Аннотация результатов работ, выполненных в соответствии с... №14.740.11.0961 от 5 мая 2011 на выполнение поисковых научно-исследовательских

Аннотация
результатов работ, выполненных в соответствии с Государственным контрактом
№14.740.11.0961 от 5 мая 2011 на выполнение поисковых научно-исследовательских
работ для государственных нужд
В рамках государственного контракта выполнялись следующие ПНИР:
1. Исследование способов представления структуры технических объектов и
их реализация в виртуальных моделях.
2. Исследование и разработка информационно-логических моделей с целью
использования их в виртуальных моделях технических объектов.
3. Методы и алгоритмы автоматизированного выбора основного технологического оборудования при разработке виртуальных моделей технических объектов.
4. Разработка методов и алгоритмов виртуального моделирования элементов
технологического оборудования на примере механического перемешивающего
устройства вертикального емкостного аппарата.
5. Разработка методов и алгоритмов виртуального моделирования элементов
технических объектов с использованием метода конечных элементов.
6. Разработка и исследование виртуальных моделей цеха на основе аналитических и процедурных моделей компоновки промышленных объектов.
7. Разработка подсистемы автоматизированного выбора, размещения и визуализации трубопроводной арматуры технических объектов химических производств.
8. Развитие методики создания виртуальных моделей технических объектов с
использованием систем моделирования динамических процессов.
9. Разработка виртуальных тренажерных комплексов для обучения и тренинга
персонала химических и машиностроительных производств.
10. Развитие методики создания виртуальных моделей пространственно распределенных технических объектов с использованием технологии геоинформационных систем.
11. Применение высокопроизводительных параллельных вычислений при моделировании химико-технологических систем.
Исследование способов представления структуры технических объектов
и их реализация в виртуальных моделях. Выполненный литературный обзор по
проблеме представления структуры технических систем графами показал, что в литературных источниках отсутствует описание представления гиперграфовых структур в реляционныx базах данных с учетом ограничений на вершины и ребра гиперграфа.
Разработана структура базы данных (таблицы, ключи, ограничения, хранимые
процедуры) для представления графов и гиперграфов. Разработаны способы конвертации графовой структуры объектов в реляционную базу данных с обеспечением
ссылочной и доменной целостности. Разработаны способы представления спецификаций изделий в реляционной базе данных, включая спецификации с взаимозаменяемыми элементами (деталями, сборочными единицами), предназначенные для создания их виртуальных моделей.
Исследование и разработка информационно-логических моделей с целью
использования их в виртуальных моделях технических объектов. Выполненный
литературный обзор показал, что в настоящее время основой создания информационных систем проектирования технических объектов являются информационнологические модели, которые описывают проектируемый объект на разных уровнях
абстрагирования и могут быть использованы в виртуальных моделях.
Разработана структура информационно-логической модели (ИЛМ) технического объекта, которая включает в себя: реестр элементов, модель структурного
синтеза, модель параметрического синтеза, модель позиционирования элементов в
пространстве. Разработана технология создания ИЛМ и способы ее представления в
виртуальных моделях.
Методы и алгоритмы автоматизированного выбора основного технологического оборудования при разработке виртуальных моделей технических
объектов. Выполненный литературный обзор по методам выбора основного оборудования технических систем с изменяемым ассортиментом продукции, показал, что
в настоящее время недостаточно проработан выбор технологического оборудования
с учетом показателей надежности его работы.
Выведены математические соотношения, характеризующие режим функционирования технической системы, а также пригодность типовых машин и аппаратов
для реализации стадий выпуска продукции. Разработаны: функциональные диаграммы алгоритма решения задачи выбора основного технологического оборудования; методы и алгоритмы прогнозирования показателей надежности функционирования технических систем многоассортиментных химических производств. Подтверждена эффективность разработанного алгоритма путем решения задач выбора
основного технологического оборудования для существующих производств. Представлены результаты выбора аппаратурного оформления для технических систем
производства дисперсных красителей.
Разработка методов и алгоритмов виртуального моделирования элементов технологического оборудования на примере механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата. Выполненный анализ методик гидродинамического расчета вертикальных емкостных аппаратов с механическими мешалками, показал, что в настоящее время отсутствуют методики определения конструктивных параметров мешалок по заданным параметрам гидродинамической обстановки и качества перемешивания.
Выведены математические соотношения, характеризующие влияние характеристик перемешиваемой среды, конструкции вала перемешивающего устройства,
герметизирующей способности уплотнения вала и теплообмена в аппарате на выбор
типа и диаметра мешалки, числа мешалок на валу и частоты их вращения. Разработан критерий оптимальности конструкции механического перемешивающего
устройства вертикального емкостного аппарата. Поставлена задача выбора конструкции устройства для турбулентного и ламинарного режима перемешивания, а
также для случая перехода турбулентного режима в ламинарный. Разработаны: метод и функциональные диаграммы алгоритма виртуального моделирования элемен-
тов механического перемешивающего устройства; структура базы характеристик
стандартных механических мешалок и мотор-редукторов, соединительных муфт и
уплотнительных устройств, виртуальные модели механических перемешивающих
устройств для реальных аппаратов производств красителей и полупродуктов.
Разработка методов и алгоритмов виртуального моделирования элементов технических объектов с использованием метода конечных элементов. Поставлена задача моделирования температурного поля рабочей поверхности нагревательной плиты вулканизационного пресса. Разработаны виртуальные модели поля в
системах COMSOL и ANSYS. Выполнен литературный обзор по конструкциям индукционных нагревателей и пресс-форм для изготовления резинотехнических изделий, на основании которого разработаны виртуальные модели систем: нагревательная плита – индукторы – пресс-формы – резинотехнические изделия. Поставлена задача получения заданного температурного профиля в вулканизируемом резинотехническом изделии. Выполнена оценка влияния числа, размеров, координат размещения, мощности индукционных нагревателей, размещения пресс-форм на температурное поле в вулканизируемом изделии.
Разработка и исследование виртуальных моделей цеха на основе аналитических и процедурных моделей компоновки промышленных объектов. Разработаны: подходы, используемые при разработке виртуальных моделей цеха; математическая модель процесса компоновки технических объектов с учетом строительных, технологических и нормативных требований к проекту; алгоритмы размещения и трассировки. Проведены численные расчеты по решению задач компоновки технических объектов. Выполнен анализ влияния состава исходных данных,
используемых ограничений и выбора типа строительных конструкций на быстродействие работы алгоритмов и качество получаемых решений. Выполнена визуализация трехмерных моделей проектных решений по компоновке технических объектов.
Разработана универсальная информационно-логическая модель компоновки
промышленных объектов включающая совокупность конструкционных, технологических и нормативных правил, регламентирующих процесс принятия проектных
решений по компоновке
Разработка подсистемы автоматизированного выбора, размещения и визуализации трубопроводной арматуры технических объектов химических производств. Разработаны: математические модели и критерии оптимальности задач
выбора и размещения технологического оборудования; процедурные модели автоматизированного решения задач выбора и размещения трубопроводной арматуры;
методика создания виртуальных моделей трубопроводной арматуры.
Впервые предложена постановка задачи автоматизированного выбора трубопроводной арматуры по ряду потребительско-эксплуатационных показателей. Предложена оригинальная двухшаговая методика автоматизированного решения задачи,
основанная на ранжировании потребительско-эксплуатационных показателей.
Сформулированный критерий оптимальности размещения трубопроводной
арматуры учитывает экономические, технологические и эргономические аспекты
размещения арматуры.
Развитие методики создания виртуальных моделей технических объектов
с использованием систем моделирования динамических процессов. Выполнен
литературный обзор по методам имитационного моделирования технических объектов. Проведен анализ научно-технической литературы и интернет- источников, посвященных описанию возможностей информационных систем для имитационного
моделирования технологических процессов функционирования промышленных
объектов, на основании которого разработаны: этапы построения имитационных
моделей функционирования химико-технологической системы; математическая модель объектов рассматриваемого класса. Проведено имитационное исследование математических моделей процессов, реализуемых химико-технологической системой.
Разработаны графические образы имитационной модели в среде моделирования динамических процессов SIMUL8.
Предложенная методика создания с помощью системы SIMUL8 имитационной
модели химико-технологической системы, реализующей выпуск целевой продукции
по данным производственного (технологического) регламента позволяет лицу, принимающему решение (ЛПР) прогнозировать различные ситуации и своевременно
принимать меры для эффективного использования технологического оборудования.
Разработанная виртуальная имитационная модель технологического процесса
совмещенного производства лака ПФ-060, 3-оксихинальдин-4-карбоновой кислоты,
3-оксихинофталона может быть использована при обучении и тренинге операторов
химико-технологических систем, а также студентов химико-технологического профиля в рамках дисциплин специализации и производственной практики.
Разработка виртуальных тренажерных комплексов для обучения и тренинга персонала химических и машиностроительных производств. Сформулирована задача исследования по проблеме проектирования виртуальных тренажерных
комплексов. Разработаны: модель деятельности человека-оператора в штатных и
аварийных режимах функционирования; алгоритм проектирования виртуального
тренажерного комплекса; подходы к применению технологий интерактивного 3Dмоделирования при разработке виртуальных тренажерных комплексов.
Разработанный алгоритм проектирования виртуального тренажерного комплекса представлен в виде функциональной диаграммы в нотации IDEF0. При разработке виртуальных тренажерных комплексов применена технология интерактивного 3D-моделирования в среде UDK.
С применением предложенных моделей и алгоритмов разработаны виртуальные тренажерные комплексы для обучения операторов производств эмали ПФ-115
темно-зеленой и ДС-кислоты, интерактивная 3D-модель производственной площадки как компонент виртуального тренажерного комплекса для обучения и тренинга
персонала химических и машиностроительных производств.
Развитие методики создания виртуальных моделей пространственно распределенных технических объектов с использованием технологии геоинформационных систем. Выполнен литературный обзор по математическим методам и
технологиям построения моделей пространственно распределенных объектов и возможностям информационных систем, применяемым для построения моделей пространственно распределенных объектов. Разработаны: структура единого информационного пространства; модель информационного объекта технической системы;
методы построения пространственной модели территории предприятия; методика
применения теории нечетких множеств и экспертных систем при автоматизированном выборе элемента виртуальной модели технической системы. Созданы графические образы и база атрибутивных данных пространственной модели химического
предприятия в среде ArcGIS.
Предложенная информационная модель объекта технической системы представлена в виде графовой структуры фреймов и включает сведения о составе, свойствах объекта и его элементов, а также способах задания значений этих свойств.
Модель позволяет специалисту систематизировать всю информацию о реальном
объекте, упорядочить ее хранение на электронных носителях и обеспечить эффективную обработку
Опираясь на предложенную технологию и инструментальные средства построения моделей пространственно распределенных объектов в рамках проекта была разработана упрощенная виртуальная модель территории предприятия ОАО
«Пигмент» (г.Тамбов), которая может быть использована при принятии решений
при управлении производственной деятельностью промышленного предприятия, а
также обучении студентов инженерного профиля в рамках дисциплин специализации и производственной практики.
Применение высокопроизводительных параллельных вычислений при
моделировании химико-технологических систем. Выполнен литературный обзор
по постановкам, методам и алгоритмам решения задачи выбора аппаратурного
оформления химико-технологической системы. Разработана математическая модель
функционирования химико-технологической системы. Проведен анализ научнотехнической литературы и интернет - источников по тематике аппаратных и программных средств разработки параллельных программ. Разработан параллельный
алгоритм для решения адачи выбора аппаратурного оформления химикотехнологической системы и построения ее виртуальной модели.
С использованием библиотеки MPI и языка программирования C++ разработана программа, реализующая алгоритм с использованием парадигмы master-worker.
Проведено исследования влияния параметра гранулярности на быстродействие параллельной программы.
Руководитель проекта
В.А.Немтинов