Software & Systems

Использование в исследовательских целях ядерных реакторов типа ВВЭР-1000 сопряжено с накоплением большого количества информации о контролируемых параметрах тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и их сборок. Эта информация составляет основу пополняемой БД, размер которой может быть достаточно большим (0,5 Гб и более), что существенно усложняет ее анализ. Стандартные инструменты для обслуживания и управления БД имеют ограниченные возможности представления накопленной информации, предоставляя лишь табличную форму результатов выборки, тем самым вынуждая исследователя прибегать к помощи стороннего ПО.

Большинство существующих программных решений направлены на исследование прочностных и технологических показателей работы топливных элементов, а также инженерного анализа режимов работы ТВЭЛов реактора ВВЭР, необходимых при техническом проектировании. В качестве примера можно привести работу [1], в которой описываются результаты моделирования эксплуатационных и технологических параметров топливных элементов в программной среде MSC.MARC 2005 R2. Данное программное средство обеспечивает возможность решения связанных (fully coupled) высоконелинейных задач, исследующих термомеханическое поведение конструкции с учетом автоматического контактного взаимодействия неограниченного числа тел с изменяющимися свойствами без каких-либо упрощений геометрических форм, однако постпроцессор MARC 2005 позволяет визуализировать только результаты собственного конечно-элементного решения без возможности работы со сторонней БД послереакторных исследований.

Современные возможности компьютерной графики сделали реальностью создание среды трехмерного представления данных, имеющей ряд неоспоримых преимуществ перед двухмерным или табличным представлением, что послужило толчком к разработке соответствующих программных инструментов.

Таким образом, создание программного продукта для работы с БД послереакторных исследований – актуальная научная задача.

Цель данной работы – разработка специализированного программного продукта, позволяющего визуализировать основные контролируемые параметры ТВЭЛов реакторов типа ВВЭР-1000.

Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:

–      выбор необходимых программных инструментов для реализации механизмов визуализации и построения интерфейса программы;

–      создание программного интерфейса с помощью выбранных инструментов;

–      создание основных программных модулей, обеспечивающих функционирование программного продукта, включая инструменты для взаимодействия с системой управления БД;

–      разработка подпрограмм, осуществляющих связь программных модулей между собой;

–      выполнение программы тестирования.

Рассмотрим один из способов трехмерной визуализации основных контролируемых параметров ТВЭЛов реакторов типа ВВЭР-1000, реализованных в рамках авторского программного продукта Fuel Elements Data System (см. табл.).

Способы отображения и перечень контролируемых параметров ТВЭЛов в программе Fuel Elements Data System

При создании этой программы основной за- дачей было решение проблемы удаленного со- единения с сервером системы управления БД Fire­bird [2] с целью эффективной выборки данных с последующей визуализацией результатов. При создании программной среды использовались открытые кроссплатформенные программные библиотеки Nokia Qt [3], QwtPlot [4] и GLC_lib [5], что позволило реализовать ряд новых функциональных возможностей при построении графиков, в частности, удобное масштабирование представленных графиков распределения величин и автоматическое задание пределов на координатных осях. В качестве основного инструмента при проектировании интерфейса окон визуализатора применялась программная библиотека GLC_lib. В результате появились широкие функциональные возможности, связанные с отображением сборки тепловыделяющих элементов, такие как управление положением камеры трехмерной сцены, освещением, наложением текстур и цвета, выбор произвольного объекта сцены с помощью курсора. Применение программной библиотеки в составе Nokia Qt SDK, включающей в себя программную среду разработки Nokia Qt Creator, дало возможность создаваемому программному продукту выполнять определенные функции, в числе которых

–      плавающий/стыкующийся оконный интерфейс, позволяющий организовать рабочее пространство окна программы индивидуально для каждого пользователя или текущего набора контролируемых параметров;

–      удаленное соединение с системой управления БД с помощью встроенного драйвера для Firebird;

–      сборка исполняемого файла программного продукта, включая сопутствующие библиотеки, под управлением различных операционных систем (Microsoft Windows, Linux и Unix-подобных, Mac OS X);

–      автоматическое масштабирование интерфейса окон в зависимости от параметров экрана, используемых шрифтовых гарнитур и размеров;

–      обеспечение функционирования програм- мных библиотек QwtPlot и GLC_lib.

Часть контролируемых параметров, таких как линейная мощность по длине ТВЭЛа, дефектоскопия и зазор топливо-оболочка, были представлены только в форме графиков [4]. Это связано прежде всего с тем, что данные представления требуют одновременной визуализации двух и более наборов параметров (две и более кривых на графике), поэтому трехмерная визуализация такого рода данных нецелесообразна по причине информационной перегруженности модели. Следует отметить, что диаметр, овальность и толщина оксидной пленки являются величинами, распределенными по длине каждого топливного элемента, следовательно, градация и плотность цвета индивидуальны на каждую единицу поверхности отображаемой модели ТВЭЛа.

На рисунке 1 показано окно интерфейса программы Fuel Elements Data System, отображающее упрощенную трехмерную модель ТВС № 91800 реактора ВВЭР-1000. Визуализируемым параметром является набор данных, характеризующий среднюю линейную мощность ТВЭЛов в 15 компаниях при нулевом параметре эффективного времени. Величина средней линейной мощности определяется в соответствии с оценочной шкалой, размещенной в левой верхней части окна. В левой части окна расположены элементы управления визуализацией параметров, позволяющие задавать способ отображения выбранных данных. В этом примере в качестве параметра, характеризующего относительную высоту топливных элементов, используется величина относительного удлинения. Такой подход связан прежде всего с тем, что реальное отклонение эксплуатационных параметров от средних значений невелико и их отображение в истинном масштабе сделало бы наблюдение и контроль затруднительными. По этой же причине длина визуализируемых стержней значительно отличается от реальных размеров и сопоставима с диаметром ТВЭЛов.

При необходимости может быть осуществлена выборка конкретного ТВЭЛа с вызовом контекстного меню, содержащего список доступных программных инструментов получения дополнительной информации в виде графиков, либо временного сокрытия элемента.

На рисунке 2 показано окно интерфейса программы, отображающее результат одновременной выборки нескольких элементов сборки, расположенных в ее разных частях. В этом случае цветовая маркировка наносится на трехмерные модели ТВЭЛов в виде предварительно рассчитанных текстур, холодный синий цвет которых соответствует наименьшему значению диаметра топливного элемента, а ярко-красный – наибольшему. На этом примере трехмерная визуализация позволяет не только наглядно охарактеризовать величину изменения диаметров выбранных элементов в процессе эксплуатации, но и получить ее качественную и количественную оценки в зависимости от расположения элементов в сборке.

С помощью элемента интерфейса Fuel Ele­ments, расположенного в левой части окна (рис. 2), можно скрывать часть элементов из рассмотрения с целью уменьшения информационной нагруженности сцены. Кнопки All, None и Invert выполняют функции задания полной, пустой и инвертированной выборки соответственно. В нижней части окна (рис. 2) расположены графики, дополняющие результат трехмерной визуализации и предназначенные для уточненного отображения изменения диаметра, овальности и линейной мощности выбранного топливного элемента. Следует отметить, что перечень контролируемых параметров, методы отображения и форма представления содержащейся в БД информации могут быть расширены пользователем, владеющим программным языком запросов SQL [2].

На завершающем этапе создания программного продукта осуществлялось его тестирование с применением образца БД, предоставленной Государственным научным центром – НИИ атомных реакторов (г. Димитровград), специалисты которого дали положительную оценку проведенной работе и сформулировали ряд конструктивных предложений по дальнейшему совершенствованию программы.

Несмотря на достижение поставленных целей и задач, в процессе работы над программным продуктом за рамками проекта осталось значительное количество неразрешенных проблем, порождаемых функциональными ограничениями используемых программных инструментов. Одна из главных – трудность в реализации механизма указателя положения текущего значения величины по длине стержня, а также возможность нумерации и наложения сопроводительной текстовой информации на элементы трехмерной сцены. Авторы надеются, что эти и другие функциональные ограничения будут преодолены в последующих версиях программы, однако считают, что предложенный подход к решению задачи трехмерной визуализации основных контролируемых параметров топливных элементов является наиболее эффективным и позволяет значительно повысить удобство работы с БД, снизить количество случайных ошибок оператора и получить наглядное представление содержащейся в ней информации. Программа является самостоятельным продуктом, для эффективной работы которого требуются рабочие станции, оснащенные ускорителями трехмерной графики, что в настоящее время не является сдерживающим фактором.

Литература

1.     Кузнецов А.В., Каширин Б.А., Медведев А.В., Нови- ков В.В. Опыт моделирования поведения элементов конструкции ТВЭЛов ВВЭР в среде MSC.MARC 2005 R2. М.: Изд-во ВНИИНМ, 2007.

2.     Борри Х. Firebird: руководство разработчика баз данных. СПб: БХВ-Петербург, 2007. 1104 с.

3.     Бланшет Ж., Саммерфилд М. Qt 4: Программирование GUI на C++. М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2008. 736 с.

4.     Qwt User's Guide: Qwt – Qt Widgets for Technical Applications. URL: http://qwt.sourceforge.net/ (дата обращения: 26.07.2012).

5.     GLC_lib Home. URL: http://www.glc-lib.net/index.php (дата обращения: 26.07.2012).

References

1.     Kuznetsov A.V., Kashirin B.A., Medvedev A.V., Novi- kov V.V. Opyt modelirovaniya povedeniya elementov konstruktsii TVELov VVER v srede MSC.MARC 2005 R2 [An experience in modeling behaviour of fuel elements of pressurized-water reactor in MSC.MARC 2005 R2]. Moscow, VNIINM Publ., 2007.

2.     Borrie H. The Firebird Book. А Reference for Database Developers. Apress, 2004, 1128 pp.

3.     Blanchette J., Summerfield M. C++ GUI Programming with Qt 4. Prentice Hall Publ., 2nd ed., 2008, 752 p.

4.     Qwt User's Guide: Qwt – Qt Widgets for Technical Applications. Available at: http://qwt.sourceforge.net/ (accessed 26 July 2012).

5.     GLC_lib Home. Available at: http://www.glc-lib.net/index.php (accessed 26 July 2012).