CC BY
108
УДК 629.73.02; 629.73.05/.06; 535.643
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА БОРТОВЫХ СИСТЕМ ИНДИКАЦИИ НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ ПИЛОТИРУЕМЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А.В. Шукалов, А.В. Гурьянов, И.О. Жаринов, О.О. Жаринов,
М.О. Костишин
Рассматривается задача разработки специализированного программного обеспечения, позволяющего оценивать колориметрические сдвиги, возникающие при проектировании и производстве бортовых систем индикации. Приведена схема технологического цикла проектирования и производства средств индикации.
Ключевые слова: цветовые модели, проектирование, производство, технологический цикл, колориметрический сдвиг, авионика
Введение. Современное промышленное производство неразрывно связано с созданием продукции, обладающей цветовым наполнением. Наглядными примерами являются: цвет текстиля при изготовлении одежды; цвет автомобиля или дорожной разметки, цвет дорожных знаков, зданий и сооружений при изготовлении лакокрасочных покрытий; цвет отображаемых элементов человеко-машинного интерфейса в компьютерных программах или цвет параметров на экране дисплеев информационно-измерительных и управляющих систем.
Наличие цвета, придает промышленной продукции важнейшие потребительские качества, но и порождает ряд процедурных вопросов, связанных с документальным подтверждением соответствия наблюдаемого цвета заявленному в технической документации. В основе процедуры подтверждения цвета лежат колориметрические стандарты, атласы цветов и контрольно-измерительная аппаратура, регистрирующая распределение мощности излучения оптического диапазона в пределах видимых длин волн, а также физические процессы цветовоспроизведения в рамках конкретной предметной области.
Преобразования цветовых моделей [1, 2], т.е. переход от цветовых координат одной цветовой модели к цветовым координатам другой цветовой модели, актуальны для предметных областей, в которых для цветовоспроизведения в едином технологическом цикле применяются различные физические процессы. Такой предметной областью, в частности, является авиационное приборостроение, в рамках которого разработчики создают и сертифицируют образцы бортовых систем индикации, программные средства автоматизации проектирования, технологии производства, техническую документацию и пр.
Очевидно, что для программирования графического контроллера [3], осуществляющего подготовку изображения в видеопамяти для его отображения на экране средства индикации, должны использоваться одни
цветовые модели. Для создания бумажных оттисков индикационных кадров авионики, приводимых в технических условиях, руководствах по эксплуатации и инструкциях (по занесению данных; по проверке, настройке и регулировке и пр.) — другие, а при моделировании оптических схем на инструментальных средствах проектирования автоматизированных рабочих мест, подробно рассмотренных в [4], — третьи.
При этом идентичные цвета, представленные в различных цветовых моделях и на различных физических носителях, специфичных по отношению к реальному физическому процессу цветовоспроизведения, должны передаваться без видимых искажений. В этой связи актуальной является задача разработки программного средства, позволяющего оценивать и прогнозировать возникновение колориметрических сдвигов в технологическом цикле «проектирование-производство» при создании бортовых систем индикации пилотируемых летательных аппаратов.
Цветовая модель как способ цветоопределения. В традиционном понимании цвет определяется с помощью общепринятых терминов, которые получили название имен цветов: красный цвет, желтый цвет, пурпурный цвет и т.д. Для точного задания цвета в колориметрии применяются цветовые эталоны, цветовые шкалы и атласы цветов.
Однако вследствие ограниченного числа наименований цветов и единства наименования цвета для его различных, но близких цветовых оттенков, задание цвета на уровне наименования (например, серо-буро-малиновый цвет) является малопригодным для использования в авиационном приборостроении. В этой связи разработчиками авионики применяется различный математический аппарат, позволяющий строго определить правила задания цветов и цветовых оттенков (правила цветоопределения) в рамках различных цветовых моделей.
Цветовая модель — это модель задания цвета, математически определенная в виде набора чисел (цветовых координат), и геометрически определенная в виде цветового тела в пространстве цветовых координат.
Цветовые модели используются для математического описания определенных цветовых областей спектра, а сам цвет в академическом смысле представляет собой [2] качественную субъективную характеристику электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемую на основе возникающего зрительного ощущения и зависящую от ряда физических, физиологических и психологических факторов.
Преобразование цветовых моделей. Для математического описания технологических процессов воспроизведения цвета разработаны [1, 2] различные цветовые модели, в каждой из которых любой цвет может быть представлен в виде точки (рис. 1), принадлежащей цветовому телу в многомерном цветовом пространстве, оси которого определены цветовыми координатами.
Рис. 1. Правила преобразования цветовых моделей, актуальных для авиационного приборостроения
В цветовых моделях, получивших [5-7] наибольшее практическое применение в авиационном приборостроении, цветовые координаты определяют либо базовые цвета, из которых формируется наблюдаемый цвет на различных физических носителях, либо светлоту, насыщенность и цветовой тон — свойства, согласующиеся с психологией восприятия наблюдателя.
Упрощенный принцип классификации позволяет разделить все актуальные для авиационного приборостроения цветовые модели на три самостоятельные группы:
аппаратно-зависимые, то есть такие цветовые модели (RGB, CMY, YIQ, YCbCr), в которых цветовоспроизведение определяется особенностями реализации аппаратной платформы применяемых устройств и технологического оборудования;
аппаратно-независимые, то есть такие цветовые модели (XYZ, Yxy, Yuv, Lab, Luv), в которых представление цвета не зависит от применяемой бортовой и технологической аппаратуры и определяется исключительно абстрактным математическим описанием колориметрических характеристик цвета в теоретическом пространстве цветовых координат;
перцепционные, т.е. такие цветовые модели (HSI, HSL, HSV), в которых представление цвета основано на интуитивно понятных характеристиках цвета (цветовой тон, насыщенность, светлота), согласованных с психологическими особенностями восприятия стандартного колориметрического наблюдателя.
Для воспроизведения цвета в пределах аппаратно-зависимых цветовых моделей в авиационном приборостроении используются два типа объектов — самосветящиеся оптические устройства (жидкокристаллические или светодиодные экраны средств отображения информации и пр.) и несамосветящиеся объекты, отражающие падающий на них свет (например, бумажные носители индикационных кадров авионики, представленные в технической документации).
Для самосветящихся устройств в аппаратно-зависимых цветовых моделях используется аддитивный принцип описания цветовоспроизведения, основанный на сложении базовых цветов. Цвет изображений, представленных на бумажном носителе, формируется по субтрактивному принципу, основанному на вычитании базовых цветовых координат. Ап-паратно-зависимые цветовые модели в авиационном приборостроении используются на этапе проектирования и производства аппаратуры и документации.
Аппаратно-независимые цветовые модели применяются в авиационном приборостроении на этапе проектирования для проведения теоретических исследований и колориметрических расчетов при моделировании оптических схем на инструментальных средствах проектирования автоматизированных рабочих мест [4] разработчиков авионики.
Перцепционные цветовые модели основаны на использовании в качестве цветовых координат некоторых свойств наблюдаемых цветов, заданных в интуитивно понятных категориях. По существу, цвет в перцепционных моделях задается как смесь заданного оттенка цвета, белого и черного цветов. Перцепционные цветовые модели используются на этапе проектирования бортовой аппаратуры и технической документации.
Описание технологического цикла «проектирование-производство» бортовых систем индикации. Математический аппарат, связывающий цветовые координаты в различных цветовых моделях, составляет основу разработанного специализированного программного средства, позволяющего оценивать и прогнозировать возникновение колориметрических сдвигов в технологическом цикле [8] «проектирование-производство» при создании авиационной продукции (рис. 2).
На схеме показаны основные проектные и производственные процедуры, выполняемые на приборостроительном предприятии в процессе создания наукоемкой продукции (изделий) для авиационных систем индикации. Примерами такой продукции являются многофункциональный цветной индикатор, пульт управления и индикации и др.
Процесс разработки систем индикации навигационных комплексов пилотируемых летательных аппаратов разделен в соответствии со своим наполнением на этапы:
- проектирования структур, на котором осуществляется разработка состава функциональных элементов будущего изделия и физической природы их взаимодействия в составе изделия;
- реализации изделия в комплекте документации, на котором производится создание конструкторской документации (КД) изделия по стандартам ЕСКД;
- реализации изделия на программном уровне, на котором специалисты предприятия осуществляют разработку тестового, рабочего (функционального) и инструментального (необходимого для технологических целей производства) программного обеспечения (ПО) по стандартам ЕСПД;
- разработки технологической документации (ТД) по стандартам ЕСТД, содержащей в себе маршрутные карты и описание технологических операций, необходимых для изготовления продукции предприятия с учетом документации на изделия вспомогательного производства (нестандар-тизованное технологическое оборудование);
- изготовления изделия, в процессе которого предложенные разработчиками в технической документации проектные решения воплощаются в «железе»;
- настройка и испытания изделия, на котором оценивается работоспособность предложенных разработчиками в документации технических решений, оценка соответствия изделия требованиям технического задания (ТЗ) на изделие, оценивается необходимость внесения изменений в документацию на изделия (например, для устранения ошибок в полученном проекте);
- комплексирования изделий, на котором отрабатывается взаимодействие разнородной аппаратуры, соединенной в единую авиационную систему или комплекс и функционирующую в соответствии с логикой взаимодействия, согласованной специализированными протоколами обмена информацией.
Ключевой особенностью практической реализации технологических операций является стандартизация и унификация проектных решений, предлагаемых или внедряемых в документацию и в производственный процесс предприятия. Как следует из рис. 3, разнородные системы автоматизированного проектирования (САПР), объединенные в единую информационную систему предприятия, позволяют автоматизировать отдельные проектные процедуры общего технологического цикла [8].
Практический опыт использования автоматизированных систем показывает, что результаты деятельности работника предприятия, подготавливающего отдельные конструкторские документы, например, перечень элементов (код документа ПЭ3) в текстовом редакторе MS Word, являются непригодными для составления спецификации конструктором, которую
179
он разрабатывает в системе AutoCAD. В этом случае конструктор вынужден вручную переносить записи распечатанного на бумажном носителе документа ПЭЗ. Аналогично обстоит дело с разработкой документов РР и РР1 (расчеты цветных и расчеты драгоценных металлов, содержащихся в изделии соответственно), которые, как правило, подготавливаются в AutoCAD. Между тем, сведения о цветных и драгметаллах указываются в эксплуатационном паспорте изделия (код документа ПС), который относится уже к категории текстовых документов.
Изделие 1
ТЗ
Структурное проектирование
« Г
ва г-
I i
.О К
Схемотехническое Конструкторское
проектирование проектирование
Аппаратная реализация изделия
ЕСКД
ЕСПД
Проектирование алгоритмов
Проектирование программ
Программная реализация изделия
ЕСТДг
Технологическая подготовки производства
Доработки, выпуск извещений на корректировку
КД, ПД, ТД, присвоение документации литеры
КД ТД
ПД
Контроль и анализ испытаний изделия
Изготовление изделия
Изделие|
Комплексная отработка изделия
о
Изделие 2
Изделие 3, Изделие 4 ..Изделие i,... Изделие N
Рис. 2. Технологический цикл «проектирование-производство» аппаратуры: КД- конструкторская документация; ТД-технологическая документация; ПД- программная документация; ЕСКД- единая система конструкторской документации; ЕСТД-единая система технологической документации; ЕСПД- единая система программной документации, ТЗ - техническое задание
Таким образом, использование разнородных САПР, результаты проектирования в которых (передающая САПР) не могут однозначно переноситься в другую САПР, используемые на последующем этапе проектирования (принимающая САПР), резко снижает эффект от внедрения на предприятии информационных технологий.
В этой связи актуальным является решение задачи разработки информационной системы поддержки сквозного процесса проектирования, в котором ключевая роль будет отводиться интерфейсу информационного взаимодействия компонентов САПР между собой.
Функциональная схема системы сквозного автоматизированного проектирования показана на рис.4. Основу схемы системы сквозного автоматизированного проектирования составляют три крупных проектных
180
подразделения, имеющихся на всех предприятиях авиационного кластера Российской Федерации [8]: научно-исследовательский отдел; опытно-констукторский отдел; технологический отдел.
Рис. 3. Автоматизация проектных процедур технологического цикла «проектирование-производство»
Техническое взаимодействие отделов осуществляется посредством локальной дины данных предприятия, как правило, не имеющей выхода в сеть интернет, что обусловлено необходимостью выполнения требований по соблюдению режима на предприятии.
Абонентами локальной сети предприятия являются службы, обеспечивающие контроль и учет движения проектов на предприятии, порядок внесения изменений в конструкторскую (программную, технологическую) документацию, архивирование проектов и создание резервных копий проектов.
Как следует из анализа рис. 4, взаимодействие САПР осуществляется через интерфейс, обеспечивающий трансляцию готовых проектов (отдельных документов проекта) из одной САПР в другую без необходимости использования дополнительного ручного труда проектировщика.
Такое взаимодействие может обеспечиваться либо за счет использования дополнительных программ-конверторов, позволяющих преобразовывать файлы данных из одного формата представления в другой, либо за счет специализированной структуры вновь разрабатываемой САПР, учитывающей потребность разработчиков в такой механизме преобразования.
Технологический отдел
АРМ разработчика БРЭО
спо
31
Проектно-конструкторский отдел
Научно-исследовательский отдел
СЩР
АРМ разработчика БРЭО
арм разработчика брэо
ЗЕ
АРМ разработчика БРЭО
ЕК53
АРМ разработчика БРЭО
5
шина локальной вычислительной сети предприятия
ЛБД
X
ипд
г
лбд
X
ипд
ЛБД
ипд
о-а
ипд
ЛБД
САПР1
сапр2
САПРз
Маршрутно-операпионная карта подготовки до^-менташнна нзделие_
сапр*
ИПД
ЦБД
Структурное проектирование
О
Схемотехническое н логическое проектирование
О
Конструкторское проектирование и проектирование программ
О
Технологическая подготовка производства
фапбрэо
НСИ БРЭО
снтибрэо
ПО ФКТД БРЭО
Архив проектов
спо - сетевое программное обеспечение (автоматизированная передача данных между подсистемами отраслевой сапр, реализованными на разнородных вычислительных средствах);
ипд - интерфейс преобразования данных £ (нестандарти-зованные преобразования результатов проектирования сапр, в вид, пригодный для ввода этих данных в САПР*-! и для последующей обработки (технологические переходы £,));
лбд - локальный банк данных сапр,
ЦБД - центральный банк данных;
ФАП - фонд алгоритмов и программ БРЭО;
НСИ - нормативно-справочная информация (описание изделий, описание материалов, описание технологических процессов);
СНТИ - справочная научно-техническая информация (описание авторских изобретений, патентов, результатов выполнения НИОКР);
ПО ФКТД - программное обеспечение формирования конструкторской и технологической документации
Рис. 4. Функциональная схема системы сквозного автоматизированного проектирования
Пример функциональной схемы автоматизированной системы поддержки разработки документации приведен на рис.4. Основу схемы составляют компоненты, обеспечивающие взаимодействие САПР и пользователя, компоненты, реализующие функциональное назначение САПР и компоненты, обеспечивающие интерфейсное сопряжение результата проектирования (файла) с принятыми в других системах САПР стандартами хранения и представления данных. Такие компоненты сегодня успешно функционируют в составе распределенных резервированных вычислительных сетей [9-12].
Принцип прогнозирования колориметрических сдвигов в технологическом цикле «проектирование-производство». Принцип прогнозирования колориметрических сдвигов основан на анализе применяемых технологических процессов и последовательной конвертации цветовых координат с использованием профилей устройств, задействованных при выполнении каждой технологической операции. Большинство таких профилей устройств стандартизовано и утверждено Международным консорциумом по цвету для каждого типа технологического оборудования.
В частности, для описания процесса отображения цветовой информации на экране средства индикации адекватным являете я использование на этапе программной реализации изделия аддитивной цветовой модели
RGB. Для описания процесса цветовоспроизведения при выводе индикационного кадра авионики на цветном печатающем устройстве (изготовление документации) задействуется субтрактивная цветовая модель CMY.
Результаты колориметрических экспериментов, получаемые в процессе контрольных испытаний изделий, или результаты теоретических расчетов, получаемые на этапе структурного проектирования, однозначно задаются в параметрах моделей XYZ, Yxy, Yuv, Lab. Для описания процессов передачи телевизионного изображения, отрабатываемых на этапе ком-плексирования бортовой аппаратуры, применяются цветовые модели YIQ, YCbCr и их разновидности, позволяющие эффективно кодировать информацию о цвете и яркости изображения в канале связи.
Перцепционные цветовые модели HSI, HSV, HSL используются для цветоопределения в пакетах прикладных компьютерных программ (в графических редакторах) при создания векторных и растровых изображений индикационных кадров авионики (конструкторская документация), которые по колориметрическим свойствам должны соответствовать наблюдаемому на экране бортового индикатора изображению или тому же изображению, напечатанному на бумажном носителе в технических условиях или инструкциях.
Заключение. Потребность в переходе между параметрами цветовых моделей (перенос цвета из одной цветовой модели в другую) возникает, когда разработчикам авионики необходимо описать сложные производственные процессы, основанные на совокупности различных физических эффектов в едином технологическом цикле. Такой переход между параметрами цветовых моделей может привести к искажению информации о цвете (колориметрическому сдвигу), что вызвано несоответствием цветовых охватов различных цветовых моделей, применяемых для описания цветовоспроизведения в конкретных технологических операциях.
Цветовая модель имеет свой цветовой охват. Цветовой охват модели характеризует спектральный состав цветов, который может описать модель. Аппаратная зависимость цветовой модели является причиной сужения ее цветового охвата.
Очевидно, конвертация цвета в пределах различных цветовых моделей должна проводиться через стандартизованные цветовые модели, обладающие максимально широким цветовым охватом, например, XYZ. В этом случае можно получить «идеальное» преобразование, поскольку оно дает точное отображение цветовых координат в различных цветовых моделях. В противном случае цвет, представленный цветовыми координатами в одной цветовой модели, будет отличаться от цвета, представленного эквивалентными цветовыми координатами в другой цветовой модели. Физически такое отличие обусловлено переносом цвета, находящегося за границами цветового охвата «принимающей» цветовой модели к границе ее воспроизводимого цветового спектра.
Список литературы
1. Understanding color models: a review / N.A. Ibraheem, M.M. Hasan, R.Z. Khan, P.K. Mishra // ARPN Journal of science and technology. 2012. Vol.2. No.3. P.265-275.
2. Hunt R.W. The reproduction of color. Harrow. Kodak Limited. 2004.
887 p.
3. Жаринов И.О., Жаринов О.О. Бортовые средства отображения информации на плоских жидкокристаллических панелях: учеб. пособие // Информационно-управляющие системы. СПб: ГУАП. 2005. 144 с.
4. Жаринов И.О., Жаринов О.О. Исследование распределения оценки разрешающей способности преобразования Грассмана в системах кодирования цвета, применяемых в авионике // Программная инженерия. 2014. №8. C.40-47.
5. Theoretical estimation of Grassmann's transformation resolution in avionics color coding systems / Y.A. Gatchin, I.O. Zharinov, A.G. Korobeyni-kov, O.O. Zharinov // Modern Applied Science. 2015. Vol.9. No.5. P.197-210.
6. Evaluation of chromaticity coordinate shifts for visually perceived image in terms of exposure to external illuminance / S.A. Aleksanin, I.O. Zharinov, A.G. Korobeynikov, O.A. Perezyabov, O.O.Zharinov // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2015. Vol.10. No.17. P.7494-7501.
7. Zharinov I.O., Zharinov O.O., Kostishin M.O. The research of redun-dacy in avionics color palette for on-board indication equipment. Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2015). Omsk: The Tomsk IEEE Chapter & Student Branch. Russia. Omsk. May 21-23. 2015. Art. 7147313.
8. Принципы построения отраслевой системы автоматизированного проектирования в авиационном приборостроении /. П.П. Парамонов, Ю.А. Гатчин, И.О. Жаринов, О.О. Жаринов, М.С. Дейко // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. №6. C.111-117.
9. Богатырев В.А. Надежность и эффективность резервирования компьютерных сетей // Информационные технологии. 2006. №9. С.25-30.
10. Богатырев В. А., Богатырев С.В. Объединение резервированных серверов в кластеры высоконадежной компьютерной системы // Информационные технологии. 2009. №6. С.41-47.
11. Богатырев В. А. Комбинаторно-вероятностная оценка надежности и отказоустойчивости кластерных систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. №6. С.21-26.
12. Богатырев В. А. Оптимальное резервирование системы разнородных серверов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. №12. C.30-36.
Шукалов Анатолий Владимирович, канд. техн. наук, первый зам. ген. директора — гл. конструктор, доц., aviation78@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО «ОКБ «Электроавтоматика»,
Гурьянов Андрей Владимирович, ген. директор, postmaster@,elavt.spb.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО «ОКБ «Электроавтоматика»,
Жаринов Игорь Олегович, д-р техн. наук, доц., руководитель учебно-научного центра, зав. кафедрой, igor rabota@pisem.net, Россия, Санкт-Петербург, АО «ОКБ «Электроавтоматика», Университет ИТМО,
Жаринов Олег Олегович, канд. техн. наук, доц, zharinov73@hotbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Костишин Максим Олегович, канд. техн. наук, нач. сектора, доц., mak-sim@,kostishin.com, Россия, Санкт-Петербург, АО «ОКБ «Электроавтоматика», Университет ИТМО
FEA TURES OF THE DESIGN AND PRODUCTION OF ON-BOARD NA VIGA TION SYSTEMS DISPLA Y SYSTEMS PILOTED AIRCRAFT
A.V. Shukalov, A.V. Guryanov, I.O. Zharinov, O.O. Zharinov, M.O. Kostishin
The problem of the development of specialized software, allowing evaluate colorime-tric shifts arising in the design and production of onboard display systems, are presented. The scheme of the technological cycle of designing and manufacture of the display means, are presented.
Key words: color models, design, production, production cycle, colorimetric shift,
avionics.
Shukalov Anatoly Vladimirovich, candidate of technical sciences., First Deputy General Director - Chief Designer, docent, aviation78@mail.ru, Russia, St. Petersburg, JSC "OKB" Electroavtomatika ", Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO University),
Guryanov Andrey Vladimirovich, general director, postmas-ter@,elavt.spb.ru, Russia, St. Petersburg, JSC "OKB" Electroavtomatika ",
Zharinov Igor Olegovych, doctor of technical sciences, docent, Head of the Training and Research Center, head of department, igor_rabota@pisem.net, Russia, St. Petersburg, JSC "OKB"Electroavtomatika ", ITMO University,
Zharinov Oleg Olegovych, candidate of technical sciences, docent, zharinov 73@hotbox.ru, Russia, St. Petersburg, State University of Aerospace Instrumentation (SUAI),
Kostishin Maxim Olegovych, candidate of technical sciences, Head of Sector, docent, maksim@,kostishin.com, Russia, St. Petersburg, JSC "OKB" Electroavtomatika ", ITMO University
