消防仿真模拟器系统设计

2021-07-29刘凯华

设备管理与维修 2021年9期

刘凯华

（海南核电有限公司，海南昌江 572733）

0 引言

国内的消防模拟演练多采用真实场景演练，火灾情况通过小范围燃烧易燃物品来模拟真实火情，受限于模拟火场的范围，较大过火面积的演练较难实现，特殊且复杂的火场情况也很难模拟，提前准备火场耗时费力，消耗消防员很多不必要的精力，多人跨部门的联合演习更是难以实现。如何能够快速模拟火场并通过试验缩短分析火灾扑灭方式的时间，以及研究多种灭火方式对不同火灾的灭火效果是一个重要的课题。针对这些问题，设计并实现了一种消防仿真模拟器，能够实现火灾建模、灭火方式验证以及多人联合消防演习功能。

1 系统设计

消防仿真模拟器由视景系统、消防仿真分系统、计算机和网络分系统组成。视景系统用于多通道融合显示，消防仿真分系统用于建模并实现火灾和灭火方式的关联，计算机和网络分系统用于计算和数据通信。

1.1 视景系统

视景系统的主要功能是将计算机输出的多个通道画面在投影幕上融合显示，并通过几何校正将平面图像在弧面投影幕上显示并做到失真度最小。由于本设计的每个通道要求的分辨率是1920×1080@60 Hz，因此图像显存的容量至少要达到2 M×24 bit，由于图像几何校正过程中需要频繁存取数据，普通DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器）无法达到要求，因此显存芯片需要使用SRAM（StaticRandom-AccessMemory，静态随机存取存储器）且频率能够达到150 MHz，满足条件的产品仅有Cypress 公司和瑞萨公司的SSRAM 和QDR_RAM，考虑货源的稳定性，采用Cypress 的SSRAM。图像处理和高速接口处理采用FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）作为主控芯片，由于在几何校正过程中需要大量的并行运算，因此DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）或ARM（Advanced RISC Machines，微处理器）并不适合本系统。

1.2 消防仿真分系统

运用层次化、模块化的建模方式，建立火灾和灭火方式的关联方程，逼真地反应火势在整个灭火过程中的变化，实现火灾形成和火灾扑救两部分的模拟，以及各种数据库的建立。

1.3 计算机和网络分系统

计算机和网络分系统由计算机和千兆以太网构成的局域网组成，用于完成模拟器内部计算机、现场总线以及视景系统之间的网络通信，同时也完成各模拟器之间的数据通信。

2 硬件设计

2.1 视景系统硬件设计

视景系统用来将服务器输出的图像融合后在投影幕上显示，主要由投影器和融合卡组成。由于服务器输出图像分为6 个通道，每个通道的分辨率为1920×1080，刷新率为60 Hz，硬件部分的工作频率必须达到149.5 MHz 才能实现其功能。常规视频融合技术包括硬融合和软融合两种方式，硬融合的优势是速度快、像素损失少、清晰度高，缺点是成本高；软融合的优势是成本相对较低，但缺点是像素损失较多，在相同分辨率情况下清晰度不如硬融合。本设计为了达到更好的显示效果，视景系统的融合部分采用硬融合技术，最大限度保证视觉效果。

由于本系统设计图像处理技术和高速接口技术，因此采用FPGA 作为本系统的主控芯片。Xilinx 公司的Artix 系列FPGA具有高速、低成本、IP 核丰富等优点，因此采用XC7A100T 芯片。考虑到VGA（Video Graphics Array，视频图形阵列）接口和DVI（Digital Visual Interface，数字视频接口）已经不再是主流视频接口，因此本设计采用HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清多媒体接口）进行图像传输。常用的HDMI 接口芯片厂商包括Lattice 公司、Analog Device 公司以及国内的龙迅公司等，特别是龙迅公司已经可以提供4 k60 Hz 的接口芯片，实力非常强大，本设计采用龙迅公司的接口芯片LT8618 和LT8619 作为HDMI 的发送和接收芯片，这两款芯片都支持HDMI 1.4b 协议，最大支持4 k@30 Hz 的视频格式。视景系统用于存储视频数据的显存芯片采用Cypress 的SSRAM 芯片CY7C1470，用于存储几何校正变换的数据存储于DDR3 存储器中，采用两种存储芯片的方式可以在保证数据传输速率的同时降低成本。融合卡硬件结构框图见图1。

图1 视景系统融合卡结构框图

2.2 计算机和网络分系统硬件设计

计算机和网络分系统主要功能：为模拟器提供各算法模型解算、采集与控制以及视景成像与驱动的计算机平台；完成模拟器内部计算机、现场总线以及视景工作站之间的网络数据通信；完成各模拟器之间的联网数据通信。

成像计算机保证在视景生成程序的最大负荷时，留有10%以上的成像能力；主控计算机运算能力具有30%的余量。本系统共采用3 台计算机进行计算，网络采用千兆以太网，其硬件主要是千兆网交换机。全系统共有3 个以太网子网，每个子网均采用星型连接方式，网络协议采用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

3 软件设计

3.1 视景系统软件设计

视景系统的软件设计主要是融合卡软件设计，融合卡的FPGA 程序采用Verilog 硬件语言编制并通过Vivado 编译环境进行调试。LT8619 芯片将计算机发来的图像信号进行解码，将TMDS（Transitionminimized differential signaling，过渡调制差分信号）串行数据转换为并行数据然后将这些数据发送给FPGA 芯片，FPGA 芯片存储这些图像数据并根据几何校正算法进行坐标变换，几何矫正后的每个画面再进行边缘融合算法的调整，之后通过LT8618 芯片将图像数据转化为TMDS 的HDMI 串行数据输出给投影器。图2 为融合卡的软件流程图。为了增大传输带宽，两块SSRAM 显存芯片进行乒乓操作，最大化的利用存储带宽，保证图像传输的可靠性。

图2 视景系统融合卡软件流程

3.2 消防仿真分系统软件设计

消防仿真分系统功能包括对不同火灾类型进行建模、对典型的易燃物燃烧过程进行建模，另外还对不同的灭火设施进行建模，模型的准确性通过大量的试验数据保证。单兵消防仿真演习开始前，教员选择火灾类型：燃油、木材、可燃气体、电着火等，然后选择火灾环境：建筑内、森林、街道等，然后选择灭火设施：干粉灭火器或泡沫灭火器等，所有数据设置完成后即可进行模拟灭火演练。对于多单位联合灭火演习，在原有基础上还需设置人数、消防车辆等数据。消防仿真分系统功能如图3 所示。