CC BY
19
УДК 519.67:621.77:629.018
СТРАТЕГИЯ И ПРАКТИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВИРТУАЛИЗАЦИИ В ИНЖЕНЕРИИ И ОБРАЗОВАНИИ
И.С. Лексутов Омский государственный университет путей сообщения
Предложен подход к организации обучения, обеспечивающий использование современных информационных технологий и средств автоматизации в инженерном образовании и науке, сочетающий в себе эффективность и экономию средств. Показана связь и взаимное влияние прогрессивных технологий, способы их применения в учебных и научных целях. Предложено стратегическое направление развития материальной базы учебных заведений, увеличивающее эффективность подготовки специалистов инженерных специальностей.
Ключевые слова: виртуализация, организация обучения, технологическая подготовка производства, численное моделирование.
Термин «виртуализация» используется сейчас в основном в области вычислительной техники. Он означает, что некий целостный реальный ресурс логически делится, либо объединяется в нечто новое, такое, что предстает для пользователя этого ресурса в целостном виде, при этом новая виртуальная сущность, воспринимаемая пользователем, обладает какими-то новыми свойствами, которых нет у оригинальных, реальных ресурсов. Если рассматривать это понятие в более широком контексте, то виртуальность может относиться к объектам, равно как и субъектам, категориям, отношениям, действиям и другому, то есть к тому, что сымитировано или сэмулировано при помощи других объектов, для тех или иных целей. Воздействуя на органы чувств человека, такая виртуальность имитирует фактически существующие объекты, неотличимые для реципиента-человека от оригинала, создающие образ объекта, которого не существует в реальности, или же того объекта, существование в реальности которого для целей виртуализации не имеет значения.
Особенно актуальна виртуализация при обучении. Она проявляется и в обучающих играх, и в учебных заданиях на проектирование технических объектов. Даже обыкновенный чертеж является виртуальным образом несуществующего объекта, который находится в проекте, или же образом реального
объекта, перенесенного в виртуальное пространство. Средства теоретического описания и моделирования также можно отнести к средствам виртуализации реальных объектов и процессов. В рассматриваемом контексте такие характеристики используемого объекта, как сымитированный, виртуальный, смоделированный, симулированный, эмулированный, являются синонимами.
Средства виртуализации позволяют уменьшить финансовые затраты во многих областях инженерного дела, обучения и коммерции. Использование современных методов имитационного моделирования предлагается для оптимизации бизнес-процессов крупных корпораций [1]. Симуляторы проникают и в другие области, где использование для обучения или исследования реальных технических объектов может быть связано с большими финансовыми затратами, с опасностью для жизни и здоровья окружающих людей, риском загрязнения окружающей среды.
Если говорить о широко используемых средствах виртуализации в инженерном деле и обучении, то уже давно применяется двухмерное и трехмерное моделирование в графических системах автоматизации проектирования (САПР). Если двухмерная графика является заменой для черчения на бумаге, то средства трехмерной графики используются при изучении возможных компоновок
проектируемого объекта, его структуры, возможностей сборки узла. Таким образом, при обучении возможно погружение в ту же виртуальную среду, которую использует специалист на производстве, решая реальные задачи посредством использования тех же автоматизированных методик и средств САПР.
К более продвинутым и современным средствам, которые во многом базируются на достижениях графических САПР, относятся средства виртуализации технологической подготовки производства. Технологическая подготовка производства как вид инженерной деятельности наиболее приближена к изучению явлений физического мира. Получить опыт такого рода при обучении без использования имитационных компьютерных систем возможно только на реальном производстве в ходе практики, что в современной ситуации связано с затруднениями. Однако при использовании систем имитационного моделирования становится возможным показать какой-либо технологический процесс как бы изнутри, при этом обучаемый может узнать методом виртуальных проб и ошибок способ воздействия тех или иных исходных параметров на конечный результат обработки детали либо другой результат производства. Обучаемый может самостоятельно провести исследование и сверить расчет, проведенный по упрощенным инженерным моделям, с той более сложной расчетной моделью, которая используется компьютером. Примером использования подобных технологий имитационного моделирования может служить применение численного метода конечных элементов (МКЭ) в сфере обработки металлов давлением (ОМД). Изучение реального прообраза многих технологических процессов ОМД в учебном заведении практически невозможно. Для этого нужны большие затраты времени, нужен доступ к значительным производственным площадям и мощному технологическому оборудованию, при этом производственный цикл должен быть остановлен на время проведения учебной демонстрации. Виртуальные же средства позволяют организовывать такие технологические цепочки, которые могут имитировать работу производственной линии или цеха.
Во многих случаях исследование реальных деталей, которые проектируются либо находятся в эксплуатации, затруднено, по-
этому для этих целей применяются методы численного и имитационного моделирования. Точность получаемых результатов позволяет заменить часть натурных исследований компьютерными. Для целей обучения важным обстоятельством при использовании этих методов является возможность визуализации таких теоретических абстракций, как напряжения, возникающие в деталях под нагрузкой, которые невозможно увидеть или как-то ощутить при натурном моделировании, а тем более при теоретическом проектировании.
Средства виртуализации давно применяются при создании разнообразных графических моделей и человеко-машинных интерфейсов, где они позволяют показать в развитии те скрытые процессы, которые реализуются в ходе работы технологического оборудования. Такие средства начинают внедряться в современное производственное оборудование. Показательным примером может служить серия стендов для испытаний и ремонта тормозного оборудования грузовых вагонов [2]. Стенды построены на основе доступных на рынке компонентов и модулей, среди которых промышленный котроллер и панель оператора. Эти современные компоненты позволяют не только реализовывать числовое программное управление (ЧПУ) работой стенда, но и эмулировать работу внутреннего оборудования стенда при помощи графических и вычислительных ресурсов контроллера. Такой подход используется во многих образцах современного оборудования. При этом для учебных целей можно не использовать весь комплекс технических средств целиком, вместе с его силовой частью и разнообразными исполнительными механизмами, оснасткой, а взять только вычислительную часть и средства человеко-машинного интерфейса, которые обычно доступны на рынке, со средствами их программирования.
Закупка реального оборудования для учебных целей экономически затратна, так как обычно такие устройства имеют большую надбавленную стоимость по сравнению с теми стандартными и массовыми компонентами, из которых они изготавливаются. Существует огромное разнообразие поставщиков реально использующихся на производстве машин, а при подготовке инженера изучение какой-то конкретной модели и получение навыков
работы на ней нецелесообразно, так как инженер должен понимать, как работает любое оборудование. Поэтому оптимальной стратегией для учебного заведения является закупка более дешевых компонентов, из которых на месте можно собрать учебный стенд или станок, имитирующий работу настоящего. Навыки построения и отладки работающих производственных систем из готовых компонентов в учебных целях имеют большую ценность для будущего инженера, чем знания и опыт работы оператором на конкретной модели оборудования.
Вообще вопрос использования современного производственного оборудования в учебных целях связан с экономической эффективностью такого решения. Даже если оборудование использовать по его прямому назначению - в производственных целях, то загрузить его на весь рабочий день в условиях учебного заведения невозможно. Кроме того, производственная деятельность не является для организации основной, так как продукт, который выпускают научные кадры, - это экспертиза, научно-исследовательская работа, проектирование нестандартного оборудования, внедрение и отладка прогрессивных технологий, обучение. Если обучаемому студенту требуется овладеть навыками написания управляющих программ, то достаточно иметь программный эмулятор и систему визуализации результата работы виртуального станка, осуществляемую при помощи обычного персонального компьютера. Эмулятор может дать гораздо больший набор навыков, так как в него можно загрузить множество моделей различных станков и изучить особенности работы каждого из них. Реальный же станок может исполнять только те функ-
ции, которые соответствуют его аппаратной части.
Однако не всегда можно обойтись только учебным программным обеспечением. Необходимо познакомить студента и с аппаратурой, механизмами, датчиками, которые устанавливаются в реальные машины и станки. В последние десятилетия мировая автоматизированная техника развилась настолько, что одни и те же промышленные модули, стандарты и методы автоматизации применяются не только в производственном оборудовании, но и в системах современных машин и транспортных средств. Современный подход к проектированию машин сегодня - это широкая автоматизация, открытость, модульность и гибкость предлагаемых решений. Поэтому и лаборатории учебных заведений могут строиться из стандартных компонентов и модулей открытых систем, доступных на рынке. Такие компоненты могут быть использованы многократно и во всевозможных комбинациях при построении разнообразных опытных установок или же широкого круга научных целей. При этом набор компонентов должен быть максимально разнообразным и включать в себя хотя бы один образец из серии или вида приборов или механизмов для использования в исследовательских и учебных целях.
Таким образом, из вышесказанного следует, что при подготовке инженеров необходимо использование средств виртуализации и численного моделирования. Это является ключевым условием организации эффективного учебного процесса, который дает необходимый практический опыт, знания и навыки в условиях финансовых и других ограничений, с которыми сталкиваются учебные заведения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Стратегия инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года (Белая книга ОАО «РЖД») [Текст] / ОАО «РЖД», утверждена 26.10.2010.
2. Цеховой комплекс испытаний и контроля тормозного оборудования грузовых вагонов на участке автоконтрольного пункта [Электронный ресурс]: URL: http://www.zavod.su (дата обращения: 23.05.2014).
Статья поступила в редакцию 4 июня 2014 г.
Лексутов Илья Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство Омского государственного университета путей сообщения Leksutov@mail.ru
© И.С. Лексутов, 2014
