Система автоматизированного проектирования (САПР) предназначена для изучения методов и технологий геометрического моделирования и графических библиотек в задачах разработки и развертывания программного комплекса для объектно-ориентированного проектирования промышленной зоны (цеха, участка, линии) на основе цифровой информационной модели (ЦИМ) с учетом технико-эксплуатационных требований и технического регламента, обеспечивающих безопасность производства и работоспособность оборудования.
Актуальность
Проектирование современного потеннциально-опасного производства основано на сложных конкурентных многофакторных ограничениях, накладываемых требованиями к ресурсопотреблению и безопасности промышленного оборудования, к эргономике и безопасности рабочих мест управленческо-производственного персонала. Обзор рынка программных средств свидетельствует об отсутствии решения с открытым исходных кодом для изучения, разработки и развертывания интегрированной системы автоматизированного проектирования промышленного объекта в диалоговом режиме и 3D-конструкторе.
Практическая значимость
Клиент-серверная архитектура, эргономика графического интерфейса, учет технических, эксплуатационных, экономических ограничений при проектировании промышленного объекта, а также, пространственных требований (к взаимному расположению отдельных компонентов промышленного объекта), поддержка 3D-моделей элементов промышленного объекта в формате среды разработки 3D Studio Max. Наличие инструментов позиционирования и автоматической верификации позиционирования элементов позволяют быстрое построение цифровой модели промышленного объекта с подготовкой спецификации по нему.
Научная новизна
Использование гибких правил и алгоритмов формирования ограничений и требований к составу и параметрам элементов промышленного объекта. Применение комплексной математической модели для верификации объекта по технико-эксплуатационному регламенту при определении состава компонентов промышленного объекта и их позиционировании в пространстве рабочей зоны. Создание структуры знаний в форме пороговых значений регламентов для их включения в технико-эксплуатационные и пространственные ограничения.
Формализованное описание процесса проектирования ЦИМ
САПР RhinoCAD RUS является средой разработки цифровой информационной модели (ЦИМ) промышленного объекта (рабочей зоны, реакторного участка и т.д.). Процесс разработки ЦИМ начинается с изучения чертежей оборудования и помещения D, заполнения базы данных с формированием паспорта помещения H и перечня технико-эксплуатационных параметров включаемого в данное помещение компонентов E={e1,e2,e3,...,eN} (промышленное оборудование, КИПиА, осветительные приборы, системы вентиляции, мебель, компьютерная техника и т.д.). Определяется набор действующих стандартов G, на основе которых будет выполняться построение системы ограничений и верификация промышленного объекта по ним.
Технико-эксплуатационный регламент U включает первичные требования - правила сравнения параметров компонуемого помещения с параметрами размещаемого в нем оборудования R1 и правила взаимного расположения компонентов R2. Отдельное правило, входящее в R1 может отражать синглетное (одиночное) ограничение, верифицируемое на основе простого сравнения значений одноименных параметров оборудования и помещения, например, напряжение сети или интегральное ограничение, верифицируемое на основе сравнения суммы значений одноименных параметров компонентов с одноименным параметром помещения, например, электрическая мощность. Возможные правила сравнения: >, <, >=, <=. Вторичные требования - правила взаимного расположения компонентов R2 задаются матрицей расстояний, в которой строки и колонки обозначены системными идентификаторами (алиасами) размещаемых компонентов и алиасом помещения. Выше главной диагонали элемент матрицы обозначает максимальное расстояние между компонентами на пересечении, Ниже главной диагонали элемент матрицы обозначает минимальное расстояние между компонентами или компонентом и стенами помещения. Если правило взаимного расположения компонентов не определено, элемент матрицы на пересечении алиасов данных компонентов или алиаса компонента и алиаса помещения отсутствует.
Y - готовая цифровая информационная модель промышленного объекта, включающая геометрическую управляемую 3D-модель HR и спецификацию SL.
Функциональная архитектура RhinoCAD RUS
Функциональная архитектура системы автоматизированного проектирования промышленных объектов изображена на рисунке ниже.
САПР промышленных объектов является многопользовательским программным продуктом, построенным на клиент-серверной архитектуре. Главные роли в системе - Администратор БД, Инженер по знаниям и Проектировщик. Для доступа к функционалу системы предусмотрен Модуль авторизации, в котором пользователь вводит логин и пароль. Администратор имеет доступ к Модулю управления учетными записями пользователей, а также, к основным справочникам - Помещения и Технологическое оборудование. Инженер по знаниям формирует базу знаний и базу правил. Проектировщику доступна база правил, он устанавливает первичные требования к промышленному объекту при добавлении или редактирования данных помещения. В диалоговом режиме Проектировщик добавляет оборудование в помещение. Одновременно с этим, Модуль верификации требований R1 разрешает операцию добавления оборудования в помещение или формирует сообщение о несоблюдении регламента.
После добавления всех компонентов в помещение Проектировщик в соответствующем модуле задает Вторичные требования R2 и переходит к визуальному 3D-конструктору реакторного участка - отдельному приложению. После авторизации Проектировщику доступен Модуль формирования матрицы пространственных ограничений, через который можно посмотреть и изменить ограничения на взаимное расположение компонентов помещения. Визуальное 3D-окружение с инструментами позиционирования объектов позволяет разместить в 3D-модели помещения его компоненты. Модуль верификации вторичных требований в режиме реального времени в матрице пространственных ограничений показывает соблюдение требования (зеленая ячейка) и несоблюдение требования (красная ячейка).
Графические интерфейсы RhinoCAD RUS
Модули авторизации
Используется для контроля и управления доступом к функционалу системы автоматизированного проектирования. Так как САПР представляет собой два приложения: «RhinoDB» для сборки и компоновки промышленного объекта и «RhinoViewer» для расстановки компонентов помещения, модуль авторизации у каждого приложения свой.
Справочники
Пользовательский интерфейс «RhinoDB» разделен на вкладки. На каждой вкладке размещены инструменты для управления соответствующими данными. В системе предусмотрено четыре справочника: Учетные записи пользователей, Помещения, Оборудование и Характеристики. Для каждого справочника предусмотрена форма списка и форма элемента.
Компоновка помещения
Интерфейс компоновки помещения включает четыре вкладки: Формирование характеристик помещения, Формирование характеристик оборудования, Выбор оборудования и Формирование матрицы пространственных ограничений. Для помещения формируется перечень характеристик с указанием для каждой ее значения и типа. Для оборудования указывается только значение характеристики.
Визуальный 3D-конструктор
Перед размещением ранее добавленных в помещение компонентов требуется выбрать из справочника проектируемое помещение:
Перечень характеристик выбранного помещения сведен в таблицу. В таблице указаны не только наименование, значение и единица измерения характеристики, но и правило ее сравнения с одноименными характеристиками оборудования:
Перечень оборудования, размещаемого в помещении, является частью спецификации на промышленный объект. При выборе оборудования из списка можно увидеть перечень его характеристик в табличном виде:
Матрица пространственных ограничений включает алиасы оборудования и алиас помещения. На пересечение алиасов выше главной диагонали в ячейке таблицы указано целое положительное число - максимальное расстояние, см между компонентами или компонентом и стеной помещения. На пересечение алиасов ниже главной диагонали в ячейке таблицы указано целое положительное число - минимальное расстояние, см между компонентами или компонентом и стеной помещения.
Структура базы знаний (БЗ) позволяет строить поисковый образ документа (ПОД) в полуавтоматическом режиме в виде текста с извлечением из него семантических конструкций (определений, условных обозначений, предписаний и т.д.), составляющих предметный указатель. Оригинал документа в формате PDF сопровождает ПОД и может быть извлечен из БЗ, открыт для просмотра и печати. Древовидная структура знаний включает корневой уровень – вид документа (ГОСТ, СНИП, Приказ, Положение и т.д.). Второй уровень – номер и наименование документа (например, ГОСТ Р 55710-2013 Освещение рабочих мест). Третий и ниже уровни могут быть структурированы по разделам, главам, пунктам соответствующего документа. При этом количество уровней иерархии не ограничено. Тезаурус БЗ выполнен в виде технического словаря с использованием хеш-тегов с привязкой к фрагментам текста документа дескрипторами. Такой подход ускоряет поиск требуемого фрагмента документа по его ПОД, структурирует знания, стандартизует переход от знаний к частным проектным правилам R1 и R2.
Рабочий интерфейс 3D-конструктора включает перечень размещаемого в помещении оборудования (слева), интерактивный 3D-конструктор (по центру), верхнюю панель инструментов для управления визуализацией и нижнюю информационную панель для отображения сведений о захваченных объектах, текущих координатах каждого из них, расстоянии между ними и текущем режиме позиционирования (смещение по оси X, Y или Z):
Для удобства позиционирования и изучения внутреннего строения оборудования предусмотрен режим отображения выбранного компонента в виде полигонов:
Система автоматизированного проектирования прошла аппробацию на данных реакторного участка синтеза углеродных нанокластерных структур. На данный момент программный комплекс имеет следующие ограничения:
- трудности с трассировкой инженерных коммуникаций, например, трубопроводов, электропроводки;
- расстояние между объектами рассчитывается средним от геометрического центра, т.к. встроенные возможности используемой библиотеки для рендеринга 3D-графики «GLScene» не позволяют в режиме реального времени при перемещении объектов пересчитывать расстояние между ними и требуют оптимизации;
- не реализована функция проверки коллизий между объектами 3D-окружения. Встроенная в графический движок функция проверки коллизий также вызывает «просадку» частоты кадров на больших моделях и требует оптимизации.
Для инсталляции RhinoCAD RUS требуется сервер БД с установленной системой управления базами данных MySQL версии не ниже 5.x или MariaDB версии не ниже 8.x, локальная вычислительная сеть с пропускной способностью не менее 10 Мбит/с, АРМ Администратора БД и Проектировщика должно быть оснащено ЭВМ: тактовая частота ЦПУ не менее 1 ГГц, объем ОЗУ не менее 2 ГБ, дисплей разрешением не менее 1024x768 пикс., клавиатура, мышь, операционная система Microsoft Windows 7 Pro или выше, .NET Framework 4.5.x или выше.
