虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計

1、 虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計仵自連 王德永 樊繼（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南平頂山 467001）Design for Virtual Coal Mining Simulation System WUZILIAN WANGDEYONG FANJI (Pingdingshan Industrial College of Technology, henan 467001 , China)摘要：本文基于面向?qū)ο箝_發(fā)過程，構(gòu)造了礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的總體框架，建立了礦井漫游虛擬仿真子系統(tǒng)的需求分析和系統(tǒng)設(shè)計的UML模型。從礦井虛擬仿真系統(tǒng)OOA到OOD階段，分別體現(xiàn)了軟件復(fù)用的特點，能夠買現(xiàn)在可復(fù)

2、用的UML模型基礎(chǔ)上進(jìn)行礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)。模型可重用性好，已得到實際應(yīng)用驗證。關(guān)鍵詞：UML，面向?qū)ο螅摂M礦井仿真，軟件復(fù)用中圖分類號： TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AAbstract: This text according to Object Oriented development process, constructing the total frame of Virtual Coal Mining Simulation System, building up the UML model of the requirement analysis and system design fo

3、r Virtual Simulation Sub-System of Coal Mining to travel .From Virtual Simulation System of Coal Mining OOA to OODstage, incarnateing the characteristics which is software repeated using each other, that carry out virtual simulation piping development to process industry which based on the repeating

4、 UML model .the model is good at repeat, that has been verified by practical apply.Keywords: UML, Object Oriented, Virtual Coal Mining Simulation , software reusing1 引言系統(tǒng)仿真技術(shù)能夠使人們通過運(yùn)行仿真模型獲取必要的感性認(rèn)識和對系統(tǒng)動態(tài)性能的認(rèn)識。但是隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，從20世紀(jì)90年代初開始，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與仿真技術(shù)逐步結(jié)合，出現(xiàn)了與仿真模型對應(yīng)的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)。在虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中，建模人員和決策人員不僅能夠得

5、到各種重要的仿真數(shù)據(jù)，而且能夠瀏覽到真實的三維仿真場景，從而顯著提高了系統(tǒng)運(yùn)行的直觀性和逼真性1。近年來，國內(nèi)外在虛擬現(xiàn)實和仿真方面的研究工作迅速發(fā)展。其中在煤礦礦井生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬仿真方面具有十分廣闊的應(yīng)用環(huán)境。目前國內(nèi)外有一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)在這方面也做了一些研究工作，但是成熟產(chǎn)品很少，完備的虛擬仿真系統(tǒng)更是少見。本文從系統(tǒng)分析和設(shè)計的角度，對虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)開發(fā)過程做了一些有益的探索。本文將以UML作為建模語臺，按照統(tǒng)一軟件開發(fā)過程，針對虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)，簡述如何利用可視化建模語言UML，以Rational Rose作為建模工具，完成虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計建模的過程。2 虛擬礦

6、井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)總體框架虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)用途很多，主要用于模擬煤礦開采、安全教育培訓(xùn)和逼災(zāi)訓(xùn)練以及礦井設(shè)備的虛擬設(shè)計和制造等。2.1 需求分析圍繞著系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)，對虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分析如下。1) 提供一個礦井生產(chǎn)系統(tǒng)可視化的環(huán)境，能夠使用戶在場景中隨意瀏覽。2) 系統(tǒng)為操作人員提供一個控制虛擬礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的人機(jī)界面，能夠在各子系統(tǒng)之間導(dǎo)航。3) 系統(tǒng)能夠模擬煤礦工人入井過程，并有相關(guān)的入井安全教育，并伴有語音提示和介紹。4) 系統(tǒng)能夠模擬煤礦采煤工作面采煤工藝流程，能夠進(jìn)行采煤機(jī)、液壓支架關(guān)鍵設(shè)備操作模擬訓(xùn)練，并伴有語音提示和文字提示。5) 系統(tǒng)能夠模擬礦井井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)

7、流路線、排水系統(tǒng)路線和運(yùn)煤系統(tǒng)路線。6) 系統(tǒng)模擬各種災(zāi)害發(fā)生后的逃生路線。7) 系統(tǒng)提供井下主要設(shè)備、設(shè)施的三維模型及擺放位置。2.2設(shè)計礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)的總體框架根據(jù)以上對系統(tǒng)的功能需求分析，設(shè)計礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。 圖1 礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)圖2.3組成部分下面對圖1系統(tǒng)框架中各個組成部分進(jìn)行詳述：1)系統(tǒng)三維模型庫。虛擬環(huán)境的建立首先要對環(huán)境中的物件進(jìn)行三維建模與造型。礦井系統(tǒng)三維模型庫是實現(xiàn)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬可視化、生成系統(tǒng)靜態(tài)虛擬場景的基礎(chǔ)，它包括礦井系統(tǒng)中涉及到的典型設(shè)備和井上、井下場景和虛擬角色，由三維建模工具構(gòu)建生成。2）虛擬仿真子系統(tǒng)是整個系

8、統(tǒng)的核心，它有3個部分組成：虛擬控制臺。虛擬控制臺為操作員提供了一個控制虛擬礦井系統(tǒng)的人機(jī)界面。虛擬礦井場景。根據(jù)操作員的操作，在虛擬礦井場景中能夠顯示出礦井生產(chǎn)流程工藝的仿真過程。交互仿真平臺。動態(tài)交互提供了支撐平臺。它為用戶與虛擬管道系統(tǒng)之間的動態(tài)交互提供了支撐平臺，該系統(tǒng)中利用Virtools工具完成。3礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)需求UML建模31用例建模用例圖是由軟件需求分析到最終實現(xiàn)的第一步，它描述人們希望如何使用一個系統(tǒng)。即用例是對目標(biāo)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)過程的描述。對于礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行用例建模，首先確定系統(tǒng)邊界為虛擬仿真子系統(tǒng)，然后根據(jù)系統(tǒng)邊界確定用例圖的角色，包括操作人員和三維模型庫。

9、通過對用戶需求的分析，建立的用例圖如圖2所示。圖2 礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)用例圖在該仿真系統(tǒng)中，最主要的用例是礦井漫游，其描述的場景、事件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含內(nèi)容較多，是整個系統(tǒng)的核心，操作人員可以通過該子系統(tǒng)仿真多個生產(chǎn)過程，像采煤機(jī)割煤過程，液壓支架的移架推流，綜采工作面以及各種巷道內(nèi)部設(shè)施設(shè)備布置，入井過程等。有必要對其進(jìn)行詳細(xì)的用例設(shè)計，礦井漫游子系統(tǒng)用例圖如圖3所示。圖3 礦井漫游子系統(tǒng)用例圖3.1.1統(tǒng)活動圖對于用例圖中的每個用例，都應(yīng)有一個詳細(xì)的用例事件流程說明，通過描述用例的事件發(fā)生過程，為最終用戶、領(lǐng)域?qū)＜遗c軟件開發(fā)人員之間提供一個一致的溝通場所。由于篇幅所限，下面僅以“礦井漫游子系

10、統(tǒng)”用例為例，首先對用例事件做一簡單描述，然后通過UML活動圖來展示用例所描述的系統(tǒng)需求，如圖4所示。1）用例前提是用戶進(jìn)入系統(tǒng)漫游子系統(tǒng)控制界面，然后進(jìn)入各仿真系統(tǒng)，在進(jìn)入各仿真系統(tǒng)之前，要首先調(diào)入三維模型庫，顯示三維靜態(tài)場景。2）選擇進(jìn)入各場景，在各場景內(nèi)部可以控制虛擬角色進(jìn)行漫游，在各場景內(nèi)部設(shè)有固定碰撞物、地板和固定區(qū)域，用于進(jìn)行碰撞檢測，同時控制攝像機(jī)和燈光跟隨虛擬角色。3）在漫游過程中完成生產(chǎn)過程仿真，如采煤機(jī)割煤，運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤和液壓支架移架推溜等。圖4 礦井漫游子系統(tǒng)活動圖3.1.2系統(tǒng)順序圖從用例事件流程說明中，我們可以發(fā)現(xiàn)并抽取一組分析類(對象)，它們是對被建模領(lǐng)域中真實世界問

11、題域內(nèi)事務(wù)的描述，而不是指軟件設(shè)計中的類。順序圖是UML提供的一種展示用戶與系統(tǒng)間交互的工具。它描述了參與者與系統(tǒng)之間的交互事件、事件發(fā)生順序。由上述述分析類之間相互協(xié)作形成的分析類順序圖，描述了礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)的仿真推進(jìn)過程，為系統(tǒng)設(shè)計建立了一個系統(tǒng)運(yùn)行基本框架，如圖5所示。圖5 礦井漫游類用例順序圖3.2礦井漫游虛擬仿真應(yīng)用子系統(tǒng)設(shè)計UML建模在系統(tǒng)設(shè)計階段，將針對分析階段提出的用例事件說明，開發(fā)出用例實現(xiàn)的邏輯解決方案，這個方案的核心就是要建立交互圖和設(shè)計類圖。建立交互圖是為了展示滿足系統(tǒng)需求各個對象相互之間如何進(jìn)行通信。建立設(shè)計類圖是對要實現(xiàn)的軟件類的定義進(jìn)行總結(jié)。3.2.1設(shè)計類

12、圖在分析階段得到的分析類基礎(chǔ)，將分析類轉(zhuǎn)換為一個或幾個可實現(xiàn)的設(shè)計類。仍然以礦井虛擬仿真系統(tǒng)“礦井漫游”用例為例，說明實現(xiàn)該用例所需的設(shè)計類。3.2.2設(shè)計類協(xié)作圖UML提供了交互圖(順序圖或協(xié)作圖)的力法來描述用例實現(xiàn)的設(shè)計類之間是如何完成協(xié)作的。雖然協(xié)作圖和順序圖表達(dá)的都是相似信息，但是協(xié)作圖有異常優(yōu)越的表達(dá)能力，相對于順序圖能夠表達(dá)出更多相關(guān)背景信息。因此，本文采用協(xié)作圖來展示“礦井漫游”用例實現(xiàn)的設(shè)計類實例之間的消息交互。4 結(jié)束語本文在礦井虛擬仿真系統(tǒng)功能需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了系統(tǒng)的總體框架，并針對作為虛擬仿真運(yùn)行支撐平臺的礦井漫游虛擬仿真應(yīng)用子系統(tǒng)，對于用戶通過虛擬控制臺進(jìn)行漫游

13、流程控制，在虛擬場景中顯示設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)的仿真過程，利用統(tǒng)一建模語臺UML進(jìn)行了面向?qū)ο笙到y(tǒng)分析和設(shè)計。本文作者創(chuàng)新點：在可復(fù)用的UML模型基礎(chǔ)上進(jìn)行礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)。模型可重用性好，已得到實際應(yīng)用驗證。參考文獻(xiàn)1 韋有雙，楊湘龍，王飛·虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真M·北京：國防工業(yè)出版社，2004.2 Grady Booch，James Rumbaugh，Ivar Jacobson·UML用戶指南M·邵維忠，麻志毅，張文娟，孟樣文譯·北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20023 蔡敏，徐慧慧，黃炳強(qiáng)·UML基礎(chǔ)與Rose建模教程M·北京：人民郵電出版社，20064 劉奎平 袁志勇 顧曉東 基于HLA的水面艦艇反潛仿真系統(tǒng)研究 微計算機(jī)信息2006年第7-1期 3頁（作者簡介； 仵自