Компьютерная графика как технологическая составляющая проектно-конструкторской деятельности инженера железнодорожного транспорта

В стратегии развития железнодорожного транспорта (ЖДТ) в Российской Федерации до 2030 года сказано, что «задачи развития железнодорожного транспорта будут решены за счет обеспечения достаточным количеством высокопрофессиональных специалистов» [1]. Профессия инженера ЖДТ является одной из значимых для экономики России. Современный инженер ЖДТ – это высококвалифицированный специалист, хорошо знающий современные технические объекты, технологические процессы и технологии, применяемые в управлении перевозочным процессом на ЖДТ, умеющий пользоваться инженерными методами при решении задач ЖДТ, и в то же время обладающий способностью к изобретательству и совершенствованию сложных технических систем ЖДТ [2].

Базовой составляющей любой инженерной деятельности, в том числе на ЖДТ, является проектно-конструкторская деятельность. Анализ федеральных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) [3, 4, 5] позволил выявить особенность проектно-конструкторской деятельности инженера ЖДТ, которую можно представить следующим набором навыков и умений:

– применять современные программные средства для разработки конструкторской документации (чертежей, схем, спецификаций и других текстовых документов), эскизных, технических и рабочих проектов элементов подвижного состава и железнодорожной инфраструктуры;

– подбирать типовые передаточные механизмы к конкретным машинам; определять параметры передаточных механизмов и обосновывать их выбор по определенным критериям;

– использовать инженерные методы расчета и проектирования элементов и устройств железнодорожной инфраструктуры и подвижного состава, а также транспортно-технологических схем доставки грузов.

В связи со значительным повышением объективной потребности в автоматизации технологических процессов на ЖДТ возникает необходимость использования компьютерного проектирования, позволяющего существенно сократить сроки разработки конструкторской документации и тем самым ускорить процесс внедрения новых узлов и механизмов в производственный цикл ЖДТ. Также требуется перевод существующей конструкторской документации в электронный вид. Результатом применения программных и аппаратных средств информационных технологий (ИТ) является повышение качества не только самих конструкторских разработок, но и создаваемых конструкций узлов подвижного состава, систем обеспечения движения поездов и объектов инфраструктуры ЖДТ.

Для создания, редактирования, хранения и размножения конструкторской документации используются такие программные средства как системы автоматизированного проектирования (САПР), применяемые в области машиностроения [6, 7]. На сегодняшний день существует много машиностроительных САПР, разработанных как в России, так и за рубежом: AutoCAD, SOLID WORKS, T-FLEX, КОМПАС и др. Развитие машиностроительных САПР опирается на прочную научно-техническую базу – компьютерную (машинную) графику и обработку изображений. В связи с этим интерес для российского инженерного железнодорожного образования представляют машиностроительные САПР.

Подготовка инженера железнодорожного транспорта в области компьютерной графики

К сожалению, на сегодняшний день можно констатировать факт, что современные методики обучения студентов ИТ обработки графической информации направлены на изучение и освоение конкретного графического редактора и САПР, применение конкретных алгоритмов работы с ними и графическими объектами. Разработчики этих систем практически каждые 2-3 года усовершенствуют их функциональные возможно- сти (при этом базовые функции остаются неизменными), производительность и интерфейс, а также создают новые аналоги этих графических систем. Таким образом, после окончания вуза выпускник обладает «морально устаревшими» знаниями и навыками работы с конкретным графическим редактором и САПР, и как следствие этого, является не конкурентоспособным на современном рынке труда.

В связи с этим, особую актуальность приобретает проблема подготовки инженеров ЖДТ к использованию средств компьютерной графики в проектноконструкторской деятельности, учитывающая, что будущий специалист должен быть способен использовать не только существующие на тот или иной период времени конкретные версии САПР, которым их обучили в вузе, но и осваивать новые и/или другие версии САПР и применять их для решения профессиональных задач.

Актуальность выделенной проблемы усиливается присоединением России к Болонскому процессу, что с одной стороны расширяет доступ к европейскому высшему техническому образованию, а с другой стороны требует, чтобы все академические степени, другие квалификации и компетенции инженеров ЖДТ должны быть ориентированы на мировой рынок труда, в том числе способность применять современные зарубежные машиностроительные САПР для разработки конструкторской документации.

Представляется целесообразным разрешить обозначенную проблему через обучение инженеров ЖДТ компьютерной графике, в содержании которой необходимо отразить взаимосвязь фундаментальных основ и прикладных приложений информатики (машиностроительные САПР), что позволит будущему специалисту осваивать новые современные САПР и применять другие их версии при решении профессиональных задач в условиях динамично развивающегося информационного общества не только в России, но и за рубежом.

Одной из важных позиций ФГОС ВПО является использованием компетент-ностного подхода к подготовке будущего специалиста, основным результатом реализации которого является сформированность у выпускника высшей школы компетенций (В. И. Байденко, И. А. Зимняя, А. В. Хуторской и др.), определяющих его способности к трудоустройству (Э. Ф. Зеер, И. А. Зимняя, Ю. Колер). Во ФГОС ВПО подготовки инженеров ЖДТ [3, 4, 5] необходимость применять САПР в проектно-конструкторской деятельности зафиксирована в содержании следующих профессиональных компетенциях (ПК):

• -    ПК-32 « .. владеет технологиями разработки конструкторской документации, эскизных, технических и рабочих проектов элементов подвижного состава и машин, нормативно-технических документов с использованием компьютерных технологий» [3];

• -    ПК-33 «готов к проектированию объектов транспортной инфраструктуры, разработке технико-экономического обоснования проектов и выбору рационального технического решения» [4];

• -    ПК-34 «готов к разработке и принятию схемных решений при переустройстве раздельных пунктов, проектированию основных элементов станций и узлов, их рациональному размещению .» [4];

• -    ПК-24 «... готов разрабатывать конструкторскую документацию и нормативно-технические документы с использованием компьютерных технологий» [5];

• -    ПК-25 «... умеет использовать информационные технологии при разработке новых устройств систем обеспечения движения поездов, ремонтного оборудования, средств механизации и автоматизации производства» [5];

• -    ПК-26 «умеет разрабатывать с учетом эстетических, прочностных и экономических параметров технические задания и проекты устройств электроснабжения, железнодорожной автоматики и телемеханики, стационарной и подвижной связи, средств защиты устройств при аварийных ситуациях .» [5].

Отметим, что в процессе обучения студентов САПР для разработки кон- структорской документации у них формируются проектно-исследовательские компетенции, способствующие становлению конкурентоспособного специалиста, который сможет добывать новые знания путем исследования объектов профессиональной деятельности и системно мыслить. В источнике [8] указано, что основу проектноисследовательских компетенций студентов составляют определенные знания, умения и навыки:

• –    знания об объектах проектирования и исследования, а также о методологии проектно-исследовательской деятельности и критериях оценки качества ее результатов;

• –    умения и навыки формулировать цели и задачи проекта, прогнозировать результаты проектно-исследовательской деятельности, планировать этапы выполнения проекта, работать с различными источниками информации, анализировать полученную информацию и делать выводы необходимые для выполнения проекта, выдвигать гипотезу, проводить исследования и осуществлять эксперименты, необходимые для проверки гипотезы и реализации проекта, а также осуществлять оценку созданного проекта и самооценку своих действий.

Аналитический обзор ФГОС ВПО [3, 4, 5] показал, что подготовка инженера ЖДТ в области САПР включает базовую и специальную (профессиональную) компоненту, и, соответственно c этим, изучение необходимых для этого дисциплин в определенной последовательности.

В базовой части математического и научно-инженерного цикла (С.2) студентами всех специальностей [3, 4, 5] изучаются дисциплины «Информатика» и «Компьютерная инженерная графика».

Дисциплине «Информатика» отводится ключевая роль в формировании базовых знаний и умений в области компьютерной графики. Принимая во внимание, что в основе машиностроительных САПР лежит преимущественно векторная компьютерная графика, то необходимо акцентировать внимание студентов, прежде всего, на принципах формирования и представления в памяти компьютера векторных графических объектов, а также приемах работы с ними, необходимых для конструирования компьютерных моделей деталей и механизмов железнодорожной техники.

Но для разрешения проблемы научить студента осваивать новые и различные версии САПР необходимо не только овладение фундаментальными основами компьютерной графики и обработки изображений. Компетентностный подход к подготовке специалистов предполагает опору на квазипрофессиональную деятельность, несущей в себе черты как учебной, так и будущей профессиональной деятельности. В связи с этим содержание обучения информатике должно включать в себя как основы стандартов де-юре, так и де-факто в области ИТ, используемых для разработки и совершенствования средств ИТ в целом. Сухомлин В. А. отмечает [9], что развитие информационной индустрии и ИТ определяется уровнем развития научно-методических основ и, в частности, нормативной базы (системы стандартов) в области ИТ. Фундаментальные модели и методы области ИТ зафиксированы международной системой стандартизации ИТ, объединяющей многие десятки специализированных профессиональных организаций: ISO, IEC, ETCI, ISOC, IETF, IEEE и др.

В результате анализа системы стандартов в области ИТ [9] был сделан отбор тех стандартов в области компьютерной графики, содержание которых необходимо для изучения будущими инженерами ЖДТ в вузовском курсе информатики. Таким образом, содержание обучения инженеров компьютерной графике будет основано как на фундаментальных сведениях о компьютерной графике, так и, дидактически обработанных научно-методических основах (стандартах) этой области. К ведущим законодателям в области стандартизации ИТ относят такие международные организации как ISO и IEC. В России таковой является Всероссийский научноисследовательский институт стандартизации (ВНИИстандарт) и разрабатываемые ею стандарты в области ИТ, в частности компьютерной графики, берут за основу нормативные документы, разработанные ISO и IEC.

Фундаментальной основой системы стандартов в области компьютерной графики является эталонная модель компьютерной графики (Reference Model of Computer Graphics), определяющая базовые архитектурные спецификации (функции пользовательского интерфейса и машинной графики) и совокупность структурированных терминов этой предметной области. При построении графических редакторов, машиностроительных САПР (прикладных ИТ) отечественные и зарубежные разработчики используют некий набор базовых стандартов или спецификаций данной области, содержащие принципы и требования к созданию архитектуры, интерфейса и функционала компьютерных графических систем.

Далее приведем выбранные стандарты в области компьютерной графики в виде двух групп, а также укажем их роль в формировании универсальных знаний и умений в этой области, необходимые для успешного освоения машиностроительных САПР инженером ЖДТ.

К первой группе отнесем стандарты, содержащие стандартизированные термины, однозначно идентифицирующие сущность компьютерной графики, особенности и свойства векторной и растровой графики, на основе которых базируются приемы работы с соответствующими графическими объектами. Каждый векторный или растровый графический редактор должен реализовывать указанные в этих стандартах принципы обработки объектов соответствующих видов графики. В эту группу входят стандарты: 1) ISO/IEC 11072:1992. Information technology – Computer graphics – Computer graphics reference model. 2) ISO/IEC 2382-13: 1996. Information technology – Vocabulary – Part 13: Computer graphics. 3) ГОСТ 27459-87. Системы обработки информации. Машинная графика. Термины и определения. 4) ГОСТ Р 34.701.1-92 Информационная технология. Машинная графика. Метафайл для хранения и передачи информации об описании изображения

Ко второй группе отнесены стандарты, описывающие базовые программные и технические средства компьютерной графики, реализующие и использующие ядро графической системы, и устанавливающие общие положения концепции ядра графической системы, структуру данных и функции ядра графической системы, используемые в графических редакторах, в частности машиностроительных САПР. В эту группу входят стандарты: 1) ISO/IEC 7942-1: 1994. Information technology – Computer graphics and image processing – Graphical Kernel System (GKS) – Part 1: Functional description. 2) ISO 8805: 1988 Information processing systems – Computer graphics – Graphical Kernel System for Three Dimensions (GKS-3D) functional description. 3) ISO/IEC 8632-1:1999 Information technology – Computer graphics – Metafile for the storage and transfer of picture description information – Part 1: Functional specification. 4) ГОСТ 27817-88. Системы обработки информации. Машинная графика. Функциональное описание ядра графической системы. 5) ГОСТ Р 34.701.1-92 Информационная технология. Машинная графика. Метафайл для хранения и передачи информации об описании изображения.

В процессе изучения дисциплины «Компьютерная инженерная графика» студенты овладевают знаниями и умениями разработки конструкторской документации, сборочного чертежа, элементов геометрии деталей, аксонометрической проекции деталей, изображений и обозначений деталей, базового компьютерного моделирования элементов транспортной инфраструктуры и подвижного состава с использованием САПР. В процессе освоения той или иной САПР студент не должен испытывать трудностей в освоении ее интерфейса, имеющего стандартизованную структуру: набор панелей инструментов, система команд меню и область рабочего документа с сопутствующими ему и графическим объектам параметрическими настройками.

В рамках этой дисциплины наглядно демонстрируется стандартизация обмена графических изображений между подобными САПР на примере экспорта чертежей из САПР КОМПАС в формат файлов САПР AutoCAD. Также на этапе визуализации и тиражирования готового компьютерного объекта некоторой детали показывается воз- можность САПР к его растеризации на примере импорта чертежей в стандартизованные форматы растровой графики (*.jpg, *.jpeg, *.png, *.tiff, *.bmp и др.).

Значимость и особенность дисциплины «Компьютерная инженерная графика» для инженеров ЖДТ представлена в специализированной учебной литературе [6, 10, 11, 12, 13, 14], которая выпускается отраслевыми вузами железнодорожного профиля и издательством «Маршрут» Государственного образовательного учреждения «Учебнометодический центр по образованию на железнодорожном транспорте», являющегося одним из немногих специализированных издательств по выпуску учебной, учебнометодической литературы, учебно-программной документации для учебных заведений, организаций, предприятий транспортного комплекса.

В базовой части профессионального цикла (С.3) будущими инженерами ЖДТ изучается ряд специальных дисциплин, направленных на формирование соответствующих профессиональных компетенций, в содержании которых учитывается необходимость применения САПР в проектно-конструкторской деятельности этих специалистов.

Например, для специальности 190300 рассмотрим дисциплину «Детали машин и основы конструирования», результатом освоения которой являются знания и навыки расчетов механических передач и соединений деталей машин; овладение основами конструирования машин и методами подбора типовых передаточных механизмов к конкретным машинам железнодорожной техники. В рамках этой дисциплины студент должен уметь применять современные программные средства для разработки проектно-конструкторской документации. Данные умения и навыки будущих инженеров ЖДТ совершенствуются в процессе работы над курсовым проектом, который выполняется в течение семестра. Целью работы является закрепление теоретических знаний в области прочностных расчетов деталей машин и приобретение опыта конструирования.

Разделяя конструирование и проектирование, необходимо отметить, что конструирование представляет собой разработку конструкции элементов технической системы ЖДТ с использованием определенным образом связанных стандартных и изобретенных элементов, а результат конструкторской деятельности может быть реализован в виде опытного образца. Проектирование же в отличие от конструирования связано с научно-техническими расчетами основных параметров будущей конструируемой технической системы ЖДТ и предварительным исследованием ее характеристик. Результат проектировочной деятельности инженера ЖДТ выражается в особой знаковой форме: чертеж детали или механизма, график, расчет, модель машиностроительного объекта на компьютере.

В качестве задания на курсовой проект преподаватель ставит задачу разработать конструкцию двухступенчатого редуктора в зависимости от заданных параметров (мощность, режим работы, частоты вращения валов), поскольку редуктор является механизмом сочетающем в себе узлы и детали, которые наиболее часто встречаются в различных устройствах и машинах, как железнодорожного подвижного состава, так и системах железнодорожной сигнализации, связи и автоблокировки [15, 16]. Именно проектирование этого механизма позволяет в полной мере изучить виды соединения деталей, конструкции, материалы и расчет механических передач, осей и валов, подшипников качения и скольжения, муфт и т.д., а также дает навыки самостоятельной инженерной деятельности, учит находить нестандартные решения задач и работе с нормативно-технической литературой.

Расчетная часть курсового проекта выполняется с использованием средств прикладного математического пакета MathCAD или электронной таблицы MS Excel. Результатом расчетов становятся входные параметры необходимые для графического изображения деталей (диаметры, длины, числа зубьев и др.) и механизма в целом (ширины, высоты и др.). Полученные расчетные данные определяют геометрические и конструктивные размеры деталей, подтверждают их прочность, позволяют выпол- нить эскизную компоновочную схему на миллиметровой бумаге, а сборочный чертеж редуктора и рабочие чертежи деталей проектируются средствами любых машиностроительных САПР (КОМПАС, AutoCAD, T-FLEX и др.).

Например, на рис. 1 представлен фрагмент чертежа зубчатого колеса из графической части курсового проекта по дисциплине «Детали машин и основы конструирования». Этот чертеж был выполнен средствами САПР КОМПАС и разработан в основном инструментами с панели «Геометрия», которые создают базовые векторные объекты (графические примитивы, кривые), а также были использованы базовые приемы редактирования векторных объектов (группировка, работа с кривыми, масштабирование и др.), которые характерны как для всех машиностроительных САПР, так и векторных графических редакторов.

Рис. 1. Фрагмент рабочего чертежа детали

Заключение

Таким образом, на сегодняшний момент компьютерная графика является ведущей технологической составляющей проектно-конструкторской деятельности инженера ЖДТ в условиях интенсивной информатизации и глобализации современного общества и высшего образования. Предлагаемый поход к подготовке инженеров ЖДТ в области компьютерной графики заключается в том, что содержание обучения компьютерной графике должно учитывать взаимосвязь фундаментальных основ этого раздела информатики с ее прикладными приложениями (машиностроительные САПР) в условиях освоения дидактически обработанных основ стандартизации их разработки. Это позволит инженеру ЖДТ осваивать новые современные машиностроительные САПР и применять другие их версии в проектно-конструкторской деятельности не только России, но и за рубежом; будет способствовать развитию соответствующих профессиональных компетенций, необходимых для успешной проектноконструкторской деятельности, повышению профессиональной мобильности этих специалистов, а также обеспечит их успешное трудоустройства как на отечественном, так и на мировом рынке труда.