虚拟矿井生产仿真系统的分析与设计.pdf

技 术 创 新 中文核心期刊 微计算机信息 嵌入式与 S O C 2 0 0 6年第 2 2卷第 9 -2期 3 6 0元/年 邮局订阅号8 2 - 9 4 6 现场总线技术应用 2 0 0例 电子设计 仵自连教授级高工 虚拟矿井生产仿真系统的分析与设计 D e s i g nf o r V i r t u a l C o a l Mi n i n gS i mu l a t i o nS y s t e m 平顶山工业职业技术学院仵自连王德永樊 继 Wu , Z i l i a nWa n g , D e y o n gF a n , J i 摘要本文基于面向对象开发过程, 构造了矿井生产仿真系统的总体框架, 建立了矿井漫游虚拟仿真子系统的需求分析和系 统设计的U M L模型。从矿井虚拟仿真系统O O A到O O D阶段, 分别体现了软件复用的特点, 能够买现在可复用的U M L模型 基础上进行矿井生产虚拟仿真系统开发。模型可重用性好, 已得到实际应用验证。 关键词 U ML ;面向对象;虚拟矿井仿真;软件复用 中图分类号 T P 3文献标识码 A A b s t r a c t T h i st e x t a c c o r d i n gt oO b j e c t O r i e n t e dd e v e l o p m e n t p r o c e s s , c o n s t r u c t i n gt h et o t a l f r a m eo f V i r t u a l C o a l M i n i n gS i m u l a t i o n S y s t e m , b u i l d i n gu pt h eU M Lm o d e l o f t h er e q u i r e m e n t a n a l y s i sa n ds y s t e md e s i g nf o rV i r t u a l S i m u l a t i o nS u b - S y s t e mo f C o a l M i n i n g t ot r a v e l . F r o mV i r t u a l S i m u l a t i o nS y s t e mo f C o a l M i n i n gO O At oO O D s t a g e , i n c a r n a t e i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi ss o f t w a r er e - p e a t e du s i n ge a c ho t h e r , t h a t c a r r yo u t v i r t u a l s i m u l a t i o np i p i n gd e v e l o p m e n t t op r o c e s si n d u s t r yw h i c hb a s e do nt h er e p e a t i n gU M L m o d e l . t h em o d e l i sg o o da t r e p e a t , t h a t h a sb e e nv e r i f i e db yp r a c t i c a l a p p l y . K e yw o r d s U ML , O b j e c t O r i e n t e d , V i r t u a l C o a l Mi n i n gS i mu l a t i o n , s o f t w a r e r e u s i n g 文章编号 1 0 0 8 - 0 5 7 0 2 0 0 6 0 9 -2- 0 3 0 8 - 0 3 1引言 系统仿真技术能够使人们通过运行仿真模型获 取必要的感性认识和对系统动态性能的认识。但是随 着虚拟现实技术的不断发展， 从 2 0 世纪 9 0 年代初开 始， 虚拟现实技术与仿真技术逐步结合， 出现了与仿 真模型对应的虚拟现实仿真系统。在虚拟仿真系统运 行过程中， 建模人员和决策人员不仅能够得到各种重 要的仿真数据，而且能够浏览到真实的三维仿真场 景， 从而显著提高了系统运行的直观性和逼真性。 近年来， 国内外在虚拟现实和仿真方面的研究工 作迅速发展。其中在煤矿矿井生产系统虚拟仿真方面 具有十分广阔的应用环境。目前国内外有一些研究机 构和大学在这方面也做了一些研究工作， 但是成熟产 品很少， 完备的虚拟仿真系统更是少见。本文从系统 分析和设计的角度， 对虚拟矿井生产仿真系统开发过 程做了一些有益的探索。 本文将以 U M L 作为建模语台， 按照统一软件开发 过程， 针对虚拟矿井生产仿真系统， 简述如何利用可视 化建模语言 U M L ，以 R a t i o n a l R o s e 作为建模工具， 完 成虚拟矿井生产仿真系统分析与设计建模的过程。 2虚拟矿井生产仿真系统总体框架 虚拟矿井生产仿真系统用途很多， 主要用于模拟 煤矿开采、 安全教育培训和逼灾训练以及矿井设备的 虚拟设计和制造等。 2 . 1需求分析 围绕着系统开发目标， 对虚拟矿井生产仿真系统 进行功能需求分析如下。 1 提供一个矿井生产系统可视化的环境， 能够使 用户在场景中随意浏览。 2 系统为操作人员提供一个控制虚拟矿井生产仿 真系统的人机界面， 能够在各子系统之间导航。 3 系统能够模拟煤矿工人入井过程， 并有相关的 入井安全教育， 并伴有语音提示和介绍。 4 系统能够模拟煤矿采煤工作面采煤工艺流程， 能够进行采煤机、液压支架关键设备操作模拟训练， 并伴有语音提示和文字提示。 5 系统能够模拟矿井井下通风系统风流路线、 排 水系统路线和运煤系统路线。 6 系统模拟各种灾害发生后的逃生路线。 7 系统提供井下主要设备、 设施的三维模型及摆 放位置。 2 . 2设计矿井生产虚拟仿真系统的总体框架 根据以上对系统的功能需求分析， 设计矿井生产 虚拟仿真系统的总体框架如图 1 所示。 2 . 3组成部分 下面对图 1 系统框架中各个组成部分进行详述 1 系统三维模型库。虚拟环境的建立首先要对环 境中的物件进行三维建模与造型。矿井系统三维模型 库是实现矿井生产系统虚拟可视化、 生成系统静态虚 拟场景的基础， 它包括矿井系统中涉及到的典型设备 和井上、 井下场景和虚拟角色， 由三维建模工具构建 3 0 8 -- 邮局订阅号8 2 - 9 4 63 6 0元/年 技 术 创 新 电子设计 P L C技术应用 2 0 0例 您的论文得到两院院士关注 生成。 2 虚拟仿真子系统是整个系统的核心， 它有 3 个 部分组成 ①虚拟控制台。虚拟控制台为操作员提供了一个 控制虚拟矿井系统的人机界面。 ②虚拟矿井场景。根据操作员的操作， 在虚拟矿 井场景中能够显示出矿井生产流程工艺的仿真过程。 ③交互仿真平台。动态交互提供了支撑平台。它 为用户与虚拟管道系统之间的动态交互提供了支撑 平台， 该系统中利用 V i r t o o l s 工具完成。 图 1矿井生产虚拟仿真系统总体架构图 3矿井生产虚拟仿真系统需求U ML 建模 3 . 1用例建模 用例图是由软件需求分析到最终实现的第一步， 它描述人们希望如何使用一个系统。即用例是对目标 系统的业务过程的描述。对于矿井生产虚拟仿真系统 进行用例建模，首先确定系统边界为虚拟仿真子系 统， 然后根据系统边界确定用例图的角色， 包括操作 人员和三维模型库。通过对用户需求的分析， 建立的 用例图如图 2 所示。 图 2矿井生产虚拟仿真系统用例图 在该仿真系统中，最主要的用例是矿井漫游， 其 描述的场景、 事件结构复杂， 包含内容较多， 是整个系 统的核心， 操作人员可以通过该子系统仿真多个生产 过程， 像采煤机割煤过程， 液压支架的移架推流， 综采 工作面以及各种巷道内部设施设备布置，入井过程 等。有必要对其进行详细的用例设计， 矿井漫游子系 统用例图如图 3 所示。 图 3矿井漫游子系统用例图 图 4矿井漫游子系统活动图 3 . 1 . 1 统活动图 对于用例图中的每个用例， 都应有一个详细的用 例事件流程说明，通过描述用例的事件发生过程， 为 最终用户、 领域专家与软件开发人员之间提供一个一 致的沟通场所。由于篇幅所限， 下面仅以 “矿井漫游子 系统” 用例为例， 首先对用例事件做一简单描述， 然后 通过 U M L活动图来展示用例所描述的系统需求， 如 图 4 所示。 1 ）用例前提是用户进入系统漫游子系统控制界 “ 9 ABCDEFGHIJ KLM NOPQR 3 0 9 - - 技 术 创 新 中文核心期刊 微计算机信息 嵌入式与 S O C 2 0 0 6年第 2 2卷第 9 -2期 3 6 0元/年 邮局订阅号8 2 - 9 4 6 现场总线技术应用 2 0 0例 电子设计 面， 然后进入各仿真系统， 在进入各仿真系统之前， 要 首先调入三维模型库， 显示三维静态场景。 2 ） 选择进入各场景， 在各场景内部可以控制虚拟 角色进行漫游， 在各场景内部设有固定碰撞物、 地板 和固定区域， 用于进行碰撞检测， 同时控制摄像机和 灯光跟随虚拟角色。 3 ） 在漫游过程中完成生产过程仿真， 如采煤机割 煤， 运输机运煤和液压支架移架推溜等。 3 . 1 . 2 系统顺序图 从用例事件流程说明中，我们可以发现并抽取 一组分析类 对象 ， 它们是对被建模领域中真实世界 问题域内事务的描述， 而不是指软件设计中的类。 顺 序图是 U M L提供的一种展示用户与系统间交互的 工具。 它描述了参与者与系统之间的交互事件、 事件 发生顺序。由上述述分析类之间相互协作形成的分 析类顺序图，描述了矿井生产虚拟仿真系统的仿真 推进过程，为系统设计建立了一个系统运行基本框 架， 如图 5 所示。 图 5矿井漫游类用例顺序图 3 . 2 矿井漫游虚拟仿真应用子系统设计 U M L 建模 在系统设计阶段，将针对分析阶段提出的用例 事件说明， 开发出用例实现的逻辑解决方案， 这个方 案的核心就是要建立交互图和设计类图。建立交互 图是为了展示满足系统需求各个对象相互之间如何 进行通信。建立设计类图是对要实现的软件类的定 义进行总结。 3 . 2 . 1 设计类图 在分析阶段得到的分析类基础，将分析类转换 为一个或几个可实现的设计类。仍然以矿井虚拟仿 真系统 “矿井漫游” 用例为例， 说明实现该用例所需 的设计类。 3 . 2 . 2 设计类协作图 U M L 提供了交互图 顺序图或协作图 的力法来描 述用例实现的设计类之间是如何完成协作的。虽然协 作图和顺序图表达的都是相似信息， 但是协作图有异 常优越的表达能力， 相对于顺序图能够表达出更多相 关背景信息。因此， 本文采用协作图来展示 “矿井漫 游” 用例实现的设计类实例之间的消息交互。 4结束语 本文在矿井虚拟仿真系统功能需求分析的基础 上， 设计了系统的总体框架， 并针对作为虚拟仿真运 行支撑平台的矿井漫游虚拟仿真应用子系统， 对于用 户通过虚拟控制台进行漫游流程控制， 在虚拟场景中 显示设备运动状态的仿真过程，利用统一建模语台 U M L 进行了面向对象系统分析和设计。 本文作者创新点 在可复用的 U M L 模型基础上进 行矿井生产虚拟仿真系统开发。模型可重用性好， 已 得到实际应用验证。 参考文献 [ 1 ] 韦有双, 杨湘龙, 王飞. 虚拟现实与系统仿真[ M ] . 北京 国防工业 出版社, 2 0 0 4 [ 2 ] G r a d yB o o c h , J a m e s R u m b a u g h , I v a r J a c o b s o n . 邵维忠, 麻志毅, 张文娟, 孟样文译. U M L 用户指南[ M ] . 北京 机械工业出版社, 2 0 0 2 [ 3 ] 蔡敏, 徐慧慧, 黄炳强. U M L基础与 R o s e 建模教程[ M ] . 北京 人 民邮电出版社, 2 0 0 6 [ 4 ] 刘奎平, 袁志勇, 顾晓东. 基于 H L A的水面舰艇反潜仿真系统 研究[ J ] . 微计算机信息, 2 0 0 6 , 7 - 1 3 作者简介 仵自连 1 9 5 5- 男, 河南郸城人, 教授级高工, 研究方向 虚拟现实技术, 软件工程等. B i o g r a p h y Wu Z i L i a n 1 9 5 5- , M a l e , P r o f e s s o ro f E n g i n e e r i n g , r e s e a r c hd i r e c t i o n V i r t u a lr e a l i s t i ct e c h n i q u e , t h es o f t w a r e e n g i n e e r i n ge t c . 4 6 7 0 0 1河南平顶山 平顶山工业职业技术学院 仵自连 王德永 樊继 P i n g d i n g s h a n I n d u s t r i a lC o l l e g e o fT e c h n o l o g y ,h e n a n 4 6 7 0 0 1 , C h i n a Wu , Z i l i a nWa n g , D e y o n gF a n , J i 收稿日期 2 0 0 6 . 1 . 1 7 修稿日期 2 0 0 6 . 2 . 1 3 接 3 1 2 页[ 1 ] A T T 7 0 2 2 应用手册. 珠海炬力集成电路设计有限 公司. [ 2 ] 李维諟， 郭强. 液晶显示控制技术. 电子工业出版社， 2 0 0 1 ， 1 . [ 3 ] C H 3 7 5 中文应用手册. 作者简介 李新龙, 男, 1 9 7 5 . 1 0 , 汉, 本科, 电子工程专业, 主要从事电路控制的研发工作, E - m a i l l x l 9 8 4 6 y a h o o . c o m . c n ; 翟宏范, 男, 河南省国家税务局信息中心主任, 长 期从事信息技术方面的工作; 狄国伟, 男, 1 9 7 5 . 1 2 , 汉, 研 究生, 电子工程专业, 主要研究方向为电路与系统, E - m a i l g w d i g s l t o m . c o m ; 王鑫, 男, 河南省广电厅科技处, 主 要从事信息技术方面的工作 1 0 0 0 3 9北京首科中系希电信息技术有限公司李新 龙 翟宏范 狄国伟 王鑫 B e i j i n gX i - D i a nI n f o r ma t i o nT e c h n o l o g yC o . , L t d . B e i j i n g 1 0 0 0 3 9 L i , X i n l o n gZ h a i , H o n g f a nD i , G u o w e iWa n g , X i n 通讯地址 1 0 0 0 3 9北京丰台 小屯路8号 希电公司 李新龙 收稿日期 2 0 0 6 . 1 . 1 9 修稿日期 2 0 0 6 . 2 . 1 7 3 1 0 --