CC BY
58
также возможностью оценивать временные характеристики выполнения учебных заданий.
Очевидно, что временные характеристики можно оценивать тогда, когда есть возможность сравнить их с нормативными (или назначенными).
Литература
1. Эргономика; [под ред. В.П. Зинченко]. М.: Сов. радио, 1974. 352 с.
2. Губинский А.И. Надежность и качество функционирования эргатических систем. Л.: Наука, 1982. 270 с.
3. Кобзев В.В., Лямкин А.Д., Позняк В.К., Шилов Д.К. Автоматизированный контроль работы оператора в комплекс-
ной обучающей системе // Морской вестн. 2013. № 1 (45). С. 66-68.
References
1. Zinchenko V.P. Ergonomika [Ergonomics]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1974, 352 p. (in Russ.).
2. Gubinskiy A.I. Nadyozhnost i kachestvo funktsionirova-niya ergaticheskikh system [Quality and reliability of ergatic systems functioning]. Leningrad, Nauka Publ., 1982, 270 p. (in Russ.).
3. Kobzev V.V., Lyamkin A.D., Poznyak V.K., Shilov D.K. Avtomatizirovanny control raboty operatora v kompleksnoy obu-chayushchey sisteme [Automated control of the operator in an integrated learning system]. Morskoy vestn. [Maritime Bulletin], 2013, no. 1 (45), pp. 66-68.
УДК 608.4
СПОСОБ ТРЕХМЕРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000
В.В. Левщанов, к.т.н., старший научный сотрудник; Д. С. Лавыгин, младший научный сотрудник (Ульяновский государственный университет, ул. Льва Толстого, 42, г. Ульяновск, 432017, Россия, master_v@nbox.ru, vdm_adm@m-ail.ru)
Рассматриваются вопросы, касающиеся способов трехмерного отображения эксплуатационных и геометрических характеристик тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок реакторов типа ВВЭР-1000, реализованных в авторском программном продукте Fuel Elements Data System. Предложены современные подходы к написанию приложения, обладающего полноценным графическим пользовательским интерфейсом и реализующего функционал клиента системы управления базами данных Firebird, на основе программных открытых библиотек Nokia Qt, QwtPlot и GLC_lib. Таким образом, использование данных средств позволило реализовать ряд новых функциональных возможностей при построении графиков, в числе которых удобное масштабирование графиков распределения величин и автоматическое задание пределов на координатных осях. В качестве основного инструмента при проектировании интерфейса окон визуализатора применялась программная библиотека GLC_lib, что позволило обеспечить широкие функциональные возможности, связанные с отображением сборки тепловыделяющих элементов, включающие в себя возможности управления положением камеры трехмерной сцены, освещением, наложением текстур и цвета, выбор произвольного объекта сцены с помощью курсора. Применение данной программной библиотеки в составе Nokia Qt SDK, включающей в себя программную среду разработки Nokia Qt Creator, позволило снабдить создаваемый программный продукт рядом дополнительных функциональных возможностей. Особое внимание уделено проблемам представления и цветового кодирования извлекаемой из БД информации.
Ключевые слова: визуализатор, топливные элементы, программные библиотеки, трехмерное отображение, opengl, qt, glclib, qwtplot.
THREE-DIMENSIONAL IMAGING METHOD FOR THE PARAMETERS OF FUEL ELEMENTS OF VVER-1000 REACTORS Levshchanov V. V., Ph.D. Tech. Sc., senior researcher; Lavygin D.S., junior researcher (Ulyanovsk State University, Lva Tolstova St., 42, Ulyanovsk, 432017, Russian Federation, master_v@inbox. ru, vdm_adm@mail. ru) Abstract. The article considers the issues of 3D graphical representation of operational and geometric characteristics of fuel elements and fuel assemblies of VVER-1000, which are implemented in Fuel Elements Data System software. The paper proposes modern approaches to writing an application with a graphical user interface, which implements the Firebird database client, based on open software libraries such as Nokia Qt, QwtPlot and GLC_lib. Thus, using these tools allows creating a number of new features in charts constructing, including: easy chart scaling and automatic setting the limits on the coordinate axes. The main tool in the design of the visualizer window interface was GLC_lib software library. It provided features for the displaying assembly of fuel elements, including the functions to control the position of the three-dimensional scene camera, lighting, texturing and color. Any object in the scene can be selected by a cursor. This software library within Nokia Qt SDK which includes Nokia Qt Creator software environment, provides additional functional features for developing software product.Special attention is paid to problems of representation information extracted from the database. Keywords: visualizer, fuel elements, software libraries, three-dimensional scenes, opengl, qt, glc_lib, qwtplot.
Использование в исследовательских целях ядерных реакторов типа ВВЭР-1000 сопряжено с накоплением большого количества информации о контролируемых параметрах тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и их сборок. Эта информация составляет основу пополняемой БД, размер которой может быть достаточно большим (0,5 Гб и более), что существенно усложняет ее анализ. Стандартные инструменты для обслуживания и управления БД имеют ограниченные возможности представления накопленной информации, предоставляя лишь табличную форму результатов выборки, тем самым вынуждая исследователя прибегать к помощи стороннего ПО.
Большинство существующих программных решений направлены на исследование прочностных и технологических показателей работы топливных элементов, а также инженерного анализа режимов работы ТВЭЛов реактора ВВЭР, необходимых при техническом проектировании. В качестве примера можно привести работу [1], в которой описываются результаты моделирования эксплуатационных и технологических параметров топливных элементов в программной среде MSC.MARC 2005 R2. Данное программное средство обеспечивает возможность решения связанных (fully coupled) высоконелинейных задач, исследующих термомеханическое поведение конструкции с учетом автоматического контактного взаимодействия неограниченного числа тел с изменяющимися свойствами без каких-либо упрощений геометрических форм, однако постпроцессор MARC 2005 позволяет визуализировать только результаты собственного конечно-элементного решения без возможности работы со сторонней БД послереакторных исследований.
Современные возможности компьютерной графики сделали реальностью создание среды трехмерного представления данных, имеющей ряд неоспоримых преимуществ перед двухмерным или табличным представлением, что послужило толчком к разработке соответствующих программных инструментов.
Таким образом, создание программного продукта для работы с БД послереакторных исследований - актуальная научная задача.
Цель данной работы - разработка специализированного программного продукта, позволяющего визуализировать основные контролируемые параметры ТВЭЛов реакторов типа ВВЭР-1000.
Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:
- выбор необходимых программных инструментов для реализации механизмов визуализации и построения интерфейса программы;
- создание программного интерфейса с помощью выбранных инструментов;
- создание основных программных модулей, обеспечивающих функционирование программно-
го продукта, включая инструменты для взаимодействия с системой управления БД;
- разработка подпрограмм, осуществляющих связь программных модулей между собой;
- выполнение программы тестирования.
Рассмотрим один из способов трехмерной визуализации основных контролируемых параметров ТВЭЛов реакторов типа ВВЭР-1000, реализованных в рамках авторского программного продукта Fuel Elements Data System (см. табл.).
Способы отображения и перечень контролируемых параметров ТВЭЛов в программе Fuel Elements Data System
Геометрическая Цветовая ви- Представление
визуализация зуализация в виде графиков
Линейная мощность Линейная мощность (по длине ТВЭЛа)
Обогащение Дефектоскопия
Удлинение Зазор топливо-оболочка
Выгорание
Усилие извлечения
Расстояние от ТВЭЛов до плиты
головки
Диаметр
Овальность
Толщина оксидной пленки
Пользовательский параметр (по запросу)
При создании этой программы основной задачей было решение проблемы удаленного соединения с сервером системы управления БД Firebird [2] с целью эффективной выборки данных с последующей визуализацией результатов. При создании программной среды использовались открытые кроссплатформенные программные библиотеки Nokia Qt [3], QwtPlot [4] и GLC_lib [5], что позволило реализовать ряд новых функциональных возможностей при построении графиков, в частности, удобное масштабирование представленных графиков распределения величин и автоматическое задание пределов на координатных осях. В качестве основного инструмента при проектировании интерфейса окон визуализатора применялась программная библиотека GLC_lib. В результате появились широкие функциональные возможности, связанные с отображением сборки тепловыделяющих элементов, такие как управление положением камеры трехмерной сцены, освещением, наложением текстур и цвета, выбор произвольного объекта сцены с помощью курсора. Применение программной библиотеки в составе Nokia Qt SDK, включающей в себя программную среду разработки Nokia Qt Creator, дало возможность создаваемому программному продукту выполнять определенные функции, в числе которых
- плавающий/стыкующийся оконный интерфейс, позволяющий организовать рабочее пространство окна программы индивидуально для
каждого пользователя или текущего набора контролируемых параметров;
- удаленное соединение с системой управления БД с помощью встроенного драйвера для Firebird;
- сборка исполняемого файла программного продукта, включая сопутствующие библиотеки, под управлением различных операционных систем (Microsoft Windows, Linux и Unix-подобных, Mac OS X);
- автоматическое масштабирование интерфейса окон в зависимости от параметров экрана, используемых шрифтовых гарнитур и размеров;
- обеспечение функционирования программных библиотек QwtPlot и GLC_lib.
Часть контролируемых параметров, таких как линейная мощность по длине ТВЭЛа, дефектоскопия и зазор топливо-оболочка, были представлены только в форме графиков [4]. Это связано прежде всего с тем, что данные представления требуют одновременной визуализации двух и более наборов параметров (две и более кривых на графике), поэтому трехмерная визуализация такого рода данных нецелесообразна по причине информационной перегруженности модели. Следует отметить, что диаметр, овальность и толщина оксидной пленки являются величинами, распределенными по длине каждого топливного элемента, следовательно, градация и плотность цвета индивидуальны на каждую единицу поверхности отображаемой модели ТВЭЛа.
На рисунке 1 показано окно интерфейса программы Fuel Elements Data System, отображающее упрощенную трехмерную модель ТВС № 91800 реактора ВВЭР-1000. Визуализируемым параметром является набор данных, характеризующий среднюю линейную мощность ТВЭЛов в 15 компаниях при нулевом параметре эффективного времени. Величина средней линейной мощности
определяется в соответствии с оценочной шкалой, размещенной в левой верхней части окна. В левой части окна расположены элементы управления визуализацией параметров, позволяющие задавать способ отображения выбранных данных. В этом примере в качестве параметра, характеризующего относительную высоту топливных элементов, используется величина относительного удлинения. Такой подход связан прежде всего с тем, что реальное отклонение эксплуатационных параметров от средних значений невелико и их отображение в истинном масштабе сделало бы наблюдение и контроль затруднительными. По этой же причине длина визуализируемых стержней значительно отличается от реальных размеров и сопоставима с диаметром ТВЭЛов.
При необходимости может быть осуществлена выборка конкретного ТВЭЛа с вызовом контекстного меню, содержащего список доступных программных инструментов получения дополнительной информации в виде графиков, либо временного сокрытия элемента.
На рисунке 2 показано окно интерфейса программы, отображающее результат одновременной выборки нескольких элементов сборки, расположенных в ее разных частях. В этом случае цветовая маркировка наносится на трехмерные модели ТВЭЛов в виде предварительно рассчитанных текстур, холодный синий цвет которых соответствует наименьшему значению диаметра топливного элемента, а ярко-красный - наибольшему. На этом примере трехмерная визуализация позволяет не только наглядно охарактеризовать величину изменения диаметров выбранных элементов в процессе эксплуатации, но и получить ее качественную и количественную оценки в зависимости от расположения элементов в сборке.
С помощью элемента интерфейса Fuel Elements, расположенного в левой части окна (рис. 2), можно скрывать часть элементов из рассмотрения с целью уменьшения информационной нагружен-ности сцены. Кнопки All, None и Invert выполняют функции задания полной, пустой и инвертированной выборки соответственно. В нижней части окна (рис. 2) расположены графики, дополняющие результат трехмерной визуализации и предназначенные для уточненного отображения изменения диаметра, овальности и линейной мощности выбранного топливного элемента. Следует отметить, что перечень контролируемых параметров, методы отображения и форма представления содержащейся в БД информации могут быть расширены пользователем, владеющим программным языком запросов SQL [2].
На завершающем этапе создания программного продукта осуществлялось его тестирование с применением образца БД, предоставленной Государственным научным центром - НИИ атомных реакторов (г. Димитровград), специалисты кото-
Рис. 1. Окно интерфейса, отображающее параметры
линейной мощности и удлинения упрощенной трехмерной модели ТВС № 91800реактора ВВЭР-1000
Рис. 2. Окно интерфейса, отображающее выборку топливных элементов из базы с визуализацией величины их диаметра с помощью цветового кодирования и представления в виде графиков
рого дали положительную оценку проведенной работе и сформулировали ряд конструктивных предложений по дальнейшему совершенствованию программы.
Несмотря на достижение поставленных целей и задач, в процессе работы над программным продуктом за рамками проекта осталось значительное количество неразрешенных проблем, порождаемых функциональными ограничениями используемых программных инструментов. Одна из главных - трудность в реализации механизма указателя положения текущего значения величины по длине стержня, а также возможность нумерации и наложения сопроводительной текстовой информации на элементы трехмерной сцены. Авторы надеются, что эти и другие функциональные ограничения будут преодолены в последующих версиях программы, однако считают, что предложенный подход к решению задачи трехмерной визуализации основных контролируемых параметров топливных элементов является наиболее эффективным и позволяет значительно повысить удобство работы с БД, снизить количество случайных ошибок оператора и получить наглядное представление содержащейся в ней информации. Программа является самостоятельным продуктом, для эффективной работы которого требуются рабочие станции, оснащенные ускорителями трехмерной
графики, что в настоящее время не является сдерживающим фактором.
Литература
1. Кузнецов А.В., Каширин Б.А., Медведев А.В., Новиков В.В. Опыт моделирования поведения элементов конструкции ТВЭЛов ВВЭР в среде MSC.MARC 2005 R2. М.: Изд-во ВНИИНМ, 2007.
2. Борри Х. Firebird: руководство разработчика баз данных. СПб: БХВ-Петербург, 2007. 1104 с.
3. Бланшет Ж., Саммерфилд М. Qt 4: Программирование GUI на C++. М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2008. 736 с.
4. Qwt User's Guide: Qwt - Qt Widgets for Technical Applications. URL: http://qwt.sourceforge.net/ (дата обращения: 26.07.2012).
5. GLC_lib Home. URL: http://www.glc-lib.net/index.php (дата обращения: 26.07.2012).
References
1. Kuznetsov A.V., Kashirin B.A., Medvedev A.V., Novi-kov V.V. Opyt modelirovaniya povedeniya elementov konstruktsii TVELov VVER v srede MSC.MARC 2005 R2 [An experience in modeling behaviour of fuel elements of pressurized-water reactor in MSC.MARC 2005 R2]. Moscow, VNIINM Publ., 2007.
2. Borrie H. The Firebird Book. А Reference for Database Developers. Apress, 2004, 1128 pp.
3. Blanchette J., Summerfield M. C++ GUI Programming with Qt 4. Prentice Hall Publ., 2nd ed., 2008, 752 p.
4. Qwt User's Guide: Qwt — Qt Widgets for Technical Applications. Available at: http://qwt.sourceforge.net/ (accessed 26 July 2012).
5. GLC_lib Home. Available at: http://www.glc-lib.net/index.php (accessed 26 July 2012).
