Разработка концепции системы автоматизированного проектирования обуви с применением облачных технологий

Во введении обоснована актуальность темы, обозначены цели и задачи
исследований, отражены научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассмотрена проблема удаленного режима работы при
конструкторской подготовке обувного предприятия. Для выявления
организационно-технических проблем, препятствующих введению такого
режима работы, проведен анализ распространенных САПР обуви, который
показал, что основными препятствиями их применения в удаленном режиме,
являются:
• высокая стоимость систем;
• использование аппаратного ключа защиты дистрибутива САПР,
потеря которого приводит к покупке новой системы;
• низкая эффективность существующих методов оцифровки для
применения в домашних условиях, так как требуют покупки
дорогостоящего дигитайзера под каждое рабочее место;
• оцифровка по изображению контуров лекал, а не чертежа.
Показано, что в области машиностроения проблемы стоимости и защиты
дистрибутива САПР решены за счет применения облачных технологий. Вместе
с тем решены и другие проблемы, свойственные десктопным программным
системам: кроссплатформенность, установка и обновление системы без участия
пользователей.
Анализ технической составляющей облачных информационных систем
показал необходимость переработки всей кодовой базы САПР обуви для
эффективного применения облачных технологий. Разработка ее серверной части
представляет наибольшую трудность, неэффективное разрешение которой
окажет негативное влияние на предоставляемые облачными технологиями
преимущества. В связи с этим, предложено заложить в основу концепции
облачной системы автоматизированного проектирования обуви описание
компонентов структуры системы, их взаимосвязей и выполняемых ими
функций.
Высокая производительность облачной САПР обуви допускает
применение алгоритмов, требовательных к вычислительным мощностям. Для
повышения эффективности модуля оцифровки предложено использовать
средства технического зрения.
Во второй главе рассмотрено понятие архитектуры, представлено
описание структуры облачной САПР обуви, показано ее влияние на скорость
разработки и качество системы в целом. Рассмотрено понятие модуля и причины
разделения системы на модули. Предложены базовые функциональные модули
облачной САПР обуви:
• модуль управления пользователями;
• модуль управления проектами, для решения задачи создания и редактирования
общих данных о моделях обуви;
• модуль моделирования;
• модуль градирования;
• модуль раскроя;
• модуль импорта проектных данных;
• модуль оцифровки;
• модуль экспорта проектных данных.
Спроектированы и проанализированы структуры облачных САПР обуви,
построенных с применением монолитного, микроядерного, сервис-
ориентированного, и микросервисного архитектурных шаблонов. Проведена
оценка архитектур по показателям качества, влияющих на скорость разработки
и эффективность в условиях облачной среды (таб. 1). Исходя из оценок
показано, что архитектура облачной САПР обуви должна быть изменяемой,
чтобы обеспечить ее внедрение в существующий процесс конструирования
предприятий. Такой подход позволяет нейтрализовать разрушительное влияние
частых изменений функционала системы на ее архитектуру.
Предложена гибридная архитектура облачной САПР обуви, в которой
модуль и ядро обеспечивают изменяемость как функционала системы, так и ее
архитектуры.
В третьей главе представлена разработка ядра и модуля оцифровки
облачной САПР обуви.
Для построения ядра сформированы следующие подсистемы:
•движок ядра, обеспечивающий координацию модулей;
•интерфейс предоставления унифицированного доступа к конфигурации
ядра;
•локальное хранилище временных файлов на вычислительном узле;
•глобальное хранилище файлов доступных всем вычислительным узлам;
Таблица 1. Показатели анализа и оценки архитектур облачных САПР обуви
Архитектура
Сервис-
ПоказательМонолитная МикроядернаяМикросервисная
ориентированная
Оценка сложности
Построение
НизкаяСредняяВысокаяВысокая
инфраструктуры
Разработка модулейВысокаяНизкаяНизкаяНизкая
СопровождениеВысокаяСредняяСредняяНизкая
Отладка и
НизкаяВысокаяВысокаяВысокая
тестирование
РазвертываниеНизкаяНизкаяСредняяСредняя
Эффективность
НизкаяСредняяВысокаяВысокая
масштабируемости
Эффективность
НизкаяСредняяСредняяВысокая
отказоустойчивости
ПроизводительностьВысокаяСредняяНизкаяНизкая
Интеграция со
стороннимиВысокаяВысокаяНизкаяНизкая
системами
•репозиторий сервисов системы, которые могут быть подключены к ядру в
вычислительном узле;
•компонент регистрации внутренних сервисов в ядре;
•информатор о сервисах, подключенных в других вычислительных узлах;
•подсистема запуска сервиса и контроля его ресурсов;
•компонент обработки запросов, координирующий сообщения между
сервисами;
•очередь сообщений, временно удерживающая запросы во время высоких
нагрузок;
•сервер для взаимодействия с пользователем и ядрами на других
вычислительных узлах;
•подсистема создания и хранения логов – файлов, содержащих системную
информацию о работе ядра;
•компонент подсчета метрик системы, таких как: количество успешных
запросов, количество ошибок, средняя и максимальная нагрузка на процессор,
средняя и максимальное значение занимаемой оперативной памяти, и т.д.;
•подсистема обеспечения контроля доступа к сервисам;
Для построения модуля оцифровки предложен метод автоматической
обработки изображения чертежа средствами технического зрения. В качестве
устройства получения изображения рекомендовано использовать камеру
смартфона. Разработан алгоритм обработки изображений для последующей
векторизации, состоящий из нескольких этапов. Первый этап – подготовка
чертежа. Для определения положения, границ и масштаба чертежа
предписывается размещение реперных маркеров на изображении. Для
идентификации все маркеры выделяются ярким, насыщенным зеленым цветом.
Такой цвет является наименее встречающимся на изображении чертежа и
наиболее простым для обнаружения. Маркеры необходимо расставлять по
границам чертежа в форме прямоугольника через равное расстояние. Угловые
реперные точки позволяют определить границы чертежа, а промежуточные – его
масштаб (рис. 1).

Рисунок 1. Размещение реперных точек на полотне под чертежом

Второй этап – улучшение видимости элементов изображения. Для этого
выполняется корректировка яркости и контраста техникой выравнивания
гистограммы изображения, после которой все цветовые уровни яркости будут
иметь приблизительно одинаковую частоту появления на изображении. Для
устранения шума применяется алгоритм FNLMD (Fast Non-Local Means
Denoising), который, для принятия решения, проводит поиск схожих структур
пикселей по всему изображению.
Третий этап – обнаружение реперных маркеров. Перед фильтрацией
пикселей, изображение конвертируется в цветовую модель HSV, упрощающей
поиск темных и светлых пикселей одного цвета. По массиву найденных точек
выполняется поиск цепочек, формирующих прямоугольник границы чертежа.
При решении этой задачи используется преобразования Хафа, которое
позволяет найти точки, лежащие на одной прямой.
Четвертый этап – приведение изображения к реальным размерам. На этом
этапе устраняются перспективные искажения, исходя из положения угловых
реперных точек. Масштабирование производится на основе подсчета
количества промежуточных реперных точек и заданного расстояния между
ними (рис. 3).

Рисунок 3. Результат восстановления перспективы
Пятый этап – устранение реперных маркеров. Найденные раннее контуры
реперных точек закрашиваются цветом фона, полученным из гистограммы
изображения. Показано, что качество проделанной операции не имеет значения,
так как при векторизации к изображению будет применен пороговый фильтр.
Для выполнения всех этапов предварительной обработки изображения
предложено использовать открытую библиотеку технического зрения OpenCV.
В качестве системы векторизации предложен открытый программный комплекс
Potrace.
Разработана иерархическая структура данных для хранения результатов
векторизации и обмена информацией между модулями облачной САПР обуви.
Для описания всей графической информации о конструкции верха обуви в
системе выбран интерполяционный сплайн Catmull-Rom. Показано, что
интерполяционный сплайн Эрмита и его частный случай Catmull-Rom позволяет
хранить в базе данных только ключевые точки, поэтому является компактным.
Главная особенность выбранного сплайна заключается в том, что он может быть
преобразован в набор кубических кривых Безье и обратно, позволяя
осуществлять свободный обмен данными между облачной САПР обуви и
сторонними программами, такими как системы векторизации. Объединение
сплайнов в объекты, обладающие семантикой, формирует иерархию,
основанную на уровнях абстракции. Наивысший уровень абстракции
предполагает наличие семантики и отсутствие специального графического
описания. Для сохранения разработанной структуры в базе данных предложено
использовать объектно-реляционные базы данных, которые позволяют
обеспечить высокую производительность, доступность и надежность для всех
видов данных облачной САПР обуви. Сформулированы направления развития
проведенныхисследований,демонстрирующихсостоятельностьи
перспективность представленной концепции облачной САПР обуви.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Рассмотрена проблема удаленной работы в системе автоматизированного
проектирования обуви. Показано, что стоимость системы, ее привязка к
аппаратному ключу и низкая эффективность существующих методов
оцифровки являются препятствиями для применения САПР обуви в режиме
удаленного доступа. Проанализирован текущий уровень состояния
современных САПР с позиций возможностей облачных технологий.
Установлено,чтосуществующиеоблачныеСАПРимеют
машиностроительную направленность и не могут быть применены для
проектирования обуви.
2. Показано, что достоинствами облачных САПР общего назначения перед
десктопными являются кроссплатформенность, быстрое развертывание и
обновление, отсутствие необходимости содержать аппаратный ключ защиты,
простая интеграция с другими системами, меньшая стоимость, возможность
применения технологий, требовательных к вычислительной мощности,
которые позволяют повысить эффективность процесса оцифровки и решить
проблему удаленного применения САПР обуви.
3. Дано общее представление об облачной САПР обуви: основные участники,
их связь с моделями обслуживания и развертывания системы. Для
обеспечения эффективного внедрения облачных технологий в САПР обуви и
ее работы в режиме удаленного доступа предложена концепция, включающая
разработку архитектуры системы, допускающая оцифровку и чертежей с
использованием средств технического зрения.
4. Рассмотрены: понятие архитектуры, критерии, влияющие на процессы
жизненного цикла системы, а также критерии качества. Показана
необходимость модульного подхода при проектировании архитектуры.
Предложены возможные модули облачной САПР обуви: управления
пользователями и проектами, моделирования, градирования, раскроя,
импорта, оцифровки, экспорта.
5. Проведено проектирование архитектуры облачной САПР обуви на основе
шаблонов монолитной, микроядерной, сервис-ориентированной архитектур,
что позволило предложить гибридную архитектуру облачной САПР обуви,
которая в качестве компонентов содержит модели: ядра микроядерной
архитектуры, модуля микросервисной архитектуры, взаимодействия сервис-
ориентированной архитектуры. Показано, что изменение ядра системы и
развертывание инфраструктурных компонентов позволяет с минимальными
трудозатратами перестраивать общую форму архитектуры.
6. Предложена реализация ядра системы и разработаны:
– подсистемы ядра: движок, конфигурация, репозитории локальных и общих
временных файлов, репозиторий сервисов, реестры внутренних и внешних
сервисов, подсистема запуска модулей, обработчик запросов, контейнер
очереди запросов, сервер, логгер, подсистемы мониторинга и обеспечения
контроля доступа;
– пошаговый процесс осуществления аутентификации входящего запроса;
– структуры данных для описания модулей и пересылаемых сообщений;
– модели конфигурации ядра и сервисов, описываемых текстовым форматом
JSON;
– алгоритмы синхронной и асинхронной обработки входящих сообщений,
обработки собственно сообщения, формирования и отправки ответного
сообщения.
7. Разработан модуль оцифровки чертежа обуви с использованием средств
технического зрения, для которого:
предложен метод оцифровки, включающий
– этапы оцифровки – калибровка камеры, подготовка изображения,
векторизация;
– способ калибровки камеры;
– алгоритм подготовки изображения к оцифровке с использованием реперных
точек и библиотеки OpenCV;
разработан:
– сервис управления камерами, выполняющий калибровку камеры, и
осуществляющий контроль за данными, полученными в результате
калибровки;
– сервис оцифровки, реализующий предложенный метод подготовки
изображения к обработке;
– алгоритмы обработки сообщений модулями управления камерами и
оцифровки.
8.Разработана модель проектных данных, иерархия которой основана на
уровнях абстракции. Предложено в качестве основного графического
примитива использовать сплайн Catmull-Rom для компактного хранения
информации в базе данных и обеспечения конвертируемости между моделью
проектных данных и сторонними системами.
9.Рассмотрев современные базы данных, их достоинства и недостатки,
предложено использовать объектно-реляционную систему управления базами
данных, например, PostgreSQL, которая позволяет хранить как реляционные, так
и нереляционные данные.
10. Отдельные положения диссертации прошли апробацию в условиях АО
«Егорьевск-обувь», результаты которой подтверждают не только
эффективность предложенного метода оцифровки, но и модуля в целом.

РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ
ТЕМЫ

1.Результаты работы рекомендуется использовать в учебном процессе
вузов, осуществляющих подготовку бакалавров и магистров по направлениям
«Конструирование изделий легкой промышленности» и «Технология изделий
легкой промышленности», на предприятиях, выпускающих обувь, в том числе
специальную, включая медицинскую, в модернизации программного
обеспечения САПР и институтах дополнительного образования для развития
новых компетенций, ориентированных на цифровизацию экономики.
2.Предлагаемая концепция может получить развитие в совершенствовании
проектирования при построении инфраструктуры и эволюции облачной САПР
обуви; ритейл-ориентации – более тесное взаимодействие с покупателями;
векторе корпоративности – создание единой информационной среды
предприятия.