消防仿真模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉凱華

（海南核電有限公司，海南昌江 572733）

0 引言

國(guó)內(nèi)的消防模擬演練多采用真實(shí)場(chǎng)景演練，火災(zāi)情況通過小范圍燃燒易燃物品來模擬真實(shí)火情，受限于模擬火場(chǎng)的范圍，較大過火面積的演練較難實(shí)現(xiàn)，特殊且復(fù)雜的火場(chǎng)情況也很難模擬，提前準(zhǔn)備火場(chǎng)耗時(shí)費(fèi)力，消耗消防員很多不必要的精力，多人跨部門的聯(lián)合演習(xí)更是難以實(shí)現(xiàn)。如何能夠快速模擬火場(chǎng)并通過試驗(yàn)縮短分析火災(zāi)撲滅方式的時(shí)間，以及研究多種滅火方式對(duì)不同火災(zāi)的滅火效果是一個(gè)重要的課題。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種消防仿真模擬器，能夠?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)建模、滅火方式驗(yàn)證以及多人聯(lián)合消防演習(xí)功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

消防仿真模擬器由視景系統(tǒng)、消防仿真分系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)組成。視景系統(tǒng)用于多通道融合顯示，消防仿真分系統(tǒng)用于建模并實(shí)現(xiàn)火災(zāi)和滅火方式的關(guān)聯(lián)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)用于計(jì)算和數(shù)據(jù)通信。

1.1 視景系統(tǒng)

視景系統(tǒng)的主要功能是將計(jì)算機(jī)輸出的多個(gè)通道畫面在投影幕上融合顯示，并通過幾何校正將平面圖像在弧面投影幕上顯示并做到失真度最小。由于本設(shè)計(jì)的每個(gè)通道要求的分辨率是1920×1080@60 Hz，因此圖像顯存的容量至少要達(dá)到2 M×24 bit，由于圖像幾何校正過程中需要頻繁存取數(shù)據(jù)，普通DRAM（Dynamic Random Access Memory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）無法達(dá)到要求，因此顯存芯片需要使用SRAM（StaticRandom-AccessMemory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）且頻率能夠達(dá)到150 MHz，滿足條件的產(chǎn)品僅有Cypress 公司和瑞薩公司的SSRAM 和QDR_RAM，考慮貨源的穩(wěn)定性，采用Cypress 的SSRAM。圖像處理和高速接口處理采用FPGA（Field－Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）作為主控芯片，由于在幾何校正過程中需要大量的并行運(yùn)算，因此DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）或ARM（Advanced RISC Machines，微處理器）并不適合本系統(tǒng)。

1.2 消防仿真分系統(tǒng)

運(yùn)用層次化、模塊化的建模方式，建立火災(zāi)和滅火方式的關(guān)聯(lián)方程，逼真地反應(yīng)火勢(shì)在整個(gè)滅火過程中的變化，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)形成和火災(zāi)撲救兩部分的模擬，以及各種數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。

1.3 計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和千兆以太網(wǎng)構(gòu)成的局域網(wǎng)組成，用于完成模擬器內(nèi)部計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線以及視景系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)也完成各模擬器之間的數(shù)據(jù)通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 視景系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

視景系統(tǒng)用來將服務(wù)器輸出的圖像融合后在投影幕上顯示，主要由投影器和融合卡組成。由于服務(wù)器輸出圖像分為6 個(gè)通道，每個(gè)通道的分辨率為1920×1080，刷新率為60 Hz，硬件部分的工作頻率必須達(dá)到149.5 MHz 才能實(shí)現(xiàn)其功能。常規(guī)視頻融合技術(shù)包括硬融合和軟融合兩種方式，硬融合的優(yōu)勢(shì)是速度快、像素?fù)p失少、清晰度高，缺點(diǎn)是成本高；軟融合的優(yōu)勢(shì)是成本相對(duì)較低，但缺點(diǎn)是像素?fù)p失較多，在相同分辨率情況下清晰度不如硬融合。本設(shè)計(jì)為了達(dá)到更好的顯示效果，視景系統(tǒng)的融合部分采用硬融合技術(shù)，最大限度保證視覺效果。

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖像處理技術(shù)和高速接口技術(shù)，因此采用FPGA 作為本系統(tǒng)的主控芯片。Xilinx 公司的Artix 系列FPGA具有高速、低成本、IP 核豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此采用XC7A100T 芯片?？紤]到VGA（Video Graphics Array，視頻圖形陣列）接口和DVI（Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口）已經(jīng)不再是主流視頻接口，因此本設(shè)計(jì)采用HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清多媒體接口）進(jìn)行圖像傳輸。常用的HDMI 接口芯片廠商包括Lattice 公司、Analog Device 公司以及國(guó)內(nèi)的龍迅公司等，特別是龍迅公司已經(jīng)可以提供4 k60 Hz 的接口芯片，實(shí)力非常強(qiáng)大，本設(shè)計(jì)采用龍迅公司的接口芯片LT8618 和LT8619 作為HDMI 的發(fā)送和接收芯片，這兩款芯片都支持HDMI 1.4b 協(xié)議，最大支持4 k@30 Hz 的視頻格式。視景系統(tǒng)用于存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)的顯存芯片采用Cypress 的SSRAM 芯片CY7C1470，用于存儲(chǔ)幾何校正變換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DDR3 存儲(chǔ)器中，采用兩種存儲(chǔ)芯片的方式可以在保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)降低成本。融合卡硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 視景系統(tǒng)融合卡結(jié)構(gòu)框圖

2.2 計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)主要功能：為模擬器提供各算法模型解算、采集與控制以及視景成像與驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)；完成模擬器內(nèi)部計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線以及視景工作站之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信；完成各模擬器之間的聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。

成像計(jì)算機(jī)保證在視景生成程序的最大負(fù)荷時(shí)，留有10%以上的成像能力；主控計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力具有30%的余量。本系統(tǒng)共采用3 臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)采用千兆以太網(wǎng)，其硬件主要是千兆網(wǎng)交換機(jī)。全系統(tǒng)共有3 個(gè)以太網(wǎng)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)均采用星型連接方式，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 視景系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

視景系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是融合卡軟件設(shè)計(jì)，融合卡的FPGA 程序采用Verilog 硬件語(yǔ)言編制并通過Vivado 編譯環(huán)境進(jìn)行調(diào)試。LT8619 芯片將計(jì)算機(jī)發(fā)來的圖像信號(hào)進(jìn)行解碼，將TMDS（Transitionminimized differential signaling，過渡調(diào)制差分信號(hào)）串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)然后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA 芯片，F(xiàn)PGA 芯片存儲(chǔ)這些圖像數(shù)據(jù)并根據(jù)幾何校正算法進(jìn)行坐標(biāo)變換，幾何矯正后的每個(gè)畫面再進(jìn)行邊緣融合算法的調(diào)整，之后通過LT8618 芯片將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TMDS 的HDMI 串行數(shù)據(jù)輸出給投影器。圖2 為融合卡的軟件流程圖。為了增大傳輸帶寬，兩塊SSRAM 顯存芯片進(jìn)行乒乓操作，最大化的利用存儲(chǔ)帶寬，保證圖像傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖2 視景系統(tǒng)融合卡軟件流程

3.2 消防仿真分系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

消防仿真分系統(tǒng)功能包括對(duì)不同火災(zāi)類型進(jìn)行建模、對(duì)典型的易燃物燃燒過程進(jìn)行建模，另外還對(duì)不同的滅火設(shè)施進(jìn)行建模，模型的準(zhǔn)確性通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保證。單兵消防仿真演習(xí)開始前，教員選擇火災(zāi)類型：燃油、木材、可燃?xì)怏w、電著火等，然后選擇火災(zāi)環(huán)境：建筑內(nèi)、森林、街道等，然后選擇滅火設(shè)施：干粉滅火器或泡沫滅火器等，所有數(shù)據(jù)設(shè)置完成后即可進(jìn)行模擬滅火演練。對(duì)于多單位聯(lián)合滅火演習(xí)，在原有基礎(chǔ)上還需設(shè)置人數(shù)、消防車輛等數(shù)據(jù)。消防仿真分系統(tǒng)功能如圖3 所示。

圖3 消防仿真分系統(tǒng)功能

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的消防演練基本上是消防員通過真實(shí)火場(chǎng)進(jìn)行練習(xí)，這種練習(xí)方式會(huì)消耗很大的人力物力且風(fēng)險(xiǎn)性較大，因此研制一款消防仿真系統(tǒng)顯得尤為重要。對(duì)此，研制一種大規(guī)模分布式消防仿真模擬器，能模擬多種火災(zāi)情況和滅火方式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多人聯(lián)合演習(xí)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證效果良好。