CC BY
33
8
ПРИКЛАДНАЯ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ОПТИКА
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ МНОГОКОНФИГУРАЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ЭТАПЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В.М. Домненко, О.А. Гаврилина, А.А. Шехонин
В статье рассматривается состав и структура информационной модели многоконфигурационной оптической системы. Модель реализуется в виде базы данных, в которой хранятся конструктивные параметры и другая информация, необходимая для моделирования. Структура базы данных является универсальной и пригодна для хранения информации об оптических системах различных типов.
Введение
Оптическая система как объект проектирования на различных этапах может быть представлена различными моделями. В частности, конструкционная модель оптической системы дает полное численное описание конструкции и состоит, как правило, из значений параметров оптических сред, параметров формы оптических поверхностей, параметров взаимного расположения поверхностей и параметров диафрагм. У большого класса оптических систем конструктивные параметры могут изменяться в процессе функционирования. Классическим примером подобного рода систем являются 20от-объективы, в которых изменение увеличения (фокусного расстояния) достигается варьированием по определенному закону одного или нескольких воздушных промежутков между оптическими компонентами. Оптические системы, для анализа работы которых требуется формирование нескольких вариантов конструкции, называются многоконфигурационными.
Одним из основных подходов, используемых для проектирования сложных составных изделий, является блочно-иерархический подход [1]. При таком подходе прибор рассматривается как блочно-иерархическая система связанных и взаимодействующих между собой частей. На этапе конструкционного проектирования (и на других этапах жизненного цикла) оптический прибор, как и любое изделие, легко представляется в виде блочно-иерархической структуры, которая реализуется в виде модели, управляемой РБМ-системой [2]. На этапе функционального проектирования имеют дело с моделью оптической системы, которая в общем случае не может адекватным образом быть представлена в виде блочно-иерархической структуры. Это связано с тем, что оптическая система может иметь переменные параметры и включать в себя виртуальные (физически не реализуемые) элементы. Поэтому необходима информационная модель оптической системы, которая будет использоваться именно на этапе функционального проектирования.
Кроме того, для эффективного коллективного использования информационной модели изделия необходимы следующие функции:
• реализация единого хранилища всей информации;
• управление версиями отдельных объектов и изделия в целом;
• синхронизация данных в процессе разработки;
• управление правами доступа к информации об изделии.
Эти, а также другие функции по управлению данными и их эффективному хранению обеспечиваются системами управления базами данных (СУБД) [3].
Таким образом, целью данной работы является разработка информационной модели оптической системы на этапе функционального проектирования и ее реализация с использованием технологий баз данных.
Объектно-ориентированная модель оптической системы
При моделировании и автоматизации проектирования различных изделий в настоящее время эффективно используется объектно-ориентированный подход [4]. Построение модели оптических систем в программах автоматизирующих функциональное проектирование также осуществляют на основе этого подхода [5].
Модель оптической системы можно условно разделить на 2 части: конструкционную и функциональную. Они, в свою очередь, являются основой для модели синтеза, оптимизационной модели и моделей для выполнения других проектных процедур. Конструкционная модель описывает оптические элементы, их взаимное расположение и оптические среды, которые составляют оптическую систему. Функциональная модель описывает процессы преобразования света оптическими элементами, а также позволяет вычислить характеристики и оценить качество изображения.
Object
Guide
N I Л
И V
Gu ide
N \ И
И \
Guide
N И
Node
Guide
G
Guide
К И
Image
0
2
3
4
5
Рис.1. Конструкционная модель оптической системы
Рассмотрим наиболее универсальную конструкционную модель оптической системы, в которой в качестве элементарного объекта выбран узел [6]. В этой модели (рис. 1) оптическая система представляет собой индексированную последовательность узлов (Node), соединенных направляющими (Guide). Узел описывает оптический элемент (обычно поверхность или другой преобразователь), а также его световые габариты. Направляющая описывает взаимное положение оптических элементов, а также оптическую среду между ними. Оптическая система в такой модели начинается с особого узла, который описывает предмет (Object) и имеет нулевой индекс. Заканчивается модель особым узлом, который описывает изображение (Image).
Объектно-ориентированная конструкционная модель оптической системы представлена на рис. 2 в виде UML-диаграммы [7]. В таком виде модель позволяет описать проектирование центрированных оптических систем. Работа с моделью начинается с формирования объекта OProject, который позволяет управлять конструкционными параметрами нескольких оптических систем, а также может содержать любую идентификационную информацию (название проекта, информацию об авторе и т.п.).
Конструкционная модель оптической системы реализуется объектом OSystem, который объединяет описание источника света (объект OSource), предмета (объект OOb-ject), изображения (OImage), ограничения световых пучков (объект OAperture). Объект OSystem управляет формированием оптической системы из узлов и организует их хранение в контейнере m_os.
При проектировании изображающих оптических систем обычно достаточно информации о спектральном диапазоне, в котором она работает. Поэтому объект OSource организует хранение и управление информацией о значениях длин волн (объект OWavelength). Одна из длин волн (обычно центральная) используется в качестве основной. Индекс, под которым она хранится в контейнере m_wavelength, помещается в переменную m_primary.
Для описания пространств предмета и изображения используется базовый объект OSpace, который описывает тип пространства (ближнее или дальнее), расстояние до предмета (или изображения) и его размеры. Объекты для описания предмета (объект
ООЬ]ес1;) и для описания изображения (объект О1ша§е), являются наследниками объекта ОБрасе.
Ограничение световых пучков описывается объектом ОАреГиге. В данной модели используется концепция апертурной диафрагмы [8], поэтому хранится индекс узла, который является апертурным, способ задания величины апертурной диафрагмы (передняя или задняя апертура, высота на диафрагме, дифрагменное число) и само значение величины апертурной диафрагмы.
OProject
-m_name : string -m_author : string -m_comment : string -m_system : container<OSystem> +OProject() +~OProjectO +...0
+InsertSystem(in index : int) : void +DeleteSystem(in index : int) : void +GetSystem(in index : int) : OSystem +Reset() : void
T
OSystem
-m_name : string
-m_source : OSource
-m_object : OObject
-m_image : OImage
-m_aperture : OAperture
-m_os : container<ONode>
+OSystem()
+~OSystem()
+...()
+InsertNode(in position : int) void
+DeleteNode(in position : int) : void
+GetNode(in position : int) : ONode&
+Reset() : void
о ф-
OAperture
m_node : int -m_type : aperture_type -m value : double
+OStopApertureO
+~OStopAperture()
+...()
+Reset() : void
ONode
-m_name : wstring -m_surface : OSurface -m_height : double -m_prior_guide : OGuide -m_next_guide : OGuide +ONode() +~ONode() +...()
+Reset() : void
OSpace
#m_type : bool #m_s : double #m_size : double +OSpace() +~OSpace() +...()
+Reset() : void
—:7i—
OObject
- +OObject() +~OObject() +...()
+Reset() : void
OImage
+OImage() +~OImage() ..()
+Reset() : void
OSource
-m_primary : int
-m_wavelength : container<OWavelength>
+OSource()
+~OSource()
+...()
+InsertWavelength(in number : int) : void
+DeleteWavelength(in number : int) : void
+GetWavelength(in index : int) : double
+Reset() : void
OGuide
--m_distance : double -m_medium : string +OGuide() +~OGuide() +...()
+Reset() : void
OSurface
—ZS-
OSurface2
-m_curvature : double -m eccentr2 : double
+OSurface2() +~OSurface20 +...() +Reset()
OWavelength
-m_value : double -m_weight : double
+OWavelength() +~OWavelength() +...() +Reset() : void
Рис. 2. Объектно-ориентированная конструкционная модель оптической системы
Объект ОКоёе описывает оптические элементы, которые в данной модели представляют собой оптические поверхности (объект ОБигГасе). Механизм наследования от базового объекта ОБиГасе позволяет описать различные поверхности (в частности, поверхность второго порядка описывается объектом ОБигГасе2). Для описания световых габаритов центрированной оптической системы достаточно одного параметра - световой высоты (переменная ш_Ье1§Ь1). Объект ООшёе описывает положение следующего
элемента относительно предыдущего. Для описания взаимного положения элементов в центрированных оптических системах достаточно одного параметра - осевого расстояния (переменная т_&81апсе). Также объект ООшёе хранит информацию об оптической среде (название среды или марку стекла) в переменной т_теёшт. Параметры среды при необходимости могут быть получены из каталога оптических сред [9].
В процессе проектирования требуется организовать хранение и управление информацией об оптической системе (информационную поддержку). Если функциональная модель воспроизводится при выполнении процедур анализа, синтеза и оптимизации, то конструкционная модель действительно должна сохраняться в информационном пространстве об изделии с возможностью последующего восстановления.
Информационная модель многоконфигурационной оптической системы
Информационная модель оптической системы на этапе функционального проектирования строится на основе технологий баз данных [3]. Основными элементами моделей являются сущности, связи между ними и их свойства (атрибуты).
На рис. 3 представлена информационная модель многоконфигурационной оптической системы на этапе функционального проектирования.
Рис.3. Информационная модель мноконфигурационной оптической системы на этапе функционального проектирования.
Разработка изделия осуществляется в рамках проекта, который составляют организационные мероприятия, проектные операции и процедуры, сопроводительная документация. В информационной модели проект реализуется сущностью Project, атрибутами которой являются:©никальный идентификационный номерпроекта (ID), имя проекта, информация об авторе, комментарии (пояснения,дополнительная информация), язык описания (кодировка), степень единиц измерениялинеййых величин (арибут Linear), степень единиц измерения обратных линейных величин (атрибут Inverse).
Сущность OSystem описывает оптическую систему. Атри.бут&мАЙвл"яются уникальный идентификационный номер оптической системы и идентификационный номер проекта, который указ^ваеП^Ё принадлежность оптической системы конкретному проекту. ^ LANGUAGE
Элементы оптической^системы описываются универсальной сущностью OUnit.
Она имеет следующие [»атриб^^1' собственный идентификационный номер, идентифи-
ои
РК ID
У-ч
кационный номер той оптической системы, в которую входит данный элемент, атрибут Type_Unit, поясняющий тип элемента (источник, предмет, узел и т.д.), а также атрибут Index_Unit, обозначающий порядковый номер элемента в системе при многократном повторении (при использовании один раз равен 0).
Сущность ValuePar связана с универсальным параметром (сущность OParameter). Идентификационные номера элементов и параметров устанавливают соответствующие связи между ними. Атрибут String_Value хранит значение параметра в строковом виде, Double_Value - в вещественном. Атрибут Index обозначает порядковый номер величины при использовании набора однотипных параметров. Атрибутами сущности OParam-eter являются также название этого параметра и его единицы измерения.
Возможные конфигурации оптической системы описываются сущностью OConfig. Ее арибутами являются: уникальный идентификационный номер конфигурации, имя конфигурации и уникальный идентификационный номер оптической системы, который указывает на оптическую систему, к которой относится данная конфигурация.
Структура конкретной конфигурации описывается сущностью OStruct. Атрибуты OStruct устанавливают взаимосязи между конфигурацией (ID_Config) и элементами оптической системы (ID_OUnit), входящих в данную конфигурацию.
Сущность OState, описывающая состояние конфигурации, имеет в качестве атрибутов собственный уникальный идентификационный номер и уникальный идентификационный номер конфигурации, который указывает на конфигурацию, к котороьй относится данное состояние.
Изменения в конфигурации описываются сущностью OVariable. Атрибут ID_State указывает, к какому состоянию конфигурации относится данное изменение, а атрибут ID_ValuePar устанавливает связь с конкретным значением измененного параметра.
Разработанная информационная модель является универсальной, то есть не зависит от типа и особенностей оптической системы, и расширяемой, что обеспечивает возможность добавления новых элементов и параметров в соответствующие сущности. Также следует отметить, что при реализации модели в СУБД таблица ValuePar будет иметь большие размеры, что существенно снизит скорость выполнения запросов. Эта проблема может быть решена оптимизацией самих запросов или разделением таблицы Value на несколько таблиц по типу параметров (параметры узлов, предмета, изображения и т. д.).
Заключение
На этапе функционального проектирования используется объектно-ориентированная модель оптической системы. Сложная структура взаимосвязей между объектами не позволяет представить ее в блочно-иерархическом виде. Разработанная информационная модель многоконфигурационной оптической системы позволяет сохранять и управлять параметрами с использованием СУБД. Модель является универсальной и расширяемой. Информационная модель оптической системы, реализованная в СУБД, может легко интегрироваться в единое информационное пространство оптического изделия.
Литература
1. Родионов С.А., Шехонин А.А. Методология проектирования оптических приборов. Учебное пособие. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 1996.
2. Дубова Н. Системы управления производственной информацией. // Открытые системы. 1996. №03.
3. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных. К.: Диалектика, 1998.
4. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. М: «Издательство Бином», СПб: «Невский диалект», 1998.
5. Домненко В.М., Шехонин А.А. Требования к структуре данных при автоматизации проектирования оптических систем. // Известия вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46. №3. С. 66-69.
6. Домненко В.М., Шехонин А.А. Объектно-ориентированная структура данных для хранения конструктивных параметров оптических систем в программах автоматизированного проектирования. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 11. Актуальные проблемы анализа и синтеза сложных технических систем. СПб: СПбГУ ИТМО, 2003. С. 66-72.
7. Фаулер М., Скотт К. ЦМЪ. Основы. / Пер. с англ. СПб: Символ-Плюс, 2002.
8. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.: Машиностроение, 1982.
9. Ширков Д. С. Новые возможности Интернет-каталога оптических материалов «ИаББВапк». / Труды третьей международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2003». СПб: СПбГУ ИТМО, 2003. С. 184.
