虚拟矿井生产仿真系统的分析与设计

1虚拟矿井生产仿真系统的分析与设计仵自连王德永樊继（平顶山工业职业技术学院，河南平顶山467001）DesignforVirtualCoalMiningSimulationSystemWUZILIANWANGDEYONGFANJI(PingdingshanIndustrialCollegeofTechnology,henan467001,China)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UML模型。从矿井虚拟仿真系统OOA到OOD阶段，分别体现了软件复用的特点，能够买现在可复用的UML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：UML，面向对象，虚拟矿井仿真，软件复用中图分类号：TP3文献标识码：AAbstract:ThistextaccordingtoObjectOrienteddevelopmentprocess,constructingthetotalframeofVirtualCoalMiningSimulationSystem,buildinguptheUMLmodeloftherequirementanalysisandsystemdesignforVirtualSimulationSub-SystemofCoalMiningtotravel.FromVirtualSimulationSystemofCoalMiningOOAtoOODstage,incarnateingthecharacteristicswhichissoftwarerepeatedusingeachother,thatcarryoutvirtualsimulationpipingdevelopmenttoprocessindustrywhichbasedontherepeatingUMLmodel.themodelisgoodatrepeat,thathasbeenverifiedbypracticalapply.Keywords:UML,ObjectOriented,VirtualCoalMiningSimulation,softwarereusing1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20世纪90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[1]。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UML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UML，以RationalRose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2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。图1矿井生产虚拟仿真系统总体架构图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Virtools工具完成。3矿井生产虚拟仿真系统需求UML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。3三维模型库操作人员矿井安全避灾矿井生产系统仿真生产设备展示系统控制界面communicate综采工作面生产过程仿真矿井漫游入井过程仿真includeincludeextendextendextendextendderivederivederive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。灯光跟随处理操作人员三维模型库井底车场仿真入井过程仿真各种巷道、上下山仿真摄像机控制include碰撞检测矿井漫游使用extendextendextend3D场景调入includeinclude综采工作面生产过程仿真extend设备交互动作设计include使用使用使用使用使用图3矿井漫游子系统用例图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UML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面，然后进入各仿真系统，在进入各仿4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。操作人员操作虚拟角色从系统控制界面进入矿井漫游子系统，该活动开始。进入各场景选择，调入相应三维场景模型井底车场仿真入井过程仿真各种巷道仿真综采工作面生产过程仿真进入罐笼入井工业广场漫游，进入候罐区检查是否满足下井安全条件不符合虚拟角色漫游控制虚拟角色和摄像机运动图4矿井漫游子系统活动图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UML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。操作人员设备类工艺类巷道场景类数学模型类场景显示类1:改变设备状态2:显示状态改变3:改变漫游路径4:更新巷道数学模型5:获得相应巷道属性6:显示相应巷道和有关设备5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UML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UML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UML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UML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，2004.[2]GradyBooch，JamesRumbaugh，IvarJacobson·UML用户指南[M]·邵维忠，麻志毅，张文娟，孟样文译·北京：机械工业出版社，2002[3]蔡敏，徐慧慧，黄炳强·UML基础与Rose建模教程[M]·北京：人民邮电出版社，2006[4]刘奎平袁志勇顾晓东基于HLA的水面舰艇反潜仿真系统研究微计算机信息2006年第7-1期3页（作者简介；仵自连（1955-）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）(Author'sbriefintroduction:WuZiLian(1955-),Male,ProfessorofEngineering,researchdirection:Virtualrealistictechnique,thesoftwareengineeringetc.)