仿真机盘台三维实时仿真系统的面向对象实现哈尔滨工程大学经济与管理学院张海峰黑龙江省二轻职工大学黄媛媛
摘要：本文介绍了一种基于面向对象程序设计方法的仿真机盘台三维实时仿真系统。该系统采用面向对象的方法，将物体的属性和操作方法封装在一个对象内，较好地解决了编制计算机软件实现三维图形实时仿真的问题。
关键词：面向对象程序设计三维实时仿真仿真机
1引言
随着计算机技术及计算机图形学的发展，三维立体仿真技术已经得到了广泛的研究。尤其是在航空航天、核电站等危险领域，为了更准确地评价系统的性能，或提高操作员的操作技能，有关机构正在研制各种仿真机、模拟器。利用计算机技术及计算机图形处理技术对系统进行图形图像模拟，是目前仿真技术研究的主要方向之一。本文所介绍的就是某电站仿真机盘台显示系统的三维实时仿真的实现方法。
2技术简介
本系统采用了目前流行的Client/Server(客户机/服务器)两层结构的通信方式。服务器采用Unix工作站进行仿真计算；客户机采用WindowsNT工作站进行图形仿真输出。这主要是考虑到，服务器不但要支持多个模拟程序的系统状态仿真运算，而且要求系统的刷新率小于0.1秒钟，因此要求服务器性能稳定、计算速度快。相比之下，Unix更适合这种要求。而WindowsNT则可以提供比较好的用户界面的支持，及更多的第三方软件支持。
本系统还采用了目前十分流行的3D建模工具之一OpenGL和VisualC 6.0应用系统开发平台。OpenGL是一种高端CAD/CAM，建模、动画、仿真以及其他3D图像表现的精确的三维技术。它允许应用程序生成高质量的独立于窗口系统、操作系统以及硬件的彩色图像。它包括了100多个图形函数，可以利用这些函数来建立三维模型和进行三维实时交互。OpenGL与VisualC 6.0之间有着良好地完成三维图形图像的仿真显示。
本系统的通信采用了TCP/IP协议和套接字(Socket)技术。TCP/IP协议是网络互联的标准协议，几乎所有的网络操作系统都支持该协议，为了实现系统的跨平台运行，这里采用了TCP/IP协议来进行网络通信。为了提高系统收发信息的速度及系统的安全性，系统采用了面向联接的服务。套接字技术是实现面向联接服务的关键。
3系统总体设计
本系统主要由6个模块和1个缓冲区组成，如图1所示。(1)调整参数模块1
调整参数模块1仿真的是实际电站仿真机中，仿真机教练员台在仿真过程中加入故障的模块。在进行仿真计算的工作站上可以调整仿真机的运行参数，以求达到测试学员对故障的判断和应变能力。
(2)调整参数模块2
调整参数模块2仿真的是实际电站中，控制台上操作员启动、运行、停机过程中，为达到电站安全、高效运行，而进行的调整各系统的状态参数的过程。
(3)仿真计算模块
仿真计算模块用于仿真计算实际电站各子系统在运行中的温度、压力及其他参数的变化情况。
(4)通讯模块
仿真系统通讯模块，一方面负责把仿真计算工作站上的仿真计算结果传递给终端；另一方面负责把终端的控制信息发送给仿真计算工作站。
(5)实体仿真模块
这个模块主要实现了实体(盘台、仪表、旋钮、指示灯)的运动模型。每组仿真计算结果都与一组不同的实体状态相对应。
(6)OpenGL显示模块
这个模块的作用是，将实体的状态以三维的图形或曲线显示出来。
4系统工作流程
仿真系统需要通过服务器和终端的协调工作才能完成，系统的总体流程如图2所示。
仿真服务器的仿真程序不但要很好地完成对系统的仿真运算，而且还要完成与客户端的数据交互通信，图中两个程序之间的虚线表示客户端向仿真服务器申请联接所发出的命令请求，而实线则表示系统运行过程中两个程序之间的数据通信。
基本思想：
闭环控制系统：系统为一闭环控制系统，如图3所示：
这主要体现在三个方面：一方面，操作人员根据终端所显示的系统状态来设置或调节系统的运行参数，控制系统保持正常的工作状态或教练员设置系统故障用于测试操作员的应急能力。这是通过程序调用调整参数模块1来实现的。当终端进行参数调整后，调整参数模块2调用通讯模块将所调整的参数数值上传给服务器；另一方面，仿真服务器接到调整参数信息后，立即修改用于仿真运算的系统参数。下一个仿真周期，系统将采用新的参数进行系统仿真运算，这是通过调用调整参数模块2来实现的；再有，就是仿真服务器每个仿真周期中都对系统的运行状况进行仿真模拟运算，运算结束后，调用通讯模块将仿真计算结果下传给仿真终端。
5面向对象模型设计技术
在实体仿真模块中采用了面向对象(Object_Oriented)的模型设计技术。面向对象设计的基本思想是：把客观的实体当作对象来看待，实体的外观、组成、位置、运动状态等等共同构成了实体对象。类则是同一类型实体的共同特性的描述，每一个具体的实体都是其类的一个实例(即对象)。一方面，这种技术最大的特点是其可移植性好、可重用性好、可修改性好，类之间具有继承性，所以使程序开发时重复劳动大大减少，开发时间大大缩短；另一方面，系统在进行平移或旋转操作时，各种实体需要当作一个整体来处理，如：在进行平移或旋转操作时，仪表的指针应随着仪表盘一起运动，相对位置不变。这样，客观上就要求，利用面向对象的技术对盘台上的各种仪器进行模拟，如图4所示是对系统中各种类的定义。
当系统进行平移或旋转操作时，就会调用CPanel类的方法Pmove()；而Pmove就会调用其各成员仪表、按钮、指示灯的方法Wmove()、Rbmove()、Lmove()；如果对象还包含其他子成员则在父对象的方法中需继续调用其子成员的相应方法，以实现整个盘台的运动。在盘台运动时，盘台上各实体与盘台的相对位置是保持不变的，即成员对象运动的坐标原点是盘台的中心。6结束语
本文介绍了利用面向对象程序设计方法对仿真机盘台进行三维实时仿真的方法及其实现。经过运行测试和实际运用，证实该系统具有以下特点：仿真效果好、易于实现、便于维护、设计及维护成本低、占地面积小等特点。较好地解决了在学校或企业利用有限的场地和资金为广大学生及运行操作人员提供单人或集体培训，提高操作水平及应急能力的问题，该技术具有广泛的应用前景。参考文献［１］唐世林.电站计算机仿真技术［Ｍ］.科学出版社，1996
［２］白建军，朱亚平，等.OpenGL三维图形设计与制作［Ｍ］.人民邮电出版社，1999自动化技术与应用