消防仿真模擬器系統設計

劉凱華

（海南核電有限公司，海南昌江 572733）

0 引言

國內的消防模擬演練多采用真實場景演練，火災情況通過小范圍燃燒易燃物品來模擬真實火情，受限于模擬火場的范圍，較大過火面積的演練較難實現，特殊且復雜的火場情況也很難模擬，提前準備火場耗時費力，消耗消防員很多不必要的精力，多人跨部門的聯合演習更是難以實現。如何能夠快速模擬火場并通過試驗縮短分析火災撲滅方式的時間，以及研究多種滅火方式對不同火災的滅火效果是一個重要的課題。針對這些問題，設計并實現了一種消防仿真模擬器，能夠實現火災建模、滅火方式驗證以及多人聯合消防演習功能。

1 系統設計

消防仿真模擬器由視景系統、消防仿真分系統、計算機和網絡分系統組成。視景系統用于多通道融合顯示，消防仿真分系統用于建模并實現火災和滅火方式的關聯，計算機和網絡分系統用于計算和數據通信。

1.1 視景系統

視景系統的主要功能是將計算機輸出的多個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。由于本設計的每個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到2 M×24 bit，由于圖像幾何校正過程中需要頻繁存取數據，普通DRAM（Dynamic Random Access Memory，動態隨機存儲器）無法達到要求，因此顯存芯片需要使用SRAM（StaticRandom-AccessMemory，靜態隨機存取存儲器）且頻率能夠達到150 MHz，滿足條件的產品僅有Cypress 公司和瑞薩公司的SSRAM 和QDR_RAM，考慮貨源的穩定性，采用Cypress 的SSRAM。圖像處理和高速接口處理采用FPGA（Field－Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）作為主控芯片，由于在幾何校正過程中需要大量的并行運算，因此DSP（Digital Signal Processing，數字信號處理）或ARM（Advanced RISC Machines，微處理器）并不適合本系統。

1.2 消防仿真分系統

運用層次化、模塊化的建模方式，建立火災和滅火方式的關聯方程，逼真地反應火勢在整個滅火過程中的變化，實現火災形成和火災撲救兩部分的模擬，以及各種數據庫的建立。

1.3 計算機和網絡分系統

計算機和網絡分系統由計算機和千兆以太網構成的局域網組成，用于完成模擬器內部計算機、現場總線以及視景系統之間的網絡通信，同時也完成各模擬器之間的數據通信。

2 硬件設計

2.1 視景系統硬件設計

視景系統用來將服務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。由于服務器輸出圖像分為6 個通道，每個通道的分辨率為1920×1080，刷新率為60 Hz，硬件部分的工作頻率必須達到149.5 MHz 才能實現其功能。常規視頻融合技術包括硬融合和軟融合兩種方式，硬融合的優勢是速度快、像素損失少、清晰度高，缺點是成本高；軟融合的優勢是成本相對較低，但缺點是像素損失較多，在相同分辨率情況下清晰度不如硬融合。本設計為了達到更好的顯示效果，視景系統的融合部分采用硬融合技術，最大限度保證視覺效果。

由于本系統設計圖像處理技術和高速接口技術，因此采用FPGA 作為本系統的主控芯片。Xilinx 公司的Artix 系列FPGA具有高速、低成本、IP 核豐富等優點，因此采用XC7A100T 芯片。考慮到VGA（Video Graphics Array，視頻圖形陣列）接口和DVI（Digital Visual Interface，數字視頻接口）已經不再是主流視頻接口，因此本設計采用HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清多媒體接口）進行圖像傳輸。常用的HDMI 接口芯片廠商包括Lattice 公司、Analog Device 公司以及國內的龍迅公司等，特別是龍迅公司已經可以提供4 k60 Hz 的接口芯片，實力非常強大，本設計采用龍迅公司的接口芯片LT8618 和LT8619 作為HDMI 的發送和接收芯片，這兩款芯片都支持HDMI 1.4b 協議，最大支持4 k@30 Hz 的視頻格式。視景系統用于存儲視頻數據的顯存芯片采用Cypress 的SSRAM 芯片CY7C1470，用于存儲幾何校正變換的數據存儲于DDR3 存儲器中，采用兩種存儲芯片的方式可以在保證數據傳輸速率的同時降低成本。融合卡硬件結構框圖見圖1。

圖1 視景系統融合卡結構框圖

2.2 計算機和網絡分系統硬件設計

計算機和網絡分系統主要功能：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動的計算機平臺；完成模擬器內部計算機、現場總線以及視景工作站之間的網絡數據通信；完成各模擬器之間的聯網數據通信。

成像計算機保證在視景生成程序的最大負荷時，留有10%以上的成像能力；主控計算機運算能力具有30%的余量。本系統共采用3 臺計算機進行計算，網絡采用千兆以太網，其硬件主要是千兆網交換機。全系統共有3 個以太網子網，每個子網均采用星型連接方式，網絡協議采用UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）。

3 軟件設計

3.1 視景系統軟件設計

視景系統的軟件設計主要是融合卡軟件設計，融合卡的FPGA 程序采用Verilog 硬件語言編制并通過Vivado 編譯環境進行調試。LT8619 芯片將計算機發來的圖像信號進行解碼，將TMDS（Transitionminimized differential signaling，過渡調制差分信號）串行數據轉換為并行數據然后將這些數據發送給FPGA 芯片，FPGA 芯片存儲這些圖像數據并根據幾何校正算法進行坐標變換，幾何矯正后的每個畫面再進行邊緣融合算法的調整，之后通過LT8618 芯片將圖像數據轉化為TMDS 的HDMI 串行數據輸出給投影器。圖2 為融合卡的軟件流程圖。為了增大傳輸帶寬，兩塊SSRAM 顯存芯片進行乒乓操作，最大化的利用存儲帶寬，保證圖像傳輸的可靠性。

圖2 視景系統融合卡軟件流程

3.2 消防仿真分系統軟件設計

消防仿真分系統功能包括對不同火災類型進行建模、對典型的易燃物燃燒過程進行建模，另外還對不同的滅火設施進行建模，模型的準確性通過大量的試驗數據保證。單兵消防仿真演習開始前，教員選擇火災類型：燃油、木材、可燃氣體、電著火等，然后選擇火災環境：建筑內、森林、街道等，然后選擇滅火設施：干粉滅火器或泡沫滅火器等，所有數據設置完成后即可進行模擬滅火演練。對于多單位聯合滅火演習，在原有基礎上還需設置人數、消防車輛等數據。消防仿真分系統功能如圖3 所示。

圖3 消防仿真分系統功能

4 結語

現有的消防演練基本上是消防員通過真實火場進行練習，這種練習方式會消耗很大的人力物力且風險性較大，因此研制一款消防仿真系統顯得尤為重要。對此，研制一種大規模分布式消防仿真模擬器，能模擬多種火災情況和滅火方式，并且能夠實現多人聯合演習，經過現場使用驗證效果良好。