油氣儲運專業(yè)仿真系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

王琪+施雯+周錫堂+程麗華

摘 要 文章針對油氣儲運專業(yè)缺少仿真軟件及工廠現(xiàn)場實習(xí)效果有限的的現(xiàn)狀，提出以學(xué)生為主體做軟件的設(shè)計者與開發(fā)者，并以團隊合作為主要形式，使每個學(xué)生最大限度發(fā)揮自己的特長。該系統(tǒng)涵蓋油氣儲運領(lǐng)域各大模塊，再現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的真實環(huán)境，增強學(xué)生對各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的認(rèn)知，有效地使應(yīng)用此系統(tǒng)的學(xué)生熟練掌握各個生產(chǎn)流程，使專業(yè)知識融會貫通形成知識體系，達到從理論到實踐的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞 油氣儲運 系統(tǒng)仿真 實驗教學(xué)

中圖分類號：TE8-4 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.11.068

Abstract This article according to the simulation software and the factory internship in the limited effect of lack of oil and gas storage and transportation professional， put forward to the students as the main body for designers and software developers， and to the team as the main form， so that each student to maximize their strengths. The system covers the field of oil and gas storage and transportation of each module， reproduce the real environment of the industrial field， enhance the students' awareness of production and various systems， the effective application of the system to make students master the production process， the professional knowledge to form a knowledge system， from theory to practice and understanding.

Keywords oil and gas storage and transportation； system simulation； experimental teaching

隨著人類文明的進步，計算機在生活，工作，學(xué)習(xí)中發(fā)揮的作用越來越大，它帶給現(xiàn)代教育的方便、直觀等其獨特的優(yōu)越性，也促進了教育領(lǐng)域的發(fā)展。目前很多高校開發(fā)相應(yīng)計算機輔助教學(xué)軟件，以便于學(xué)生可以更直觀和系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，達到現(xiàn)場參觀的效果甚至優(yōu)于其效果，另外現(xiàn)在也有一些企業(yè)將其開發(fā)成系統(tǒng)軟件，并將其商品化。①

目前相關(guān)工業(yè)計算機仿真技術(shù)是分為兩大類，一種是從宏觀角度考慮，對現(xiàn)場工藝流程的模擬，通過開關(guān)閥門完成不同的流程的操作以達到現(xiàn)場模擬的效果。二是從微觀角度考慮，針對石油，化工，航空航天等行業(yè)，對其流體流態(tài)，導(dǎo)熱，擴散等多方面的模擬。用于預(yù)測及優(yōu)化設(shè)備流程系統(tǒng)或事故評估，以做好預(yù)防及應(yīng)對措施。因此通過計算機仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)培訓(xùn)，對于工科生來說是一種高效率、低成本的教學(xué)手段。②

1存在的問題

1.1市場上沒有的完善仿真實習(xí)系統(tǒng)

由于受到時間及安全生產(chǎn)等限制，學(xué)生不能到每個現(xiàn)場去熟悉流程，但是對于石油工程學(xué)院的學(xué)生來說，無論是油氣儲運專業(yè)還是石油工程專業(yè)，流程都是最重要的知識結(jié)構(gòu)之一，那么為了解決授與學(xué)之間的矛盾，學(xué)校必須拿出一套形之有效的解決方案。仿真模擬的產(chǎn)生解決了這個問題，并且它在其它學(xué)科上也得到了廣泛的應(yīng)用，所以在油氣儲運和石油工程專業(yè)引入仿真系統(tǒng)是幫助學(xué)生對流程做全面了解最簡單且有效的方法。但由于是小眾專業(yè)所以各石油高校都在自行開發(fā)其仿真模擬軟件但到目前為止，沒有一所石油高校開發(fā)出一套完備的儲運專業(yè)所需的仿真軟件，所以無法在市場上推廣。因此許多儲運專業(yè)實際上并沒有仿真這個模塊。③

1.2 仿真實習(xí)系統(tǒng)的必要性

（1）缺少專業(yè)對口并且長期穩(wěn)定的校外實習(xí)基地。在當(dāng)今中國的經(jīng)濟形勢下，各廠礦企業(yè)不可避免地把經(jīng)濟效益作為其考慮的首要因素。學(xué)生下廠實習(xí)，對正常的生產(chǎn)秩序總會產(chǎn)生或多或少的影響，因此，在接納學(xué)生進廠實習(xí)的態(tài)度方面，工廠一般較為被動。

（2）無法保證生產(chǎn)實習(xí)質(zhì)量。在石油化學(xué)工業(yè)、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)及其他過程工業(yè)日趨集成化、連續(xù)化、自動化的今天，現(xiàn)場操作的危險性也在顯著增加，任何錯誤操作都可能帶來十分嚴(yán)重的后果。因此，學(xué)生下廠后既難深入實際，更不允許動手操作，只能被動地看和聽，其主動性、創(chuàng)造性都難以調(diào)動和發(fā)揮。這種走馬觀花，流于形式的實習(xí)方式，效果根本無法得到保證。針對上述問題，應(yīng)在生產(chǎn)實習(xí)中加強高科技含量，強化有特色的生產(chǎn)實習(xí)，強化學(xué)生的工程意識，激發(fā)其學(xué)習(xí)主動性，使所學(xué)理論知識深入化、綜合化和系統(tǒng)化。實踐證明，將仿真培訓(xùn)應(yīng)用于學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)中，不僅受到了學(xué)生的熱烈歡迎，在提高實習(xí)質(zhì)量方面也起到了事半功倍的效果。

2 解決方法

2.1 開發(fā)步驟

（1）劃分不同領(lǐng)域，分成石油工程仿真系統(tǒng)和油氣儲運仿真系統(tǒng)。（2）劃分不同性質(zhì)，分成流程仿真系統(tǒng)和設(shè)備仿真系統(tǒng)。（3）梳理出不同的流程并對流程進行繪制。剖析不同設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)繪制出設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（4）根據(jù)流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，通過組態(tài)王和Pro/E軟件及Visual C++語言開發(fā)出相應(yīng)的流程仿真系統(tǒng)和設(shè)備仿真系統(tǒng)。

2.2 需開發(fā)的系統(tǒng)（圖1）

2.3 已開發(fā)的仿真系統(tǒng)（圖2）

2.4 營造組建仿真系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)境

（1）通過不同模塊和性質(zhì)的劃分，梳理出不同的流程并對流程進行繪制，重點開發(fā)儲運流程仿真系統(tǒng)，特別是油庫和加油加氣站。

（2）通過過第二課堂，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目結(jié)合素拓學(xué)分，要求學(xué)生在校期間必須參加一項專業(yè)領(lǐng)域的實踐活動，使學(xué)生加入到創(chuàng)作團隊中去。

（3）形成“傳幫帶”的傳統(tǒng)和機制，使知識體系不斷完善，每屆都汲取大三，大四的成員加入團隊，形成大四帶大三傳統(tǒng)。

（4）在軟件的開發(fā)過程中，根據(jù)每個人不同情況，有的擅長畫圖，有的擅長編程，有的對組態(tài)王或Pro/E應(yīng)用更熟練，充分發(fā)揮每個人的特長激發(fā)興趣點，提高工作效率。

（5）充分發(fā)揮老師的帶動及解決關(guān)鍵難題的作用，在學(xué)生陷入誤區(qū)或是有解決不了的問題，老師給予關(guān)鍵性的指導(dǎo)。

2.5 預(yù)期效益

（1）初步建立起油氣開發(fā)與儲運工程實驗實訓(xùn)中心的仿真實驗室，并逐漸投入教學(xué)使用。

（2）學(xué)生通過開發(fā)仿真系統(tǒng)，對流程，設(shè)備有了系統(tǒng)且詳細(xì)的認(rèn)識，并對開發(fā)軟件的應(yīng)用達到精通的水平。提升了學(xué)生的技能，并使理論和實踐的結(jié)合調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的能動性。

（3）通過在仿真實驗室的學(xué)習(xí)，推動了學(xué)生對知識結(jié)構(gòu)加以更深入透徹的了解，通過對每個不同流程的操作，使學(xué)生對油庫，加油加氣等知識掌握得更扎實。

學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量明顯提高，既有堅實理論基礎(chǔ)，又有熟練動手能力和創(chuàng)新能力，使畢業(yè)生能適應(yīng)社會要求，盡快地適應(yīng)工作崗位的需要。

3 仿真模塊的培訓(xùn)

3.1 教師自身素質(zhì)提升

由于仿真系統(tǒng)是由一個設(shè)備仿真系統(tǒng)和六個流程仿真系統(tǒng)組成，涉及到油氣儲運專業(yè)所有專業(yè)課程的知識。所以對教師來說也是一個挑戰(zhàn)，因為每個教師一般只擔(dān)任三到四門的課程。對自己未涉及的課程由于時間久沒有接觸，或是即使了解，但對于細(xì)節(jié)的掌握仍不夠。并且每個流程系統(tǒng)是仿造工業(yè)流程，比平時書本所學(xué)更復(fù)雜，更細(xì)致。而且書本的知識相對于現(xiàn)在的工業(yè)發(fā)展有一定的滯后性。對于我們每個教師來說，也是一個知識再梳理，再更新的過程。所以在開課前每個教師也要進行仿真軟件的培訓(xùn)，這樣多學(xué)科的交叉也是對自己一些研究靈感的激發(fā)過程。

3.2 流程演示與事故排查

對于油氣儲運專業(yè)的學(xué)生來說，流程是最重要的知識結(jié)構(gòu)，所以對于流程的演示教師必須詳細(xì)演示，逐個開閥。使學(xué)生在了解流程的同時掌握每個閥門的作用。這樣多個流程走下來，學(xué)生對于每個閥門的用途都銘記于心。但是對于中國高校的學(xué)生來說，接受力和理解力都是很強的，但是對創(chuàng)造力和解決問題的能力來說，仍是一個短板。所以我們必須結(jié)合工業(yè)現(xiàn)在的情況，在工業(yè)上不只是通過開關(guān)閥門切換流程，當(dāng)遇到突發(fā)事故時要能快速精準(zhǔn)地拿出解決方案。這就要求學(xué)生必須在熟悉流程的基礎(chǔ)上通過逆向思維才能作出準(zhǔn)確的判斷。所以在流程演示之后拋出問題是十分關(guān)鍵的，然后讓學(xué)生去思考，是由于哪些閥門操作錯誤造成，或通過開關(guān)哪些閥門，開車，停車等操作可減少損失。這樣，通過正面教學(xué)與反面思考的方式達到舉一反三的效果。

3.3對學(xué)生的要求

通過其實際操作性以及與未來工作的相關(guān)性激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及學(xué)習(xí)興趣。仿真的學(xué)習(xí)是一個雙向互動的過程，學(xué)生的興趣更加濃厚，隨時學(xué)習(xí)隨時操作，而且我們可以生成問題庫，在每節(jié)課結(jié)束前學(xué)生必須完成計算機隨機拋出的問題，這樣學(xué)生才可以離開機房。在學(xué)生的考核環(huán)節(jié)上，可以從兩方面著手，一是交互式考試系統(tǒng)，多種模擬情境，計算機隨機抽取，學(xué)生需在規(guī)定的時間內(nèi)完成，這樣避免相鄰的同學(xué)互相抄襲。二是對操作質(zhì)量的評價，按操作次數(shù)計分，一次操作成功計滿分，一次不成功計為不合格，這與現(xiàn)場生產(chǎn)情況是有關(guān)的，因為在實際企業(yè)員工操作中是要求一次成功不能出錯的，④否則會帶來經(jīng)濟損失或危險，這樣就達到對學(xué)生學(xué)習(xí)與實踐雙重考核的目的。

4 未來展望

仿真教學(xué)系統(tǒng)形成之后，可以用于石油相關(guān)專業(yè)的本科實踐教學(xué)，經(jīng)過多次改進和完善亦可用于企業(yè)員工的技術(shù)培訓(xùn)等方面。另外，由于其專業(yè)原理簡單、工藝直觀、展現(xiàn)生動的特點，使工作現(xiàn)場最大限度還原。讓學(xué)生在一個直觀，生動的環(huán)境下把知識順利掌握，且印象深刻，并對油庫設(shè)計與管理，管輸工藝，加油加氣站的設(shè)計與管理，城市燃?xì)廨斉涞扔蜌鈨\相關(guān)專業(yè)課有了深入的了解，完成理論到實踐的跨躍。

4.1 實用性

仿真教學(xué)系統(tǒng)從設(shè)計，開發(fā)到最終的應(yīng)用都以現(xiàn)代工業(yè)實際為大背景，內(nèi)可用于教學(xué)，外可用于員工培訓(xùn)，是一個還原現(xiàn)場的虛擬操作界面，與工人在中控室的操作界面保持一致，兼具仿真性與實用性。 （下轉(zhuǎn)第158頁）（上接第146頁）

4.2 綜合性、設(shè)計性

（1）軟件在編輯設(shè)計過程中。作為每個仿真系統(tǒng)的設(shè)計師，必須對每個流程都了如指掌，要清楚掌握每個區(qū)域的分流程（收油流程，發(fā)油流程，倒罐流程等等），每個設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并把他們組合起來，形成一個完整有機的整體。這即要求對知識掌握的通透性，又要求靈活性。并且每個參數(shù)變化，閥門開關(guān)等影響，這些細(xì)節(jié)要求更是必須精準(zhǔn)，對設(shè)計者來說考驗其運用不同思維方式去分析問題。所以其綜合性、設(shè)計性使學(xué)生之所學(xué)達到最大化的應(yīng)用。

（2）在應(yīng)用中。在未來該仿真系統(tǒng)應(yīng)用教學(xué)時，采取最大的靈活性，可以接受學(xué)生各種操作，學(xué)生可以自行制定方案，通過參數(shù)的變化調(diào)節(jié)，反映生產(chǎn)過程中各相應(yīng)參數(shù)的變化及關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性思維。具有很強的設(shè)計性。在內(nèi)容上，應(yīng)用多學(xué)科，幾乎涉及所有油氣儲運專業(yè)課，打破學(xué)科之間的壁壘，具有明顯的綜合性。在方法手段上，更新了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，不是僅限于觀摹，而讓每個學(xué)生都有參與感和主導(dǎo)感。清楚自己的工作內(nèi)容并對其負(fù)責(zé)。

4.3 效果最大化

儲運生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，且屬高危作業(yè)場所，所以一般學(xué)校組織的生產(chǎn)實習(xí)根本無法滿足對其系統(tǒng)的深入了解，并且在生產(chǎn)中大多時間都是正常工作狀態(tài)，幾乎不會出現(xiàn)誤操作及反常情況。而該仿真教學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)，首先是可以讓學(xué)生對龐大管輸系統(tǒng)深入了解。通過參數(shù)與閥門的調(diào)節(jié)，熟悉流程。其次，可以模擬事故運行狀態(tài)，學(xué)生可以從事故狀態(tài)中找原因，總結(jié)經(jīng)驗。再次可以讓學(xué)生動手操作，通過親身實踐增強他們對這份工作的責(zé)任感，使學(xué)習(xí)效果達到最大化。⑤

項目名稱：構(gòu)建具有石化特色的石油仿真系統(tǒng)（215149）

注釋

① 邱挺，黃智賢，葉釗，李曉.化工仿真實習(xí)課程的教學(xué)實踐與改革[J].化工高等教育，2012（5）：56-58.

② 邢曉凱.油氣儲運工程專業(yè)多元化實踐教學(xué)的改革與探索[J].實踐教學(xué)，2011（22）：123-124.

③ 屈成亮，徐洪軍，邵寶力，王海彪.以就業(yè)為導(dǎo)向的油氣儲運工程專業(yè)仿真實踐課程設(shè)置的建議[J].科技視界，2013（35）：109-110.

④ 于玲，戴連奎.過程控制系統(tǒng)自主設(shè)計與綜合仿真教學(xué)方法[J].化工高等教育，2012（2）：90-91.

⑤ 王志華，龍安厚，王利生.仿真系統(tǒng)在油氣儲運工程實驗教學(xué)中的開發(fā)與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2010（10）：116-118.