CC BY
63
УДК 004.94
1 112 А.С. Шемякин , С.Ю. Яковлев , А.А. Рыженко , Д.Е. Тихонов
РАЗРАБОТКА ГРАФИЧЕСКОГО КОМПОНЕНТА ТРЁХМЕРНОЙ МОДЕЛИ РЕГИОНАЛЬНОГО ПРОМЫШЛЕННО-ПРИРОДНОГО КОМПЛЕКСА (НА ПРИМЕРЕ ХИБИНСКОГО ГОРНОРУДНОГО РАЙОНА)
Аннотация
В данной статье сформулирована задача создания трехмерной модели регионального природно-промышленного комплекса, обоснован выбор средств моделирования. Технология создания модели апробирована на примере Хибинского горнорудного района. Основной акцент в работе сделан на разработке графического компонента модели.
Ключевые слова:
моделирование, технология, 3Д, Autodesk 3D Studio Max, безопасность.
A.S. Shemyakin, S. Yu. Yakovlev, A.A. Ryzhenko, D.E. Tihonov REGIONAL INDUSTRIAL COMPLEX GRAPHICAL COMPOUND 3D MODEL REALIZATION (FOR HIBINY MOUNTAINS REGION AS AN EXAMPLE)
Abstract
In this paper regional industrial complex 3d-modelling are formulated. Modelling tools selection are justified. 3D model creation technology are given by sample Hibiny mountains region. Attention paid to creating graphical compound of 3D model.
Keywords:
modelling, technology, 3D, Autodesk 3D Studio Max, security.
Введение
Исследование эффективности и безопасности функционирования промышленно-природных систем (ППС) осуществляется на основе различных подходов [1]. В масштабе региона (субъект федерации, область, район, промышленный кластер) взаимодействуют десятки относительно самостоятельных систем (энергетический комплекс, транспорт, телекоммуникации, крупные промышленные предприятия и т.д.), обладающих правом принятия управленческих решений, влияющих на социальную, экономическую и экологическую ситуацию. Поэтому полноценное стратегическое и оперативное управление промышленно-природным комплексом невозможно без научно обоснованной координации работы указанных систем. Основная задача исследований - создание методов, моделей и информационных технологий оценки эффективности и безопасности региональных ППС, с учетом их взаимодействий, интересов и ограничений. Программно-алгоритмическая реализация модели управления региональным промышленно-природным комплексом, в том числе, предполагает разработку подсистемы контроля безопасного функционирования ППС, а также интеграцию разработанных
1 ИИММ КНЦ РАН
2 КФ ПетрГУ
методов, технологий и подсистем в общую модель ППС региона. Естественной и приемлемой средой моделирования для координации решений по управлению ППС представляется использование ГИС-технологии не только для графического представления составных частей объекта и результатов моделирования, но также для постановки задач и выполнения пространственнозависимых расчетов.
Актуальность применения трехмерного моделирования объясняется, прежде всего, тем, что оно обеспечивает большую наглядность и интерпретируемость данных, предоставляет возможность наиболее полно передавать информацию об изменениях ППС с течением времени, а также позволяет реализовать ряд прикладных задач, недоступных для решения с использованием двумерных данных. Кроме того, по таким моделям можно производить расчеты площадных и объемных характеристик поверхностей и уклонов, экспозиций, а также выполнять построение профилей и изолиний рельефной поверхности. 3D-моделирование дает возможность визуальной экспертной оценки взаимного влияния различных факторов и составления последующего прогноза развития ситуации. Одним из приложений трехмерного моделирования является информационное обеспечение управления промышленно-экологической безопасностью объектов и территорий [2].
В статье реализован графический компонент 3Б-модели, обеспечивающий статическую визуализацию объектов. В дальнейшем планируется разработать технологию автоматизированной обработки атрибутов визуализации с помощью других средств моделирования.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт № 02.740.11.0316) по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области геологии, горного дела» шифр «2009-1.1-151-066» по теме: «Создание трёхмерной горнотехнологической модели Хибинского горнорудного района» (шифр заявки «2009-1.1-151-066-002»).
1. Постановка задачи
Исходными данными для трехмерного моделирования служат векторные карты разных масштабов, цифровые модели рельефа и цветные космические снимки с пространственным разрешением в несколько метров.
Трехмерное геоизображение делится на следующие типы пространственно расположенных объектов окружающей среды:
• территория (местность) размещения административно-территориальных единиц (субъекты Российской Федерации, муниципальные образования, населенные пункты) и собственно объектов жизнеобеспечения, потенциальноопасных, критически важных для национальной безопасности;
• населенные пункты (города, городские поселки, сельские н.п. и т.д.) субъектов Российской Федерации, муниципальных образований с объектами инфраструктуры;
• собственно объекты жизнеобеспечения, потенциально-опасные, критически важные для национальной безопасности.
Инструментальная среда моделирования и прогнозирования состояния ППС базируется на открытой для оперативной модификации концептуальной модели предметной области и должна поддерживать следующие возможности:
• интегрирование в единую среду моделирования моделей компонентов объекта, имеющих различные динамические параметры (шаг дискретности, порядок модели и т.д.) и различные принципы внутренней организации (например, чисто логические, автоматные и аналитические модели);
• унифицированную совместную логико-аналитическую обработку данных и знаний, хранящихся в базе данных моделирования, во встроенных экспертной и геоинформационной системах;
• эффективную реализацию нерегламентированных (в том числе -пространственно-временных) запросов к базам данных информационных подсистем;
• интеллектуальную обработку имеющейся информации с целью сопоставительного анализа возникающих ситуаций и допустимых альтернатив изменения структуры ППС;
• поддержку построения логических моделей надежности и безопасности ППС в условиях динамично изменяющейся обстановки;
• имитацию поведения ППС для различных сценариев развития и изменения окружающей обстановки с постановкой задачи и представлением результатов на электронной карте.
В качестве полигона для разработки прототипа выбран Хибинский горнорудный район, как типовой природно-промышленный комплекс, информационно обеспеченный для целей моделирования.
2. Выбор инструментальных средств
Трехмерное моделирование включает в себя каркасное, поверхностное и твердотельное моделирование.
Каркасное или проволочное моделирование объектов предполагает описание таковых в виде точек и линий. Оно относится к низшему уровню и имеет много ограничений. В частности, при каркасном моделировании у проектировщика нет возможности выделить внешнюю и внутреннюю область изображения твердого объемного тела. Модель пригодна для решения элементарных задач и не требует большого объёма памяти.
В поверхностном моделировании, кроме точек и линий, присутствуют и поверхности. У пользователя появляется возможность изображать и распознавать сложные криволинейные грани, рисовать грани для получения тонового изображения, вести особые построения на поверхности.
Наиболее перспективной считается система твердотельного моделирования. В данном случае объект описывается в терминах того трехмерного объема, который отводится под определяемое им тело. Определение трехмерных моделей становится наиболее полным, появляется возможность распознавания внешних и внутренних областей тела.
Широкое распространение получили системы автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют проектировать технологические процессы с меньшими затратами времени и средств. САПР применяются и для
создания математических трёхмерных моделей. Упомянем некоторые отечественные и зарубежные системы.
Российские САПР: ADEM , продукты компании CSoft Development (AutomatiCS, GeoniCS, MechaniCS, Model Studio CS, Project Studio CS, Raster Arts), КОМПАС (компания АСКОН), IndorCAD (компания ИндорСофт), InfrasoftCAD (компания INFRASOFT), MineFrame - САПР для автоматизированного планирования, проектирования и сопровождения горных работ (ГоИ КНЦ РАН).
Зарубежные САПР: BRL-CAD, FreeCAD, SALOME, ArchiCAD, Autodesk (AutoCAD, Autodesk Inventor), EPLAN, IntelliCAD, Magics, Rhinoceros, Siemens PLM Software, ZwCAD, 3D Studio Max.
С точки зрения моделирования рельефа и сооружений типового горнопромышленного комплекса рациональным представляется использование системы MineFrame [3]. Для формирования предварительных (не привязанных к карте) разнообразных по форме и сложности трёхмерных моделей использована программа 3D Studio Max [4], располагающая средствами по созданию реальных или фантастических объектов окружающего мира с использованием разнообразных техник и механизмов. Она позволяет строить трехмерные модели с возможностью маркировки безопасности объектов (в нашем случае цветовая маркировка опасности объекта). Созданные модели могут быть экспортированы почти в любые другие САПР для дальнейшей разработки, обработки, эксплуатации и моделирования определенных ситуаций.
3. Пример реализации
В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт № 02.740.11.0316) совместно с ГоИ КНЦ РАН выполнялись научно-исследовательские работы по теме: «Создание трёхмерной горно-технологической модели Хибинского горнорудного района» (шифр заявки «2009-1.1-151-066-002»).
Выполнен анализ состава моделируемых объектов. На территории района находятся тысячи объектов, как зарегистрированных, так и не упомянутых в кадастрах городов Апатиты и Кировск. Только на промплощадке ОАО "Апатит" имеется более 6000 различных зданий и сооружений. Сформирована структура моделируемых элементов региона, выделены типовые компоненты ППС. В качестве пилотного полигона выбран промышленный район АНОФ-2, включающий в себя такие потенциально опасные объекты, как склады нефтепродуктов, хранилище отходов фабрики, мазутное хозяйство, газонаполнительную станцию, ТЭЦ.
Разработана информационная технология формирования трёхмерных моделей регионального промышленно-природного комплекса. Обоснованы структуры хранения данных, обеспечивающие удобный и быстрый доступ к моделям объектов и групп объектов. На основе картографической информации и космической съемки реализованы векторные и каркасные модели рельефа и инфраструктуры. Технология создания моделей схематично представлена на рис. 1.
Рис.1. Схема формирования модели (на примере промышленного района АНОФ-2)
Первичные трехмерные модели создавались с использованием пакета 3D Studio Max. На рис. 2 приведён пример создания модели цилиндрического резервуара.
MIFnrtHWMiaa] шшшт
В С**
I -11 ] i SaooD. • 1 <9>
- 1 V Ь к
* 9ВД* ЯпОп
Рис.2. Модель резервуара
Для отображения степени опасности промышленного объекта можно использовать цветовую маркировку. Цвет определенных частей или целого объекта можно указывать в атрибутах. Для отображения разных уровней опасности объектов и других деталей, удобно использовать систему слоев (рис. 3, 4).
^ ф ^ Layer Medium Danger ^ 1 Layers hide Freeze Render Color Radiosit
V. > S: 0 (default) ш j £: High Danger Q * _ -a ш Щ Low Danger □ : •» ш 'у pererabotdiik :
У truba-39 _ , , -a > truba-13 - - * ■ .
У truba-12 : -a A 'y truba-08 __ , . 4 > truba-09 _ : « ‘ii truba-06 _ __ .a \ truba-05 _ , : -m я ж
У BoxOl , , -* ■ Ш ig Medium Danger | , , . . -* ■ ш S; No danger О ♦ -a ■ ш
Рис. 3. Первый тип слоя
Рис. 4. Второй тип слоя
На моделях можно отразить уровни (цветом) и характеристики (значками) опасности объектов (рис. 5).
Рис. 5. Уровни и характеристики опасностей
Привязка к географическим координатам и ландшафту местности выполнялась с использованием пакета MmeFrame. По исходному полигональному слою контуров домов средствами MmeFrame были построены центроиды, использовавшиеся для расстановки трехмерных моделей в приложении. Появившиеся средства работы с трехмерными текстурированными символами позволяют удобно импортировать, разместить и, при необходимости, отмасштабировать или развернуть трехмерную модель, используемую в качестве условного знака точечного объекта.
Заключение
Сформулирована задача создания трёхмерной модели регионального промышленно-природного комплекса, как эффективной и перспективной информационной среды, предназначенной для координации решений по управлению разнородными ППС. Обоснован выбор средств моделирования. Разработана информационная технология формирования трёхмерных моделей поверхностных объектов, обеспечивающая пространственное представление промышленно-природного комплекса. Технология апробирована на примере Хибинского горнорудного района. На основе картографической информации и космической съемки реализованы векторные и каркасные модели рельефа и инфраструктуры.
Такая модель позволяет повысить информационную обеспеченность при стратегическом и оперативном управлении региональным промышленноприродным комплексом, согласовать функционирование взаимодействующих ППС. По сравнению с двумерными аналогами модель характеризуется большей наглядностью и интерпретируемостью данных, а также представляет возможности постановки и решения новых прикладных задач.
Литература
1. Яковлев, С.Ю. Методологические проблемы анализа риска в сложных системах / С.Ю. Яковлев, А.Я. Фридман // Информационные технологии в региональном развитии: сб. науч.тр. - Апатиты: КНЦ РАН, 2008. - Вып. VIII. - С. 69-72.
2. Рекомендации по созданию трехмерных геоизображений (моделей) территорий и объектов жизнеобеспечения, потенциально-опасных, критически важных для национальной безопасности / Нормативно-методические документы по вопросам организации выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. - М.: ВНИИ ГОЧС, 2009. - 41 с.
3. Лукичев, С.В. Автоматизированная система MineFrame 3.0 / С.В. Лукичев, О.В. Наговицын // Горная промышленность, 2005. - № 6. - С.32-35.
4. Autodesk 3ds Max. - Режим доступа: http://www.autodesk.ru
Сведения об авторах Шемякин Александр Сергеевич
младший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН. Россия, 184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 24A. e-mail: shemvakin@iimm.kolasc.net.ru
Alexey S. Shemyakin
junior researcher. Institution of Russian Academy of Sciences, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of Technological Processes, Kola Science Center оf RAS. Russia, 184209, Apatity Murmansk region, Fersman St. 24А.
Яковлев Сергей Юрьевич
к. т.н., старший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН.
Россия, 184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 24A. е-mail: vakovlev@iimm. kolasc.net.ru
Sergey Yu. Yakovlev
Ph.D. (Tech. Sci.), senior researcher. Institution of Russian Academy of Sciences, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of Technological Processes, Kola Science Center оf RAS. Russia, 184209, Apatity Murmansk region, Fersman St. 24А.
Рыженко Алексей Алексеевич
к.т.н., старший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН. Россия, 184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 24A. e-mail: ryzhenko@iimm.kolasc.net.ru
Alexey А. Ryzhenko
Ph.D. (Tech. Sci.), senior researcher, Institution of Russian Academy of Sciences, Institute for Informatics and Mathematical Modeling of Technological Processes, Kola Science Center оf RAS. Russia, 184209, Apatity Murmansk region, Fersman St. 24А.
Тихонов Дмитрий Евгеньевич
Студент. Кольскийо Филиал Петрозаводского Государственного Университета.
Россия. 184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Космонавтов, д. 3.
Dmitriy E. Tihonov
student. Kola Branch Petrozavodsk State University.
Russia, 184209, Apatity Murmansk region, Kosmonavtov St. 3.
