礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

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目前第三方提供的NANDFlash控制器使用不夠靈活，不能很好地滿足用戶需求，因此文中提出了基于AHB總線的NANDFlash控制器的設(shè)計(jì)方法，采用Verilog實(shí)現(xiàn)，VCS進(jìn)行功能仿真，并在XILINX公司的XC2V500器件中得到驗(yàn)證。

其一，建立事故模型。事故模型的建立分為2種，一種是瓦斯爆炸，另種是涌水。前者是模擬礦井瓦斯爆燃的過程，當(dāng)初始狀態(tài)的溫度和壓力、聲速正常時(shí)，瓦斯爆炸的條件以三角形為準(zhǔn)。

其二，實(shí)行虛擬現(xiàn)實(shí)和安全避災(zāi)仿真技術(shù)。采用計(jì)算機(jī)營造具有真實(shí)感受的三維環(huán)境模擬礦井生產(chǎn)過程，以及進(jìn)行礦井安全防災(zāi)和避災(zāi)的演示。由于礦井中的安全隱患問題，影響著礦井工作人員的生命安全，因此將安全隱患與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行全過程仿真。例如：礦井瓦斯爆炸仿真。在礦井中以隨機(jī)的方式產(chǎn)生爆炸，造成人員傷亡、工作機(jī)械設(shè)備變形等，然后通過安全避災(zāi)仿真技術(shù)，采用三維演示的方式模擬事故發(fā)生前的全過程，找到避災(zāi)的逃生路線。同時(shí)建立避災(zāi)知識(shí)的數(shù)據(jù)庫，將相關(guān)法律和處理方式、應(yīng)急預(yù)案，以及逃生技巧等內(nèi)容進(jìn)行收集、存儲(chǔ)，并融入到礦井計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件中。針對(duì)不同的安全事故，給出不同的處置建議，從多方面進(jìn)行礦井安全模擬。

其三，礦井生產(chǎn)過程的仿真。由于礦井事故的發(fā)生多出現(xiàn)在生產(chǎn)的過程中，因此對(duì)礦井生產(chǎn)過程的仿真是模擬安全事故發(fā)生的根本條件。例如：構(gòu)建模擬礦井擁有軌道和巷道、運(yùn)輸車輛，以及安全設(shè)備等，同時(shí)根據(jù)各自的功能進(jìn)行運(yùn)作的場景。

礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

總體和建模設(shè)計(jì)在礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件中，系統(tǒng)主要由三維模型庫和虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)成。其中，虛擬仿真系統(tǒng)是整個(gè)礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的中心，分別擁有虛擬的控制平臺(tái)和虛擬的場景，以及交互仿真平臺(tái)三者構(gòu)成。虛擬的控制平臺(tái)是操作的人機(jī)界面；場景是按照實(shí)際人員操作的過程，而進(jìn)行仿真過程；交互仿真平臺(tái)則是提供的支撐平臺(tái)，并通過動(dòng)態(tài)的3D引擎所完成操作。創(chuàng)建虛擬環(huán)境以前必須要對(duì)礦井中的環(huán)境物件進(jìn)行三維建模，以實(shí)現(xiàn)虛擬可視化和生成靜態(tài)虛擬場景。確定計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的邊界是虛擬的仿真子系統(tǒng)，根據(jù)用戶的需求以系統(tǒng)的邊界為準(zhǔn)，采用UML建模中的用例建模來決定角色。

計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)和詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為4種：MDB，也就是多媒體數(shù)據(jù)庫，由于它存儲(chǔ)著場景中模型的文字和聲音、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和視頻等，因此它是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源點(diǎn)，處于核心的地位；通過3D引擎中的引擎內(nèi)核、圖形和聲音處理模塊，以及交互和游戲邏輯處理模塊來完成場景的繪制和表達(dá)；然后，采用用戶界面管理虛擬場景中的輸入信息等；最后，利用DL，也就是三維模型格式轉(zhuǎn)換將建模中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件包含著漫游子系統(tǒng)和生產(chǎn)子系統(tǒng)、設(shè)備展示和礦井安全4個(gè)系統(tǒng)部分。其中，漫游子系統(tǒng)和生產(chǎn)子系統(tǒng)，主要是利用虛擬礦工漫游的方式，將礦井中的工作場景以真實(shí)效果的形式進(jìn)行展現(xiàn)。從這個(gè)系統(tǒng)中，不僅可以看到設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，還能對(duì)各工作根據(jù)安全要求做出提示預(yù)警，實(shí)現(xiàn)礦井工作的配合演示與實(shí)際的礦井安全操作訓(xùn)練。同時(shí)通過設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中的排水和煤運(yùn)系統(tǒng)、動(dòng)力和通風(fēng)系統(tǒng)熟悉礦井工作的整個(gè)生產(chǎn)流程；設(shè)備展示和礦井安全，在設(shè)備的展示中主要分為采煤機(jī)和液壓支架，以及移動(dòng)變電站來進(jìn)行設(shè)備的展示，使礦井工作人員更加熟知設(shè)備和熟悉生產(chǎn)過程，而礦井安全則是在整個(gè)礦井工作的時(shí)候，每個(gè)部分都有相對(duì)應(yīng)的安全提示或預(yù)警，幫助工作人員在遇到緊急危險(xiǎn)的時(shí)候，明確熟知怎樣正確去完成操作，避免發(fā)生安全問題。因此，設(shè)置了反風(fēng)系統(tǒng)和火水災(zāi)避災(zāi)系統(tǒng)。

礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

由于礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)針對(duì)的是礦井漫游和系統(tǒng)引擎的實(shí)現(xiàn)。因此在礦井漫游實(shí)現(xiàn)中，通過對(duì)礦井工作人員從骨架和肌肉，以及皮膚三方面進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，以此，確定了人的基本姿態(tài)和虛擬的顯示外觀。根據(jù)三維人體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性，按照人各關(guān)節(jié)相對(duì)的位姿變化，確定三個(gè)坐標(biāo)系：世界和人體基坐標(biāo)系，以及人體各關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系，構(gòu)建工作人員運(yùn)動(dòng)的模型。利用工作面中的鍵盤控制礦井工作人員完成各種運(yùn)動(dòng)，例如：前進(jìn)和后退，左后轉(zhuǎn)動(dòng)。這一系統(tǒng)主要是進(jìn)行安全設(shè)置，如果工作人員在操作時(shí)違反了安全規(guī)程，那么就會(huì)自動(dòng)退出該系統(tǒng)，繼續(xù)對(duì)安全的操作進(jìn)行學(xué)習(xí)。在仿真系統(tǒng)引擎實(shí)現(xiàn)中，由于引擎主要是采取的3D游戲引擎，因此它是高層圖形軟件進(jìn)行開發(fā)最為理想的工具。其中，在引擎中有場景對(duì)象和地形管理、圖形接口，以及規(guī)則管理等。它的函數(shù)類主要有：Level，Engine，Piayer。在場景管理類中設(shè)置對(duì)象：攝像機(jī)，對(duì)場景的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理等。在完成這些操作以后，就要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測試。采用入井的檢測功能，利用鍵盤上的控制鍵控制井下工作人員進(jìn)行井下安全生產(chǎn)過程各項(xiàng)移動(dòng)操作訓(xùn)練。例如：↑，↓，←，→（控制移動(dòng)的方向），Z，C（控制視野大小）。井下非安全的區(qū)域是不可以進(jìn)入的，如果操作人員執(zhí)行了操作，那么將在扣分的同時(shí)，自動(dòng)退出操作，重新進(jìn)行安全規(guī)則內(nèi)容的學(xué)習(xí)。只有通過學(xué)習(xí)以后，才能夠繼續(xù)進(jìn)行下步系統(tǒng)的操作。

結(jié)語

總之，礦井安全計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)軟件，主要是根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)語言來構(gòu)建的一個(gè)針對(duì)模擬真實(shí)礦井生產(chǎn)過程的操作訓(xùn)練模擬軟件。通過在真實(shí)效果的場景中，采用漫游獲取實(shí)時(shí)的礦井?dāng)?shù)據(jù)信息，然后模擬礦井中的生產(chǎn)過程，使工作人員了解和掌握礦井的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)狀況等，同時(shí)根據(jù)安全要求給出適當(dāng)提示與警示。這種系統(tǒng)軟件不但使礦井工作人員在安全問題上得到了更好的培訓(xùn)，還為日后礦井生產(chǎn)提供了重要安全保障。

作者：卜憲憲 單位：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)