребление электроэнергии, зон покрытия пространственными данными, проектирование электро-, газо-, теплотранспортных сетей).
Особенность проектных задач состоит в моделировании и оптимизации решения, которое еще предстоит реализовать. Контроль результатов именно на этом этапе особенно важен, поскольку позволяет сократить количество ошибок проектирования без заметного увеличения стоимости проекта. В любом случае общая стоимость создания 30-моделей значительно меньше затрат на внесение изменений в уже существующий объект. Виртуальная трехмерная модель позволяет проводить визуальный контроль и оптимизировать проектные решения с учетом рельефа местности, дендроплана имеющейся и проектируемой инфраструктуры. 30-проекты, совмещенные с трехмерной моделью территории, дают представление о том, как возводимые объекты впишутся в ландшафт.
Трехмерное моделирование широко применяется для целей мониторинга и управления объектами. Сбор информации по объекту может осуществляться:
регулярно (с определенной периодичностью);
- в режиме реального времени, когда информация доступна постоянно;
- временно, то есть с большой периодичностью в режиме долгосрочной перспективы.
Кроме того, результаты мониторинга могут быть представлены в SD-модели, демонстрируя динамику развития процесса на территории.
Логическим продолжением мониторинга в режиме реального времени являются интерактивные (предполагают наличие обратной связи) системы управления пространственными процессами, основанные на использовании трехмерных моделей объектов.
Графическое представление объектов управления в виде SD-моделей преподносит информацию в наиболее удобном и естественном для человека виде, что положительным образом сказывается на качестве и оперативности принятия решений. Это свойство SD-моделей может широко использоваться при создании ситуационных центров управления территориями (центры кризисных ситуаций, оперативные службы, подразделения по отслеживанию использования биоресурсов, учету и контролю объектов недвижимости и т.д.).
SD-макет города, реализованный в системе smart-energy.msk.ru и доступный в Интернете, - уникальная технология, позволяющая не выходя из дома получать наглядное представление об объектах инфраструктуры, быстро перемещаться по виртуальному городу, изучать обширные территории. SD-анимация играет огромную роль в представлении и презентации объекта, механизма, устройства или процесса, ведь некоторые вещи невозможно описать словами, а чтобы потребитель смог увидеть конечный результат онлайн - создается 3D-flash анимация, готовая к показу на веб-сайтах и простая для восприятия. Электронное трехмерное моделирование в современном проектировании объектов Smart City является основным средством реализации как художественного замысла формы объекта, так его функциональной составляющей.
Требования к программному обеспечению 3D-моделирования
В 3D-индустрии существует постоянная потребность в обновлении форм, переосмыслении взаимодействия, организации объектов и пространства. Актуальным остается снижение сроков моделирования будущего объекта.
SD-технологии позволяют решить внедрение междисциплинарных принципов трехмерного моделирования в процесс проектирования.
При выборе средств реализации моделей учитывались следующие требования к программным продуктам:
1) поддержка разнообразных геометрических примитивов;
2) универсальные встроенные механизмы рендеринга и интеграция с внешними рендерерами;
3) возможность экспорта моделей и сцен в HTML-файл;
4) кроссплатформенность (поддержка различными операционными системами и браузерами);
5) бесплатность (распространение программного обеспечения по лицензии GNU GPL).
Этим требованиям для реализации 3D-моделей объектов энергоинформационной модели Smart Grid соответствуют следующие программные продукты и технологии: Blender [3], Blend4Web [4], FreeCad [5], WebGL [6].
Blender - свободный кросплатформенный редактор трехмерной графики с открытым кодом. Редактор обладает широчайшими возможностями для трехмерного моделирования, анимации, визуализации, работы с физикой, рендеринга и постпродакшна.
В настоящее время пользуется наибольшей популярностью среди бесплатных 3D-редакторов в связи с его быстрым и стабильным развитием, которому способствует профессиональная команда разработчиков. Характерной особенностью пакета Blender является его небольшой размер по сравнению с другими популярными пакетами для 3D-моделирования.
Blend4Web - это программная среда с открытым кодом для подготовки и интерактивного отображения трехмерного аудиовизуального контента в браузерах. Blend4Web предназначен для создания визуализаций, презентаций, интернет-магазинов, игр и других «насыщенных» web-приложений. Фреймворк Blend4Web имеет тесную интеграцию с пакетом 3D-моделирования и анимации Blender. Отображение контента осуществляется средствами WebGL и других браузерных технологий без использования плагинов. Технически Blend4Web представляет собой программную библиотеку, подключаемую в web-странице, дополнение к
программе Blender, а также инструменты для отладки и оптимизации. Приложения и сцены, созданные с помощью Blend4Web, могут быть размещены на страницах собственных сайтов пользователей. В качестве еще одного удобного варианта распространения SD-контента возможен экспорт сцены в единственный самодостаточный HTML-файл.
WebGL (Web Graphics Library) - графическая библиотека для использования в веб-приложениях. Одна из современных браузерных технологий, позволяющая создавать трехмерные графические веб-приложения. В настоящий момент технология WebGL в той или иной степени поддерживается во всех браузерах: Yandex Browser, Chrome, Firefox, Opera, Safari 8+, Internet Explorer 11. Также WebGL поддерживается мобильными платформами: Android (на современных устройствах), BlackBerry, Firefox OS, iOS 8, Tizen, Ubuntu Touch, WebOS.
FreeCAD является параметрическим SD-редактором. Параметрическое моделирование позволяет легко изменить дизайн и изменять параметры модели. FreeCAD является программным продуктом с открытым исходным кодом с возможностью добавления дополнительных расширений и настроек. FreeCAD это кроссплатформенный пакет, он способен открывать и сохранять модели в файловые форматы: STEP, IGES, STL и другие.
Рис. 2. Концепция Smart Grid. Энергоэффективный дом
Опыт применения 3D-моделирования в решении энергетических задач
На современном этапе развития ЗО-редакторов и средств моделирования ста-
ло возможным создавать детализированные 30-модели для использования в различных приложениях энергетических задач. Например, при создании детализированных моделей визуализации энергоинформационных связей «умных» домов (рис. 2), кварталов, районов и мегаполиса в целом. Однако при попытке использовать эти модели в интерактивных приложениях, например для мобильных устройств, симуляторах и ГИС возникают проблемы. Основные препятствия заключаются в необходимости выделения большого объема вычислительных ресурсов, сложности обработки объектов. Также наличие по терминологии 30-моделирования большого числа полигонов в сцене или в моделе ограничивает возможность запуска приложения на устройствах с низкой вычислительной мощностью.
Создание графических ресурсов, применяемых в проекте, состоит из следующих этапов:
1) подбор фотографий и/или создание концепта будущей модели или сцены;
2) моделирование - создается трехмерная модель, состоящая из многоугольников (полигонов);
3) текстурная развертка - на моделе создается разметка для последующего наложения текстур (плоских изображений);
4) текстурирование - на 30-модель накладываются текстуры;
5) подбор материалов - назначение различным частям модели материалов и их настройка (например, кирпичная стена);
6) экспорт выполняется на любом этапе с целью отображения 3D-модели в ее конечном виде, например, на веб-странице.
Затраты времени при изготовлении 3D-моделей и анимации зависят от их сложности и требуемого качества, и могут изменяться от 1-2 дней (например, отдельный предмет) до 1-2 недель (например, детализованная модель автомашины или здания) и даже нескольких месяцев (прорисовка больших районов).
В качестве примера применения 3D в решении энергетических задач можно рассмотреть следующие проекты: Navidis [7], Cisco Smart Grid [8], i-SCOPE [9], F4map [10].
Navidis - коммерческий программный продукт, разработанный во Франции, позволяющий делать интерактивные карты городов (рис. 3). Navidis обеспечивает комплексное решение для заинтересованных сторон и пользователей Smart City для мониторинга различных показателей в режиме реального времени.
Cisco Smart Grid - концепция «умных» сетей компании Cisco заключается в том, чтобы на основе стандартов интернет-протокола создать полную коммуникационную структуру в области энергетики, охватывающую всю энергосистему - от генерации до корпоративных и частных пользователей (рис. 4). Решения Cisco Smart Grid разрабатываются в расчете на применение в критически важных звеньях энергетической инфрастуктуры. Cisco уже выпустила ряд решений для мониторинга электропотребления, оптимизации поставки электроэнергии, снижения
Рис. 4. Коммуникационная структура города
энергопотребления и его стоимости, повышения надежности соответствующих систем и защиты окружающей среды.
i-SCOPE (interoperable Smart City service through an Open Platform for Urban EcoSystems) - обеспечивает открытую платформу, на базе которой реализуются три концепции «умного» города (рис. 5):
1) улучшение интеграции и индивидуальной мобильности граждан с ограниченными возможностями через персональный сервис маршрутизации, на котором отображается макет города с характерными особенностями, барьерами, парковками и т.д.;
2) оптимизация энергопотребления через интернет-сервис для точной оценки потенциала
солнечной энергии и потерь энергии на уровне зданий;
3) экологический мониторинг через отображение в режиме реального времени уровня шума.
Моделируя существующую энергосистему и добавляя в нее объекты интеллектуальной энергосистемы, можно создать модель полностью интегрированной системы, начиная от производства и передачи и заканчивая распределением и потреблением электричества частными пользователями.
На рис. 6 представлена модель Smart Grid, объекты объединены в единую энергоинформационную сеть (показаны электро-, теплосети). Управление смарт-объектами осуществля-
Рис. 5. Открытая платформа, на базе которой реализуются концепции «умного» города
Рис. 6. Энергоинформационная модель района
ется дистанционно через систему EMS (Energy Management System, схематично обозначена как диспетчерский пульт), которая принимает информацию о текущем состоянии каждой энергоустановки и передает на них управляющие сигналы [ll]. Система может иметь коммерческое назначение (продажа электроэнергии на оптовый рынок), техническое назначение (системные услуги - такие как регулирование частоты и активной мощности, поддержание качества электроэнергии и т.п.) или же объединять обе эти функции.
Заключение
Современные технические средства позволяют осуществлять построение 3D-моделей различной сложности по таким объектам, как автомобильные и железные дороги, элементы транспортной инфраструктуры (мосты, туннели
и т.п.), линии электропередачи и элементы инфраструктуры энергетики (подстанции, трансформаторы и т.п.); газо- и нефтепродуктопрово-ды и элементы их инфраструктуры, городская и сельская застройка (улицы, дома, строения, сооружения); промышленные площадки (внутренняя инфраструктура предприятий, цехов, территорий и т.п.).
Применение ЗО-моделирования может полностью заменить стадию физического макетирования объекта или территории. Качество, детальность и сложность ЗО-моделей зависят от конкретных задач пользователей, объема дополнительной пространственной информации и ряда других особенностей.
Нет сомнений в том, что трехмерная модель становится важным и практически неотъемлемым инструментом любой системы управления, предназначенной для решения широкого спектра практических задач.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушуев В.В., Ливинский А.П. Энергоэффективный мегаполис Smart City - Новая Москва. М.: Энергия, 2015, 76 с.
2. 3-D Smart City - Новая Москва. URL: http:// smart-energy. msk. ru/.
3. Blender project. URL: http://www.blender.org
4. Blend4Web - трехмерные решения для сайтов. URL: http://www.blend4web.com
5. FreeCAD: An open-source parametric 3D
CAD modeler. URL: http://www.freecadweb.org.
6. WebGL. Материал из Википедии. URL: https://ru. wikipedia. org/wiki/WebGL.
7. Blender. Материал из Википедии. URL: https://ru. wikipedia. org/wiki/Blender.
8. Navidis - 2D and 3D interactive multimedia maps. URL: https://www.navidis.com.
9. Cisco Systems: Smart Grid - Industry Solutions. URL: http://www.cisco.com.
10. i-SCOPE project page. URL: http://www. iscopeproject. net.
11. Interactive Map Solutions. URL: http:// f4map.com.
Поступила в редакцию 04.12.2015 г.
V. Sokotushchenko, A. Nechaevskiy:
,2
FEATURES 3D-SIMULATION RELATING TO SMART ENERGY OF NEW MOSCOW
The development of Smart Energy of the metropolis involves the formation of the concept of Smart city and its energy infrastructure - Smart Grid. These approaches to Moscow are presented in [1]. This article discusses the peculiarities of the spatial-functional facilities of the city - smart home, smart quarter, smart district with the help of 3D-models to link the physical and informational representation of similar objects is presented in this file: URL: http://www.smart-energy.msk.ru [2].
Key words: Smart City, energy infrastructure, 3D-models of objects.
1 Vadim N. Sokotushchenko - Director of IT-Center Intelligent Forecasting in Economy and Energy, senior researcher of Joint Institute for High Temperatures RAS, PhD in Engineering, e-mail: sokotushenko@mail.ru;
Andrey V. Nechaevskiy - assistant of IT-Center Intelligent Forecasting in Economy and Energy, engineer-programmer of Joint Institute for Nuclear Research RAS, e-mail: nechav@jinr.ru.
