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

 

Настащук Наталья Александровна

канд. пед. наук, доцент кафедры информатики, прикладной математики и механики

Омский государственный университет путей сообщения

пр. Маркса, 35, г. Омск, 644046

nat_lion@mail.ru (3812) 31-18-66

 

Тарута Дмитрий Викторович

канд. техн. наук, доцент кафедры теории механизмов и детали машин

Омский государственный университет путей сообщения

пр. Маркса, 35, г. Омск, 644046

tarutadv@omgups.ru (3812) 31-06-18

 

Аннотация

Обосновано, что компьютерная графика является ведущей технологической составляющей проектно-конструкторской деятельности инженеров железнодорожного транспорта (ЖДТ) в условиях повышения объективной потребности в автоматизации технологических процессов на ЖДТ. Предложено поэтапное обучение инженеров ЖДТ компьютерной графике, сочетающее взаимосвязь фундаментальных основ информатики с ее прикладными приложениями (машиностроительные системы автоматизированного проектирования (САПР)), что позволит будущему специалисту ЖДТ осваивать новые современные машиностроительные САПР и применять другие их версии в проектно-конструкторской деятельности не только в России, но и за рубежом.

It is validated that computer graphics is a leading technological component of a railway engineer’s planning and design activity under the conditions of increasing of the objective necessity in the automation of the technological processes on railway transport. It is suggested the stage-by-stage learning computer graphics of railway engineers. That learning should combine the interconnection of the fundamental base of informatics with its application software (engineering computer-aided design system (CAD)) as it allows a future specialist of railway transport to master new modern engineering CAD and apply its other versions in planning and design activity not only in Russia, but also abroad.

Ключевые слова

компьютерная графика, система автоматизированного проектирования, инженер железнодорожного транспорта, проектно-конструкторская деятельность, компетентностный подход

computer graphics, computer-aided design system, a railway engineer, planning and design activity, a competence approach

Введение

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 возможности (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 проектно-конструкторской 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 компетентностного 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 конструкторской 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 проектно-исследовательских 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 научно-исследовательский 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 возможность 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 «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», являющегося одним из немногих специализированных издательств по выпуску учебной, учебно-методической 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 выполнить 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 проектно-конструкторской деятельности, повышению профессиональной мобильности этих специалистов, а также обеспечит их успешное трудоустройства как на отечественном, так и на мировом рынке труда.

Литература

1.     Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года. Правительство Российской Федерации № 877–р от 17.06.2008

2.     Настащук Н. А. Развитие профессионально-значимых качеств инженеров железнодорожного транспорта в процессе обучения информатике // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2012: Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. 2012. Т. 24. № 4. С. 28-30.

3.     Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальности) 190300 Подвижной состав железных дорог [Электронный ресурс]. – URL: http://www.edu.ru/db-mon/mo/Data/d_11/prm71-1.pdf (дата обращения 12.02.2013)

4.     Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальности) 190401 Эксплуатация железных дорог [Электронный ресурс]. – URL: http://www.fgosvpo.ru/uploadfiles/fgos/71/20110322133734.pdf (дата обращения 12.02.2013)

5.     Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальности) 190901 Системы обеспечения движения поездов [Электронный ресурс]. – URL: http://www.fgosvpo.ru/uploadfiles/fgos/71/20110322141213.pdf (дата обращения 12.02.2013)

6.     Гришкин А. Д. Инженерная графика: учебное пособие / А. Д. Гришкин; Иркутский государственный университет путей сообщения, Забайкальский институт железнодорожного транспорта. – Чита: ЗабИЖТ, 2009. – 180 с.

7.     Инженерная графика. Конструкторская информатика в машиностроении: учебник для вузов / А. К. Болтухин, С. А. Васин, Г. П. Вяткин,
А. В. Пуш; Ред. А. К. Болтухин, С. А. Васин. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 555 с.

8.     Коваленко Ю.А. Проектно-исследовательская деятельность студентов вуза в условиях информатизации учебного процесса / Ю. А. Коваленко, Т. В. Жуковская
// Международный электронный журнал “Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)” – 2012. –
V. 15 – № 4 – С. 590–602. – ISSN 1436–4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/depository/v15_i4/html/16.html

9.     Сухомлин В. А. Введение в анализ информационных технологий: учебник / В. А. Сухомлин. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 457 с.

10. Свиридова Т. А. Инженерная графика: учебное иллюстрированное пособие / Т. А. Свиридова; Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. – М.: Маршрут, 2003. Ч. 1. – 2003. – 40 c.

11. Свиридова Т. А. Инженерная графика: учебное иллюстрированное пособие / Т. А. Свиридова; Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. – М.: Маршрут, 2005. Ч. 2. – 2005. – 56 с.

12. Свиридова Т. А. Инженерная графика. Элементы строительного черчения: учебное иллюстрированное пособие / Т. А. Свиридова; Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. – М.: Маршрут, 2006. Ч. 3. – 2006. – 55 c.

13.  Свиридова Т. А. Инженерная графика. Основы машиностроительного черчения: учебное иллюстрированное пособие / Т. А. Свиридова; Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. – М.: Маршрут, 2006. Ч. 4. – 2006. – 57 c.

14. Свиридова Т. А. Инженерная графика. Теория изображений: учебное иллюстрированное пособие для студентов вузов, техникумов и колледжей и для профессиональной подготовки работников железнодорожного транспорта / Т. А. Свиридова; Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. – М.: УМЦ ЖДТ, 2009. Ч. 5. – 2009. – 52 c.

15. Бородин А. В. Повышение несущей способности зубчатой передачи тягового редуктора тепловоза / А. В. Бородин, Д. В. Тарута, Т. В. Вельгодская // Известия Транссиба. 2010. № 3. С. 7-11.

16. Бородин А. В. Модернизация тягового редуктора тепловоза / А. В. Бородин,
Д. В. Тарута, Т. В. Вельгодская // Железнодорожный транспорт. 2011. № 6. С. 50-51.