CC BY
24
12. Borradaile, G. The knapsack problem with neighbour constraints / G. Borradaile, B. Heeringa, G. Wilfong // Journal of Discrete Algorithms. - 2012. - vol.16. - pp. 224-235.
13.Demeulenaere, J. Compact-Table: Efficient Filtering Table Constraints with Reversible Sparse Bit-Sets / J. Demeulenaere, R. Hartert, C. Lecoutre, G. Perez, L. Perron, J. Regin, P. Schaus // Proc. International Conference on Principles and Practice of Constraint Programming, CP 2016. - 2016. - pp. 207-223.
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.8.11.007 УДК 004.5, 004.9
А.В. Трашкова1, А.В. Вицентий2
1 Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Мурманский арктический государственный университет» в г. Апатиты
2 Апатиты, Институт информатики и математического моделирования ФИЦ КНЦ РАН
ВЫБОР СПОСОБА РЕАЛИЗАЦИИ ТРЕНАЖЕРА-СИМУЛЯТОРА ДЛЯ СИСТЕМЫ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Аннотация
В работе рассматривается современное состояние разработок тренажеров-симуляторов для обеспечения профессиональной подготовки кадров в области горных работ. Приведена краткая характеристика наиболее распространённых типов тренажеров-симуляторов. Сделан выбор в пользу реализации VR-симулятора цифрового карьера. Кратко описано состояние разработки проекта системы трехмерного моделирования открытых горных работ «цифровой карьер» в настоящее время.
Ключевые слова:
система моделирования, симулятор, открытые горные работы, образование, цифровая модель рельефа, динамическая визуализация данных.
A.V. Trashkova1, A.V. Vicentiy2
1 Apatity, Murmansk Arctic State University
2 Apatity, Institute for Informatics and Mathematical Modelling, KSC RAS
CHOICE OF THE SIMULATOR IMPLEMENTATION METHOD FOR A THREE-DIMENSIONAL MODELING SYSTEM OF OPEN-PIT MINING OPERATIONS
Abstract
The paper discusses the current state of simulators development to provide professional training in mining. A brief description of the most common types of simulators is given. A choice has been made in favour of implementing a VR simulator for a digital career. A brief description of the current state of development of the project for a three-dimensional modeling system for open-pit mining operations is given.
Keywords:
modeling system, simulator, open-pit mining, education, digital elevation model, dynamic data visualization.
1. Введение
Симулятор является приближенной имитацией работы некоторого процесса или системы. В настоящее время симуляторы используются во многих сферах, таких как отработка техники безопасности, тестирование, обучение, видеоигры и так далее. Симуляторы могут быть использованы для демонстрации возможных последствий некоторой деятельности на потенциально опасных объектах с учетом альтернативных условий развития ситуации и различных внешних воздействиях.
Симуляторы также активно используются в тех случаях, когда реальная система не может быть задействована по тем или иным причинам, существует угроза причинения значительного материального ущерба, опасность развития аварии или неконтролируемых последствий, вследствие неквалифицированных управляющих воздействий на систему, а также в случаях, когда система находится на стадии разработки.
Кроме того, различные системы моделирования и симуляторы широко используются в образовательных целях. Они применяются, если работа за настоящим оборудованием является технически сложным и опасным процессом. Главное достоинство таких симуляторов связано с возможностью получения оператором ценного опыта и практических навыков в области безопасной работы с симулируемым объектом или системой в раках безопасной виртуальной среды. При этом, совершение оператором грубых ошибок во время обучения не повлечет за собой нарушения работы реальной системы и причинения материального ущерба. [1]
Недостатком подобных тренажеров и систем симуляции является, прежде всего, высокая стоимость оборудования, программного обеспечения, а также монтажа и настройки. Поэтому не каждое предприятие, и, тем более, учебное учреждение может позволить себе приобретение такого дорогостоящего симулятора для организации обучения и практической подготовки операторов и обучающихся.
В связи с этим в филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Мурманский арктический государственный университет» в г. Апатиты (филиал МАГУ в г. Апатиты) было принято решение о разработке собственного симулятора - системы моделирования карьера открытых горных работ (цифровой карьер). Моделирующая система предоставляет пользователю реалистичное визуальное отображение самого горного карьера, а также нескольких видов горнодобывающей техники. В частности, планируется реализовать в виде отдельных реалистичных моделей такие виды техника как:
• карьерный экскаватор;
• карьерный автосамосвал;
• бульдозер;
• погрузчик;
• несколько видов бурильных машин;
• и другие виды карьерной техники.
На данном этапе реализации системы моделирования цифровой карьер модели самого карьера, карьерного экскаватора и карьерного автосамосвала
находятся на завершающей стадии реализации. Однако, в связи с тем, что модели разрабатывались в разных трехмерных средах, возникла проблема их стыковки, масштабирования и взаимоувязывания их поведения. Для решения этой проблемы необходимо рассмотреть типовую структуру программно-аппаратной части подобных систем моделирования (симуляторов), а также наиболее распространённые виды и способы практической реализации симуляторов.
2. Структура программно-аппаратного комплекса системы моделирования (симулятора-тренажера)
Тренажеры-симуляторы (системы моделирования) обеспечивают профессиональную подготовку операторов, формирование и совершенствование навыков и умений, необходимых для управления материальным объектом. Функционально тренажеры-симуляторы подразделяются на
специализированные, комплексные и групповые.
Специализированный тренажер-симулятор предназначен для подготовки оператора к выполнению деятельности по определенной специальности.
Комплексный тренажер-симулятор предназначен для совместной подготовки нескольких операторов в полном объеме алгоритмов их деятельности, или одного оператора, деятельность которого осуществляется по нескольким специальностям.
Групповой тренажер-симулятор предназначен для одновременной подготовки операторов взаимосвязанных систем.
Тренажер-симулятор, как правило, предполагает наличие рабочего места инструктора. Инструктор задает сценарий тренировки, а также может управлять ходом тренировки и оценивать ее результаты. [2]
В общем случае тренажер представляет собой программно-аппаратный комплекс, имеющий структуру, представленную на рисунке 1.
Рис. 1. Общая структура программно-аппаратного комплекса тренажера [3]
Определим основные понятия, применяемые при анализе и разработке автоматизированных систем моделирования и тренажерно-обучающих комплексов (тренажеров).
Моделирующий компьютер. Моделирующий компьютер может быть представлен как простым персональным компьютером, так и сложным, многопроцессорным сверхсовременный компьютером, позволяющим выполнять обработку огромного количества информации в реальном времени, в том числе и с применением вычислений на видеокартах [4]. Компьютер моделирования связан с интерфейсом оператора через систему ввода-вывода. Интерфейс оператора может состоять как из панелей управления и контроля, так и видеотерминалов и распределенной системы управления, обслуживающей видеотерминалы. Хороший интерфейс должен обеспечивать динамическую визуализацию данных и включать в себя некоторые когнитивные функции для облегчения деятельности пользователя [5,6].
В большинстве случаев физические свойства интерфейса оператора точно или в максимально приближенной степени соответствуют конкретному моделируемому процессу.
Имитационная модель. Программные модели, используемые в имитационной среде компьютера, реалистично отображают взаимодействие компонентов и систем моделируемого процесса или системы. Это наиболее важная часть тренажерной системы. От степени приближенности имитационной модели к реальному объекту или системе, правильности реакций на то или иное воздействие, зависит качество получаемых оператором знаний, умений и навыков.
Интерфейс оператора. Интерфейс оператора позволяет обучающемуся манипулировать органами управления способом, приближенным или идентичным используемому в реальном процессе. Динамический отклик тренажера должен быть максимально приближен к отклику систем и компонентов реального объекта или системы.
Интерфейс инструктора. Интерфейс инструктора позволяет управлять работой тренажера, выбирать сценарий тренировки и начальное состояние имитируемого процесса или системы, вводить сбои моделируемого процесса или системы, их отдельных компонентов, либо изменять различные внешние факторы. Часть функций инструктора может автоматически выполнять и сама имитационная модель.
Дополнительное периферийное оборудование. Периферийное оборудование включает в себя мониторы, панели и органы управления идентичные реальным, аудиосистемы, принтеры, панели аварийной сигнализации и любое другое оборудование, необходимое для повышения реалистичности моделируемой окружающей обстановки или документирования процесса тренировки. [3]
3. Наиболее распространенные виды систем моделирования (симуляторов-тренажеров) для открытых и закрытых горных работ
В настоящее время широко распространены следующие виды тренажеров:
• Контейнерного типа;
• Стационарного типа;
• Симуляторы с применением технологий виртуальной реальности (VR-тренажеры).
Контейнерные тренажеры размещаются в стандартном шестиметровом контейнере, который имеет утепление, системы кондиционирования и отопления, а также защищен от проникновения пыли. Общий вид симулятора-тренажера контейнерного типа представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Тренажер контейнерного исполнения
Стационарные тренажеры размещаются, как правило, в отдельных учебных аудиториях, специально выделенных для этих целей помещениях, расположенных на предприятиях, учебных центрах, центрах профессиональной подготовки или университетах, где несколько групп обучающихся учебного заведения или операторов предприятия могут пройти обучение в комфортной и контролируемой учебной среде. Общий вид стационарного симулятора-тренажера представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Тренажер стационарного исполнения [7]
Для обеспечения эффективного процесса обучения, тренажеры контейнерного и стационарного исполнений, как правило, оснащаются следующим оборудованием:
• Система объемного 3D звука. В частности, на симуляторах горной техники требуется высокоточная 3D-направленная система обеспечения аудиоинформации для реалистичной передачи звуков, исходящих от различных подсистем и внешних источников, таких, например, как другое, работающее поблизости горное оборудование.
• Панорамный проецируемый дисплей. Для обеспечения имитации реального панорамного вида, часто используются несколько (три, четыре и более) высоко контрастных проецируемых дисплея, которые обеспечивают угол обзора на 270 или 360 градусов (панорамный) по горизонтали и около 70 градусов по вертикали, что вместе с 3D графикой последнего поколения позволяет погрузится в точно воспроизведенную, виртуальную трехмерную среду подземных или открытых горных работ.
• Сменная кабина тренажера. Сменная кабина тренажера устанавливается на подвижной платформе с шестью (для оборудования открытых горных работ) или тремя (для оборудования подземных работ) степенями свободы.
• Рабочее место инструктора. Рабочее место инструктора позволяет следить за деятельностью оператора и контролировать каждый аспект обучения в реальном времени на нескольких дисплеях высокого разрешения.
• Возможность удаленного просмотра. Симулятор-тренажер горной техники может транслировать процесс симуляции с пульта инструктора в аудиторию для обучения больших групп и для обзора и оценки проведенного обучения.[7]
Рис. 4. VR-тренажер [8]
При всех достоинствах симуляторов-тренажеров контейнерного и стационарного исполнения, они не обеспечивают полного погружения обучающегося в процесс симуляции. Этот недостаток отсутствует у тренажеров -симуляторов, выполненных с использованием средств и технологий виртуальной реальности. У^-тренажеры, в отличии от симуляторов первых двух типов, обеспечивают полное погружение обучающегося в виртуальную среду, в которой и происходит процесс обучения. Общий вид симулятора-тренажера
представлен на рисунке 4.
Суть технологии систем моделирования (УЯ тренажеров-симуляторов), построенных с использованием средств виртуальной реальности, состоит в построении интерактивного, изменяющегося трехмерного пространства, точно соответствующего реальному рабочему окружению. Для погружения в обучающую виртуальную среду, обучающийся надевает шлем (или другой комплект оборудования), виртуально перемещается по объекту моделирования и осуществляет взаимодействие с ним. [8]
Заключение
Исходя из вышеизложенного можно заключить, что системы моделирования (тренажеры-симуляторы) горнодобывающей отрасли являются сложными программно-аппаратными комплексами. Эти системы пользуются высоким спросом в горнодобывающей отрасли, так как такой вариант реализации обеспечивает максимальную эффективность подготовки специалистов. Контейнерные симуляторы в большей степени актуальны для крупных производств. Для небольших производств или учебных заведений подходят решения в виде стационарных симуляторов либо УR-тренажеров.
Преимуществами VR-тренажеров является их невысокая стоимость, компактность, возможность расположения практически в любом помещении. Реалистичная динамическая интерактивная виртуальная среда, обеспечиваемая таким типом тренажеров-симуляторов, и отсутствие отвлекающих факторов обеспечивают глубокое погружение обучающегося и усвоение материала на уровне зрительной памяти.
Рис. 5. 3D модели карьера, экскаватора и самосвала, созданные в рамках проекта цифровой карьер
В настоящее время в филиале МАГУ в г. Апатиты ведется разработка системы моделирования (тренажера-симулятора) для открытых горных работ, под названием «цифровой карьер». Данная система реализуется по принципам создания VR-тренажеров. На данный момент практически полностью созданы VR-модель карьера, VR-модель экскаватора и VR-модель самосвала (рис. 5). Все модели могут взаимодействовать друг с другом на уровне обособленных объектов. На данном этапе реализованы только самые элементарные взаимодействия. Эта часть системы моделирования является наиболее сложной и требует существенной доработки.
Литература
1. Banks J., Carson J., Nelson B., Nicol D. Discrete-Event System Simulation. - 5th ed. Prentice Hall. - 2010. - 622 p.
2. Тренажеры-симуляторы. Режим доступа: http://rpts.ru/ru/products/develop-ts.html
3. Трухин А.В. Анализ существующих в РФ тренажёрно-обучающих систем // Открытое и дистанционное образование. - Томск. 2008. № 1 (29). С. 32-39.
4. Рябов Д.В., Вицентий А.В. Анализ вычислительных возможностей GPU TESLA C2050 // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Апатиты: КНЦ РАН. 2013. С. 160-169.
5. Vicentiy A., Vicentiy I. The method of dynamic visualization of spatial data for cognitive interfaces of information systems supporting regional management // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM). 2019. pp. 667-672.
6. Вицентий А.В. Визуализация пространственных данных как подход к построению когнитивных интерфейсов мультипредметных информационных систем поддержки регионального управления // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». 2017. Том 9, № 5 (2017). Режим доступа: https://naukovedenie.ru/PDF/82TVN517.pdf
7. Симуляторы полного цикла работ. Режим доступа: http://www.thoroughtec.com/ru/cybermine симуляторы-полного-цикла-работ /#fixed_facility_option
8. Учебные симуляторы. Режим доступа: https://e-learn.sike.ru/news/kakoy-trenazher-vyibrat-dlya-vashego-predpriyatiya
