安慶石化虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

方世滿

（中國石油化工股份有限公司安慶石化分公司儲運(yùn)部 安徽省安慶市 246000）

1 引言

煉化裝置是一種技術(shù)含量高的復(fù)雜操作系統(tǒng)，只有使操作人員充分掌握裝置的各種運(yùn)行習(xí)性和運(yùn)行規(guī)律，才能切實(shí)提高裝置運(yùn)行效率，這就要求其不僅要具備良好的技術(shù)水平，還需要很高的操作熟練程度[1]。然而，煉化裝置設(shè)備必須連續(xù)作業(yè)，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環(huán)境，如果在這些實(shí)際的系統(tǒng)上進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)可能需要花費(fèi)大量的代價(jià)或者冒很大的風(fēng)險(xiǎn)[2]，操作人員對設(shè)備啟停、參數(shù)調(diào)整的機(jī)會不多，大部分經(jīng)歷是在巡檢、安全檢查上，致使合格操作人員的培養(yǎng)周期過長。多頻次的實(shí)際操作訓(xùn)練和適度的理論培訓(xùn)是培養(yǎng)合格操作人員的基本途徑，傳統(tǒng)培訓(xùn)方式不能直觀展示裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)和物料轉(zhuǎn)化過程，培訓(xùn)效果差[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality, VR），也稱靈境、幻真、賽博空間等，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界（或虛擬環(huán)境）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以生成一種“人既可以沉浸其中又可超越其上、進(jìn)出自如、相互交互的多維信息空間”[4]。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，其主要是通過佩戴穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，受訓(xùn)人員可以從任何角度觀察裝置的全部構(gòu)造，沉浸式體驗(yàn)裝置設(shè)備運(yùn)行原理和操作過程[1]，可使煉化裝置操作人員快速掌握相關(guān)知識和技能，提高操作熟練程度，具有無實(shí)訓(xùn)危險(xiǎn)、安全性高、節(jié)約實(shí)訓(xùn)成本、可反復(fù)利用、易培養(yǎng)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)潛能、增強(qiáng)學(xué)員自信等優(yōu)點(diǎn)[4]?？梢姡孟到y(tǒng)建模與仿真的方法，在虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真系統(tǒng)中進(jìn)行煉化企業(yè)人員培訓(xùn)意義重大。

本文在分析中國石油化工股份公司安慶石化分公司的裝置設(shè)備操作培訓(xùn)工作現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)在安慶石化分公司應(yīng)用需要解決的基本問題，初步設(shè)計(jì)出虛擬現(xiàn)實(shí)可視化培訓(xùn)平臺總體結(jié)構(gòu)和基本模塊，以供安慶石化公司培訓(xùn)科研項(xiàng)目立項(xiàng)參考，也為類似化工企業(yè)裝置設(shè)備仿真模擬培訓(xùn)提供借鑒。

2 安慶石化設(shè)備裝置操作培訓(xùn)現(xiàn)狀

2.1 煉化企業(yè)仿真培訓(xùn)現(xiàn)狀

目前，國外化工企業(yè)培訓(xùn)已由傳統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)到過程仿真模擬培訓(xùn)，并在許多國家的大型石化企業(yè)得到普遍應(yīng)用，比較著名的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要有：Audy，SACDA，Norcontrol Simulation 等。國內(nèi)，燕山石化公司與北京化工大學(xué)于 1987年成功研制國內(nèi)第一套化工仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[5]，已有多個石油化工企業(yè)開展了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)工作，如九江煉油廠[6]、鎮(zhèn)江煉油石化股份有限公司[7]、蘭州石化[8]，等。隨著石化工業(yè)的發(fā)展，DCS 在大型石化企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)為核心的DCS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)成為當(dāng)今重大生產(chǎn)設(shè)備和過程控制設(shè)備運(yùn)行人員上崗前操作培訓(xùn)的必備工具[6]。

圖1：設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖2：三維工藝流程圖

2.2 安慶石化仿真操作培訓(xùn)現(xiàn)狀

雖然安慶石化使用了很多建模、仿真、優(yōu)化及控制的商業(yè)化軟件系統(tǒng)，幾乎每個裝置、單元都有，并在這些系統(tǒng)的應(yīng)用上取得了不少成果，但各個軟件系統(tǒng)間相互獨(dú)立，信息訪問困難[8]。各類模型都有各自的技術(shù)先進(jìn)性，但不具備模型集成化應(yīng)用、全局過程優(yōu)化的條件[6]，模型之間的數(shù)據(jù)交換、模型和工業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)交換困難，存在明顯的“鴻溝”。盡管安慶石化分公司的自動化程度高，仿真、控制系統(tǒng)技術(shù)水平高，但目前操作人員培訓(xùn)，還是傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)模式：在教室中，以傳統(tǒng)教材用抽象的二維畫面、PPT、簡短視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，不能直觀展示裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程，專業(yè)培訓(xùn)深度欠缺，或是利用現(xiàn)場檢修的機(jī)會進(jìn)行觀摩培訓(xùn)，但會受到時間和成本的限制[3]。

傳統(tǒng)培訓(xùn)方式的缺陷，致使培養(yǎng)合格的裝置和設(shè)備操作人員周期長，新員工進(jìn)廠培訓(xùn)效果差和員工繼續(xù)教育走形式，對系統(tǒng)安全平穩(wěn)高效運(yùn)行十分不利。因此，為切實(shí)保障安慶石化裝置設(shè)備的安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，急需開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煉化裝置設(shè)備仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的操作培訓(xùn)系統(tǒng)框架初步設(shè)計(jì)

從硬件來說，安慶石化基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真模擬操作系統(tǒng)，擬包括教師站、學(xué)員站、模型服務(wù)器三個部分：系統(tǒng)的控制指令由教師站下發(fā)到模型服務(wù)器；模型服務(wù)器讀取教師站下發(fā)的控制指令和接受學(xué)員站上傳的操作指令，同時進(jìn)行仿真運(yùn)算；學(xué)員站為受訓(xùn)學(xué)員的操作界面[6]。從軟件系統(tǒng)來說，要有B/S 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)可視化系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)[2]。

3.1 煉化裝置設(shè)備三維模型構(gòu)建

煉化裝置三維模型具有設(shè)備密集度大、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備種類多等特點(diǎn)（圖1,圖2）[6]，要使構(gòu)建的三維模型管理方便、瀏覽速度高、真實(shí)感強(qiáng)、數(shù)據(jù)量小、構(gòu)建快捷，必須聯(lián)合多款功能強(qiáng)大的三維模型構(gòu)建軟件，如3Dmax、MAYA，SGI 圖形工作站，等。同時，要利用軟件的二次開發(fā)或腳本語言書寫代碼，實(shí)現(xiàn)模型相互導(dǎo)入導(dǎo)出，以充分利用軟件各自優(yōu)勢。

3.2 全流程裝置運(yùn)行仿真模型

為了模擬、描述煉化裝置的全流程運(yùn)行過程，需要建立運(yùn)行仿真模型，反映安慶石化現(xiàn)有煉化裝置內(nèi)部物料的物理化學(xué)變化過程，以及各個狀態(tài)屬性的改變等內(nèi)在規(guī)律。其至少包括穩(wěn)態(tài)模型與動態(tài)模型，尤其是要關(guān)注輸入變量變化后輸出變量穩(wěn)態(tài)值的變化和動態(tài)響應(yīng)過程，即對過程建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型和通過模型求解分析輸入變量變化后輸出變量的動態(tài)響應(yīng)十分必要[2]，如：換熱器的數(shù)學(xué)模型是由傳熱速率方程、熱平衡方程及相平衡構(gòu)成的一組非線性方程組[6]。另如，催化裂化車間和常減壓車間的實(shí)際流程中管路連接方式繁多，由于通用的管網(wǎng)計(jì)算方法（迭代求解）耗機(jī)時過多，在培訓(xùn)仿真的精度要求以內(nèi)，需要尋求簡化的流量計(jì)算方法，如“直通管路流量加和”法[2]。

3.3 三維場景交互

利用三維交互開發(fā)軟件，如Unity3D、Virtools、Blender game engine，結(jié)合安慶石化在線三維培訓(xùn)管理系統(tǒng)需求，構(gòu)建煉化裝置三維交互場景，將場景發(fā)布至 Windows、Mac、Android 或 iPhone平臺，同時可發(fā)布網(wǎng)絡(luò)版，使其可在Windows 和 Mac 的網(wǎng)頁上進(jìn)行瀏覽[2,6]。

3.4 數(shù)據(jù)庫平臺設(shè)計(jì)

為了便于將裝置設(shè)備模型與數(shù)據(jù)在三維可視化環(huán)境中信息呈現(xiàn)與交互，同時能從安慶石化公司現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和控制系統(tǒng)中調(diào)取部分模型，需要建立集成數(shù)據(jù)庫平臺作為“中間橋梁”，連接前臺的可視化環(huán)境與后臺的仿真模型以及現(xiàn)有信息化系統(tǒng)[2,5,6,7,8]。

3.5 虛擬交互課件

虛擬交互課件獨(dú)特的可交互性彌補(bǔ)了安慶石化現(xiàn)有操作人員培訓(xùn)缺點(diǎn)：設(shè)備操作性少、理論學(xué)習(xí)實(shí)踐性差、視頻動畫交互性差。虛擬交互課件模塊需要包括基本信息、設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、標(biāo)準(zhǔn)操作、故障分析等五個二級模塊[2]。培訓(xùn)學(xué)員可在學(xué)員站界面運(yùn)行操作站功能，提供操作員完成各種日常監(jiān)視和操作手段，學(xué)員可通過鍵盤和模擬手套操作，修改各種調(diào)節(jié)器的給定值，切換回路狀態(tài)，啟動聯(lián)鎖，調(diào)整閥位、機(jī)泵狀態(tài)和開關(guān)位置等[6]。

3.6 智能考核

智能考核模塊要能實(shí)現(xiàn)試題管理功能，如增加考題、考題管理、試卷管理、評分模型、培訓(xùn)結(jié)果分析五部分。操作考核時，如何評價(jià)操作是否符合操作規(guī)程，質(zhì)量指標(biāo)是否達(dá)到要求，是否出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)榷际且粋€很難判定的問題。因此，需要合理的評分規(guī)則，需要在評分模型中設(shè)置操作步驟分，操作質(zhì)量分和報(bào)警分等指標(biāo)，來衡量培訓(xùn)學(xué)員的操作水平[7]。在培訓(xùn)結(jié)果分析中，要設(shè)置合理的評估模型，不僅僅是能給出一個分?jǐn)?shù)，而是要根據(jù)考核結(jié)果提出培訓(xùn)人員提升方向。

4 結(jié)語

綜上所述，為更好的提升安慶石化公司操作人員培訓(xùn)效果，需要摒棄傳統(tǒng)培訓(xùn)模式。本文分析了安慶石化公司仿真模擬培訓(xùn)現(xiàn)狀：傳統(tǒng)培訓(xùn)方式的缺陷，致使培養(yǎng)合格的裝置和設(shè)備操作人員周期長，新員工進(jìn)廠培訓(xùn)效果差和員工繼續(xù)教育走形式，對系統(tǒng)安全平穩(wěn)高效運(yùn)行十分不利。對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)基本功能（煉化裝置設(shè)備三維模型構(gòu)建，全流程裝置運(yùn)行仿真模型，三維場景交互技術(shù)，數(shù)據(jù)庫平臺，虛擬交互課件，智能考核）進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，以為安慶石化公司培訓(xùn)科研項(xiàng)目立項(xiàng)和實(shí)施提供參考。