№58
Июнь 2017
ISSN
1990-4126

English

«Архитектон: известия вузов» № 30 - Приложение Июль 2010

Урбанистика


 Арляпова Анна Юрьевна

студент УралГАХА; Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Захарова Г.Б Уральский государственный технический университет, Уральская государственная архитектурно-художественная академия г.Екатеринбург, Россия

 Байгозин Даниил Владимирович

аспирант УрФУ Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Захарова Г.Б Уральский государственный технический университет, Уральская государственная архитектурно-художественная академия г.Екатеринбург, Россия

 Плотников Владислав Юрьевич

преподаватель кафедры ИТ УралГАХА

ВИРТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДСИСТЕМ «УМНОГО ДОМА»


УДК: 004.942

Предложены подход к реализации системы проектирования и моделирования инженерного оборудования в системе «Умный дом; концепция, структура и функции интерактивной системы 3D-визуализации, которая позволяет динамически формировать и просматривать различные варианты решений до их физической реализации. Особенностью системы является модульная структура и открытая архитектура, что позволяет эволюционно интегрировать новые компоненты и расширять функциональность системы.

Ключевые слова: проектирование, моделирование, умный дом, 3D-визуализация, автоматизация


Введение Современные требования к жилым и офисным зданиям заключаются в обеспечении максимального комфорта их обитателям. Такие условия создаются отдельными специализированными инженерными и сервисными системами, как например, системы водоснабжения и отопления, кондиционирования, освещения, охраны и контроля доступа, аудио- видеооборудования. В то же время, с увеличением количества объектов, которыми необходимо управлять, потребитель может испытывать определенные неудобства. Таким образом, при проектировании важно знать, какое именно оборудование (технические характеристики, эксплуатационные особенности, стоимость) нужно подобрать.

Задачу интеграции разнородного оборудования в единую систему, а также создание удобного интерфейса управления этой системой решают современные технологии автоматизации, именуемые «Умный дом». «Умный дом» предназначен для удобства в использовании большого количества электронных и технических устройств, строится на базе мощного контроллера, к которому подключаются различные устройства. Например, с помощью системы управления становится возможным контролировать несколько источников света, независимо от того, где располагается светильник и какого он типа. Охранная подсистема отслеживает такие аварийные события как утечка воды или газа, проблемы с электропроводкой. При поступлении тревожных сигналов от различных датчиков система автоматически воздействует на оборудование, отключая неисправные блоки, и может передать сообщение на мобильный телефон. Таким образом возможно автоматизировать все инженерное оборудование здания[1].

Для управления интегрированным оборудованием пользователь располагает беспроводными пультами в виде сенсорных панелей, с произвольно программируемым графическим интерфейсом. Эти пульты используются для дистанционного управления всеми устройствами, от телевизора до системы полива на садовом участке. Каждая кнопка на панели соответствует какому-либо прибору, группе приборов или вызывает последовательность действий. Очень важно выполнять процесс проектирования системы автоматизации до того, как здание будет реализовано. Это связано с тем, что инженерное оборудование встраивается в помещение, если это, к примеру, система кабелей, она должна быть проведена под обшивкой стен. Просматривать разные варианты проекта автоматизации удобно на виртуальных зданиях с помощью компьютерных моделей, что позволяет динамично сравнивать разные варианты и выбирать лучший из них.

Такой подход гораздо эффективнее, чем переделка проекта на физическом уровне в случае неудачного выбора. Пользователь на этапе подготовки визуально определяет наиболее удобную и эргономичную конфигурацию системы. Кроме того, если система визуализации сможет отобразить эффекты, получаемые при исполнении определенных команд управления оборудованием, например, эффекты освещения от разных групп или закрытие штор (в зависимости от времени суток или освещенности), то это поможет спроектировать систему наилучшим образом.

Описание работы системы

Система автоматизированного проектирования и моделирования инженерного оборудования задний (рис. 1) содержит модуль статической визуализации, который позволяет загрузить в «конструктор модели» сцены, содержащие модель объекта из программы 3D-моделирования, обработать ее в соответствии заданными правилами, описывающими необходимую степень подробности и поведение. Также в «конструктор модели» загружается элементы инженерной инфраструктуры (насосы, трубы, батареи, переключатели и т.п.), правила их отображения и поведения также описаны в отдельной библиотеке. Затем проводится послойное совмещение и объекта и элементов инженерной инфраструктуры и последующая генерация модели (рис.2).

В нашем примере мы создаем презентационную модель здания, содержащего на данном этапе одну подсистему отопления – водоснабжения. Эта система состоит из замкнутого контура, включающего в себя котел для нагрева теплоносителя, циркуляционный насос и батарею. При моделировании работы данной подсистемы ключевым фактором является изменение температуры в комнате, изменение которой происходит при открывании окна. Так как для конечного пользователя важно, какое состояние система примет после изменения внешних факторов, большое значение имеет детализация комнаты и оборудования. Сейчас мы работаем над расширением количества подсистем, включенных в модель.

arl1.jpg

Наиболее распространенным способом компьютерного представления помещения с наложенными коммуникациями и устройствами «умного дома» является его отображение в пакетах 3D визуализации[2]. Каждая новая конфигурация при этом требует новой компиляции модели, что, как правило, занимает достаточно много времени. Такой системы, которая в интерактивном режиме быстро отвечала бы пользователю на вопрос «что будет, если…» на сегодняшний день нет. Так, было бы хорошо просматривать различные варианты сцены с заданным интерьером комнаты, на котором при изменении температуры воздуха (устанавливается пользователем через графический интерфейс) автоматически (на основании имитационной модели) включается кондиционер, и температура опускается до нормальной. Или пользователь выбирает ночной режим (вводит время суток), тогда автоматически закрываются шторы, активизируются источники света в соответствии с приписанной им программой.

В данной работе предложен подход к реализации подобной системы. Система считывает трехмерную модель созданного в формате 3Ds Max интерьера помещения, далее отображает поверх этого изображения слой заранее заготовленных в библиотеке фрагментов «умного дома». Эти фрагменты представлены в базе графических примитивов, которые не зависят от исходного изображения комнаты и могут свободно накладываться поверх нее. Пользователь осуществляет выбор и привязку графических элементов в интерактивном режиме. На экране формируются элементы интерактивного управления, через которые можно вводить значения параметров среды. Введенные параметры воспринимаются системой интеллектуального управления инженерным оборудованием, которая на основе заложенной модели поведения объекта формирует новое его состояние, соответственно изменяется визуальное представление объекта.

Общего подхода для реализации всех инженерных подсистем в «умном доме» нет, отсутствует также и общая концепция их графической визуализации. Как любая сложная система, предлагаемая здесь система интерактивной визуализации может быть реализована поэтапно. На первом этапе данный подход отрабатывается на примере подсистемы водоснабжения и отопления. Для этой подсистемы разработан лабораторный стенд-тренажер с использованием реального оборудования.

Принципы реализации, структура, модели стенда изложены в статье [3]. К этому стенду и подключается блок трехмерной визуализации. Графические примитивы представлены термометром (несколько картинок с разными состояниями шкалы), батареями – красной и синей (горячей и холодной соответственно) плюс несколько промежуточных дискретных состояний, счетчиком электроэнергии, окном с картинкой «день» или «ночь», часами с двумя состояниями (день и ночь). Внешне работа трехмерного визуализатора может выглядеть так. Пользователь уменьшает температуру на виртуальном градуснике, новое значение температуры активизирует имитационную модель, в результате чего меняется цвет батареи в более «горячую» сторону. Пользователь устанавливает ночное время, затраты на электроэнергию уменьшаются.

arl2.jpg

Заключение Наша 3D модель пока достаточно простая с точки зрения формируемых визуальных сцен, но главное здесь состоит в том, что она основана на следующих общих принципах:

• система реализует интерактивную трехмерную визуализацию с наложением двух независимых слоев – базовой модели интерьера и графических примитивов из библиотеки визуальных элементов оборудования «умного дома»;

• библиотека является свободно пополняемой;

• модульная структура визуализатора и открытая архитектура системы позволяют свободно наращивать новые компоненты и расширять функциональность системы.


Библиография

  1. Thompson G., Lordan M. A review of creativity principles applied to engineering design.  / G. Thompson, M. Lordan //  Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. –  1999 – № 1 – Vol. 213
  2. Максименко В.А. Интеллектуальное здание»: автоматизированная система диспетчерского управления / В.А. Максименко // СтройПРОФИль. – 2003. – №5
  3. Байгозин Д.В. Разработка принципов интеллектуального управления инженерным оборудованием в системе «Умный дом» / Д.В. Байгозин, Д.Н. Первухин, Г.Б. Захарова. // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Т. 313. – №5. – С.168–172  (Управление, вычислительная техника и информатика)


ISSN 1990-4126  Регистрация СМИ эл. № ФС 77-50147 от 06.06.2012 © УрГАХУ, 2004-2017  © Архитектон, 2004-2017