低溫多效海水淡化仿真培訓平臺的研制及應(yīng)用

肖亞蘇，俞永江，李 楠，康 權(quán)，王金燕

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

我國海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，市場需求空間巨大，大型裝置不斷涌現(xiàn)，但大部分由國外主導承建，國內(nèi)缺乏加工制造和運行維護實踐，技能型員工短缺問題日益凸顯。國務(wù)院辦公廳[2012]13號文《關(guān)于加快海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》提出要強化海水淡化宣傳培訓，提高在崗人員的專業(yè)素質(zhì)和技能水平以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展需求。但海水淡化領(lǐng)域一直沿襲理論教學、書面考核和見習值班等傳統(tǒng)培訓模式，存在培訓周期長、業(yè)務(wù)針對性差、誤操作風險高等問題。因此，現(xiàn)有培訓水平與國家大力發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)步驟不協(xié)調(diào)[1-2]。

本文針對上述問題，借鑒民航、高鐵、核電等高端領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗[3]，研制了一套面向低溫多效蒸餾MED（multi-effect distillation）海水淡化過程控制的全數(shù)字仿真平臺，用于研究模擬仿真核心技術(shù)，實現(xiàn)海水淡化虛擬現(xiàn)實場景下的操作與控制，具備崗前培訓、在崗培訓、事故預(yù)演和技能鑒定等功能，對提高培訓質(zhì)量和效率、改善裝置運行水平、填補海水淡化領(lǐng)域仿真培訓研究空白等方面具有十分重要的意義。

1 仿真培訓現(xiàn)狀

仿真技術(shù)是綜合采用計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實和分布交互式仿真等先進技術(shù)，建立一個與實際裝置運行狀況相同或相似的仿真環(huán)境，參訓人員在其中接受訓練，增強其對實際系統(tǒng)操作的控制能力和對事故的判斷處理能力。近年來，針對復雜大系統(tǒng)的分析與設(shè)計需要，仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一系列新的仿真技術(shù)，如：面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)、分布式交互仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)、建模與仿真的校核、驗證和確認（VV&A）技術(shù)?；谔摂M現(xiàn)實的仿真培訓將是今后主流發(fā)展方向[4]。

仿真培訓具有不受客觀條件限制、有效避免誤操作可能造成的設(shè)備損壞或人身傷害、培訓周期短及培訓效率高等優(yōu)點，在石油化工、航空航天、電力等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但海水淡化領(lǐng)域仍處于空白。隨著我國海水淡化產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，研制出大型MED裝置虛擬操作環(huán)境，對提高從業(yè)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和操作水平，促進海水淡化產(chǎn)業(yè)升級等方面至關(guān)重要。

2 總體架構(gòu)設(shè)計

低溫多效蒸餾海水淡化仿真培訓系統(tǒng)主要包含DCS控制仿真、大型裝置虛擬樣機和管理評價系統(tǒng)3部分，框架如圖1所示。

圖1 平臺框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Platform frame structure

平臺設(shè)計采用局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要由教師站、學員站及投影儀等硬件設(shè)備組成，為減少開發(fā)成本，精簡了專用仿真鍵盤和觸屏。教師站利用LABVIEW軟件開發(fā)DCS工藝監(jiān)控流程，具備PID參數(shù)優(yōu)化和故障考核設(shè)置等功能；學員站利用三維軟件對裝置進行三維建模，開發(fā)人機交互技術(shù)，具備虛擬場景下的操作與控制。教師站和學員站之間采用TCP/IP通訊，實現(xiàn)過程控制仿真與虛擬樣機間的數(shù)據(jù)交換。

3 平臺的研制

3.1 DCS過程控制仿真

針對低溫多效蒸餾海水淡化工藝特點和控制要求，根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡，建立了蒸發(fā)器、冷凝器和閃蒸罐的數(shù)學模型，并對控制模型（液位、流量、溫度等）進行離散化處理[5-6]。采用單回路PID控制系統(tǒng)，以LABVIEW作為圖形化界面開發(fā)平臺，開發(fā)完成裝置DCS過程控制仿真系統(tǒng)。

3.1.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

過程控制仿真軟件由線程調(diào)度模塊、數(shù)學模型模塊、教師指令模塊、顯示模塊、報警模塊、通信模塊、DCS操作員模塊和現(xiàn)場操作模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software module structure

3.1.2 數(shù)學模型建立

過程控制仿真系統(tǒng)中的液位是通過水泵的轉(zhuǎn)速來控制，根據(jù)過程的內(nèi)在機理建立液位控制系統(tǒng)模型[7]。設(shè)水箱的液位為h，進入水箱的流量為Q1，水泵的流量為Q2。根據(jù)動態(tài)物料守恒有：

其中，A為水箱的橫截面積。設(shè)ΔQ=Q1-Q2，則過程傳遞函數(shù)為

過程控制仿真系統(tǒng)中的流量同樣是通過泵的轉(zhuǎn)速來控制。在同樣的管路條件下，泵的轉(zhuǎn)速降低，流量也相應(yīng)降低。轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系為

過程控制仿真系統(tǒng)中的溫度是通過控制消除過熱泵的轉(zhuǎn)速來控制。噴射泵制冷系統(tǒng)的模型是慣性環(huán)節(jié)加延時環(huán)節(jié)。為滿足仿真的快速性，控制模型簡化為一個慣性環(huán)節(jié)。

3.1.3 離散化處理

上述MED過程控制對象的數(shù)學模型都是連續(xù)的，仿真時要把連續(xù)的數(shù)學模型離散化。本文采用雙線性變換法來實現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的離散化。雙線性變換法即：

其中，T0為采樣時間，本文中指仿真時間。對液位控制對象進行離散化得：

對流量控制對象離散化得：

對溫度控制對象簡化后，其數(shù)學模型形式與流量控制對象數(shù)學模型類似，對其離散化得：

3.2 大型裝置虛擬操作環(huán)境構(gòu)建

本文采用Open Scene Graph三維圖形引擎設(shè)計，實現(xiàn)了大型裝置虛擬操作環(huán)境構(gòu)建。圖3為按照1∶1比例實現(xiàn)的MED裝置三維重現(xiàn)。為提高管路辨識度，圖中采用不同顏色來標示進料水系統(tǒng)、產(chǎn)品水系統(tǒng)、濃鹽水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)等。

圖3 大型MED裝置三維模型Fig.3 3D model of MED device

3.2.1 開發(fā)平臺選取

在三維軟件開發(fā)方面，用于研究型的VR系統(tǒng)大多采用 WTK、Multigen Vega、OpenGVS等軟件包進行開發(fā)，但效率低難度大。本文借鑒當前場景繪制、圖形硬件、分布式仿真和軟件設(shè)計模式的新進展，采用Open Scene Graph作為三維場景渲染引擎，設(shè)計實現(xiàn)了分布式可擴展的虛擬環(huán)境開發(fā)框架?；谠撻_發(fā)框架，在實現(xiàn)虛擬環(huán)境高效開發(fā)的同時，依托分布交互式仿真支撐環(huán)境解決虛擬環(huán)境的時空一致性問題。

3.2.2 框架結(jié)構(gòu)研究

在虛擬環(huán)境框架結(jié)構(gòu)方面，綜合集成HLA/RTI作為分布式仿真支撐工具，虛擬場景生成和繪制工具作為渲染引擎，沉浸式交互設(shè)備作為人機接口，實現(xiàn)了技術(shù)突破。其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 虛擬環(huán)境框架結(jié)構(gòu)Fig.4 Virtual environment framework structure

3.2.3 功能及優(yōu)點

虛擬環(huán)境框架結(jié)構(gòu)的功能和優(yōu)點集中表現(xiàn)在以下3個方面：

（1）虛擬場景的結(jié)構(gòu)與組織管理，即對不同功能、不同性質(zhì)的仿真實體進行分類并統(tǒng)一組織與管理，提供關(guān)于各種對象創(chuàng)建、刪除、定位等服務(wù)；

（2）仿真對象的分布式交互與調(diào)度，即支持HLA的各種時間管理策略，提供回調(diào)與事件通知機制，使整個聯(lián)邦范圍內(nèi)的對象按給定的時序和消息傳遞關(guān)系進行工作；

（3）集成沉浸式人機交互設(shè)備和接口，并利用事件驅(qū)動和回調(diào)機制與場景對象組織、仿真對象管理功能集成。

3.3 管理評價體系設(shè)計

3.3.1 評價方法

本文主要采用了模糊評估法和層次分析法。模糊評估法：利用模糊評估方法，明確因素集與被擇集，然后建立每個評價指標的單因素評價矩陣，求得模糊評價集合，最后對集合進行加權(quán)運算得到評價結(jié)果；層次分析法訓練過程分為若干步驟，明確評價準則和標準動作，將參訓者操作情況與每個步驟標準操作對比，根據(jù)評價準則給予一定分數(shù)，最后將所有步驟得到的分數(shù)加權(quán)運算得到評價結(jié)果。

3.3.2 培訓評估標準

低溫多效蒸餾仿真系統(tǒng)中包含著多種多樣的流程，將一些全局指標作為評價標準。

（1）操作人員熟練程度：所有的操作均有時間上的要求，每一項操作任務(wù)均有一個時間范圍限定，完成任務(wù)的時間越短或者單位工作量越大說明操作人員操作越熟練。

（2）操作正確程度：不同過程控制對出現(xiàn)錯誤操作容忍程度是不同的，但是出現(xiàn)誤操作的次數(shù)越少越好。因此通過比較錯誤操作的總次數(shù)與標準動作集合中的動作總數(shù)基本上可以衡量參訓人員的操作正確度。

（3）處理問題的能力：提高參訓人員解決故障的能力是仿真系統(tǒng)的一個重要目標，衡量處理問題的水平可以通過恢復到正常狀態(tài)的用時和處理問題動作的正確程度兩個指標進行衡量。

（4）是否完成訓練指標：完成訓練規(guī)定的任務(wù)是進行訓練仿真最基本的要求，因此是否完成訓練指標也是一個重要的評估標準。

以上4個方面的標準，基本上可以從全局過程對低溫多效蒸餾仿真培訓操作進行評估。

3.3.3 考試成績計算

考試總成績可用下式計算：

式中：Y為考試總成績；Yi為各分項考試成績，分別代表各個步驟的得分；ωi為權(quán)系數(shù)。

各分項考試成績可用下式計算：

式中：Yj為分項考試中扣除分數(shù)；k為扣分項個數(shù)；iYi為各分項考試成績，滿分為100分。

4 應(yīng)用實踐

作為國內(nèi)首套面向低溫多效蒸餾海水淡化的仿真培訓平臺（如圖5所示），綜合了流程演示、虛擬操作、故障設(shè)置、事故演練及培訓考核等功能，可廣泛用于教學培訓和技能鑒定等領(lǐng)域，也可為國內(nèi)外海水淡化技術(shù)合作提供理想的交流渠道。

圖5 仿真培訓平臺Fig.5 Simulation training platform

該平臺研制完成后，已連續(xù)4年用于商務(wù)部組織的發(fā)展中國家海水淡化管理研修班的學習培訓，培訓對象涵蓋非洲、中東、拉美等30多個國家，規(guī)模達百余人次；同時，還用于某海水淡化公司海外工程項目的現(xiàn)場調(diào)試和人員培訓指導，對提高培訓效率、避免誤操作以及確保裝置穩(wěn)定運行等方面起到了很好的支撐作用。

5 結(jié)語

仿真培訓平臺作為強化海水淡化宣傳培訓和提升工程運行維護水平的重要手段，綜合采用了計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實、分布式交互仿真等先進技術(shù)，實現(xiàn)了大型MED裝置的工藝過程仿真和三維重現(xiàn)，時空一致性、交互操作的實時性和靈活性、仿真模型的真實性等指標達到國際先進水平，在國家職能部門、科研院所、海水淡化企業(yè)等領(lǐng)域具有很好的推廣價值。

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