矿井通风系统三维建模及仿真系统总体设计.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期2006205217 作者简介李超1979 - ,男,河南焦作人,在读硕士,主要从事多媒体技术研究。 第26卷 第3期 2006年9月 山 西 煤 炭 SHANXI COAL Vol126 No. 3 Sep. 2006 矿井通风系统三维建模及仿真系统总体设计 李 超,陈俊杰,高云峰 太原理工大学 计算机与软件学院,山西 太原030024 摘 要介绍了设计矿井通风系统三维建模及仿真系统所需要的主要知识,即UML语言和 OpenGL技术。然后对该系统进行了总体的设计,设计分三层用户层、 业务层和数据层,其中业务 层设计5个功能模块,不同层之间、 不同模块之间只设计有一个数据接口,降低了层间、 模块间的耦 合度,提高了模块的可重用性。最后绘制了总体框图。 关键词通风系统;三维建模;仿真;OpenGL ;总体设计 中图分类号 TD726 ; TP311113413 文献标识码A 文章编号1672250502006 0320004203 矿井通风系统三维建模及仿真系统是指利用 OpenGL技术从底层开发井下巷道及其附属物的三 维模型,并在此模型基础上实现井下漫游、 通风网络 解算、 监测监控系统模拟、 通风状况预测等功能。 1 UML及软件系统架构 统一建模语言UML Unified Modeling Lan2 guage是一种直观化、 明确化、 文档化软件系统产物 通用的可视化建模语言,目前已经成为可视化建模 语言事实上的工业标准。UML中溶入了软件工程 领域的新思想、 新方法和新技术,但它是语言,而不 是方法。 软件系统设计的第一步就是确定软件的架构, 软件的架构决定了各子系统如何组织以及如何协调 工作,架构设计的好坏影响到软件的好坏。进行架 构设计时,有2个重要的原则可以遵循。 111 分层 软件架构通常采用典型的3层结构 a1 表示层 用户界面; b1 业务层 业务处理流程; c1 数据层 持久化存储。 也可以分为更多的层,关键是要尽量提高层内 各功能的内聚,降低各层之间的耦合。 1. 2 各层之间的通讯 设计接口时要尽量遵守高层只能调用它的下一 层提供的接口这样的约束。各层之间的通信如图1 所示。 图1 层间通信图 2 OpenGL原理及步骤 [224] OpenGL Open Graphics Library是目前最新 的开放式的三维图形标准,是硬件与图形的软件接 口,独立于硬件和操作系统。OpenGL的函数库总 括为如下几类基本库、 实用库、 辅助库、Windows 专用库和Win32API。 利用OpenGL实现图形显示的一般步骤是 a1 设定设备环境的像素格式。 b1 建立 “着色描述表” 。 c1 建立模型。 d1 场景和环境设置。把景物放到三维空间合 适的位置,设置三维透视体以观察场景。 e1 光栅化并屏幕显示。把景物及其颜色信息 转化为可以在计算机屏幕上显示的像素格式,并在 屏幕上显示出三维模型。 3 系统的总体设计 [1] 3. 1 用户界面层User Interface 31111 设计用户界面 31112 设计类CUIData ,存储输入的参数数据 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3. 2 业务逻辑层Business Logic 针对业务逻辑层,需要设计的模块有数据接口 模块、 井下巷道三维建模模块、 通风网络解算模块、 通风系统动态模拟模块、 通风系统预测模块等。 3. 2. 1 数据接口模块 数据接口模块设计1个类,其功能如下所述 类CBLData实现业务逻辑层和用户界面层或 数据逻辑层之间的数据交换。业务逻辑层与用户界 面层或数据逻辑层的数据交换只能通过此接口实 现,除了实现本层与外层之间的交换外还要存储本 层需要的所有数据。业务逻辑层的所有其它模块之 间不相互传递数据,模块之间的数据传递只能通过 CBLData实现。 3. 2. 2 井下巷道三维建模模块 井下巷道三维建模模块设计3个类,其功能分 别如下所述 a1 类CBLModelData只能和CBLData实现数 据交换,不能与本层的其它模块进行数据通信。主 要实现以下3个功能存储本模块需要的所有数据; 实现此模块和本层数据模块的数据交换,从数据接 口模块中获取本模块所需要的数据或将本模块操作 的结果数据传递给本层的数据接口模块;对接受参 数进行处理,针对从CBLData获得的数据进行相应 的处理,对起止坐标数据,在以一个为基点后,其它 的转化成相对于这一点的坐标;根据每条巷道或井 筒中心线的起止坐标和其断面形状及参数计算巷道 或井筒断面的起止坐标,尤其是计算交叉巷道的断 面的起止坐标;根据巷道或井筒的支护形式,确定其 通风阻力系数等。 b1 类CBLModelSetting完成OpenGL的初始 化、 场景设置、 投影等方面的设置。 c1 类CBLModelDrawing实现各种巷道的绘 制、 通风构筑物的绘制、 巷道连接处的计算、 巷道的 纹理贴图等。通过此类的操作可以实现三维模型的 构建。 3. 2. 3 通风系统动态模拟模块 通风系统动态模拟模块设计3个类,其功能分 别如下所述 a1 类CBLSimulationData实现与CBLData之 间的数据交换,并对接受的数据进行处理。存储本 模块需要的所有数据。 b1 类CBLSimulationWalking实现漫游以及漫 游过程中的碰撞检测、 局部窗口和整体窗口的同步 显示,以及模型的旋转、 缩放、 平移等。 c1 类CBLSimulationSurveilling模拟矿井监测 监控系统,并根据用户的操作如开闭风门、 调节风 窗等实时调整模拟系统的显示。 3. 2. 4 通风系统预测模块 通风系统预测模块设计2个类,其功能分别如 下所述。 图2 系统框架图 5第3期 李 超等矿井通风系统三维建模及仿真系统总体设计 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. a1 类CBLForecastData实现与CBLData之间 的数据交换,并对接受的数据进行处理。存储本模 块需要的所有数据。 b1 类CBLForecastForecasting基于神经网络 的知识,根据矿井实测的数据不断调整网络,待网络 稳定后即可预测不同时期的通风状况。 3. 2. 5 通风网络解算模块 通风网络解算模块设计2个类,其功能分别如 下所述 a1 类CBLCalculationData实现与CBLData之 间的数据交换,并对接受的数据进行处理,存储本模 块需要的所有数据。 b1 类CBLCalculationCalculating进行通风网 络解算并显示。 3. 3 数据逻辑层Data Logic 在数据库与业务逻辑层之间设计一数据交换模 块,实现面向对象的软件设计。 3. 3. 1 数据交换模块 数据交换模块设计1个类,其功能如下 类CDLConnection实现数据库与软件之间的 连接。对将连接后接受的表数据转化为面向对象的 数据。也将从业务逻辑层接受的面向对象的数据转 化为数据库能识别的表数据。 系统总体框架如图2所示。 4 结论 本文讨论的是系统的框架设计。设计将软件系 统架构成三层,不同层间只有一个供上层访问的接 口。在业务逻辑层中构建了5个模块,不同的模块 间不进行通信,每个模块也只有一个接口,实现和本 层数据模块的通信。这种设计明显降低了各层、 各 模块之间的耦合度,提高了程序模块的可重用性。 然而系统的架构是否完全可靠,还得视后面的详细 设计以及系统的具体程序实现的难易程度而定。 参考文献 [1] 毛善君,熊伟.煤矿虚拟环境系统的总体设计及初步实现[J ].煤炭学报,20055 5712575. [2] 蒋立华等.多窗口OpenGL程序的实现[J ].计算机工程与应用,200327 1352137. [3] 王映辉. 3D建模与编程技术[J ].计算机应用研究,20041 37242. [4] 徐俊波等.基于MFC的OpenGL三维图形类的创建[J ].科学技术与工程,200517 1 30921 312. The Frame Design of Three2dimensional Modeling and Simulating for Coal Mine Ventilation System LI Chao,CHEN Jun2jie, GAO Yun2feng College of Computer and Software , Taiyuan University of Technology , Taiyuan Shanxi 030024 ,China Abstract Firstly , weintroduced the necessary knowledge for three - dimensional modeling and simulating system of coal mine ventilation system. The system was designed. There are three layers User Interface , Business Logic and Data Logic. The Business Logic layer has five mod2 ules. At the last , the graphics of the frame was showed. Key words ventilation system ; three2dimensional modeling; simulating; OpenGL ; frame de2 sign 本文责任编辑 刘大为 6山 西 煤 炭 第26卷