煉鐵煉鋼生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

供稿|申世武，黎曉亮，龔華 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

煉鐵、煉鋼生產(chǎn)現(xiàn)場情況復(fù)雜、危險性高，不具備專門制造相應(yīng)的典型工況供職工培訓(xùn)學(xué)習(xí)。為了滿足現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)對培養(yǎng)富有實踐能力與創(chuàng)新精神的高層次技能人才的需求，需要建設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)。本文從虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計、虛擬仿真實訓(xùn)軟件需求及開發(fā)等方面考慮，就煉鐵、煉鋼生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行研究探討，構(gòu)建的煉鐵煉鋼生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，為新員工、轉(zhuǎn)崗員工對生產(chǎn)線理論學(xué)習(xí)、生產(chǎn)線工藝和安全認(rèn)知學(xué)習(xí)及考核上崗培訓(xùn)，在職職工技能提升培訓(xùn)，提供一個教、學(xué)、訓(xùn)、考一體化管理平臺，為大規(guī)模人員培訓(xùn)提供了有力保障，產(chǎn)生了巨大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

煉鐵、煉鋼現(xiàn)場多為大型設(shè)備，其生產(chǎn)現(xiàn)場情況復(fù)雜、危險性高，不具備專門制造相應(yīng)的典型工況供職工培訓(xùn)學(xué)習(xí)。為了保證生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行，生產(chǎn)現(xiàn)場一般不容許、也不適合開展現(xiàn)場培訓(xùn)或?qū)嵺`教學(xué)。因此受設(shè)備與技術(shù)的制約，當(dāng)前職工培訓(xùn)教學(xué)形式相對單一，內(nèi)容相對局限于理論教學(xué)和技術(shù)交流，無法實現(xiàn)實操互動，已不能適應(yīng)現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)對培養(yǎng)富有實踐能力與創(chuàng)新精神的高層次技能人才的需求，迫切需要建設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，以形成與現(xiàn)有理論教學(xué)與實操培訓(xùn)教學(xué)相輔相成的新型培訓(xùn)教學(xué)模式。

在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，通過虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)平臺，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實訓(xùn)項目，既能降低在真實現(xiàn)場中的設(shè)備誤操作率和經(jīng)濟(jì)成本，又能保證操作的可靠性和安全性，解決了現(xiàn)場培訓(xùn)設(shè)備的臺套數(shù)量限制。

虛擬仿真實訓(xùn)

定制開發(fā)煉鐵生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)軟件、煉鋼生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)軟件。改造現(xiàn)有教室為多媒體機房虛擬仿真實訓(xùn)教室。具體措施有：(1)培訓(xùn)教室改造為煉鐵、煉鋼仿真實訓(xùn)教室；虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)硬件配置及布置；煉鐵、煉鋼生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)需求及定制開發(fā)；虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)。(2)新增計算機插座配電箱、增加計算機用插座，插座明敷在計算機桌下部；實訓(xùn)教室的每個大門處新增設(shè)置應(yīng)急照明燈及疏散指示燈。(3)實訓(xùn)教室及弱電機房增加靜電地板、吊頂。

虛擬仿真實訓(xùn)硬件設(shè)計[1]

培訓(xùn)教室設(shè)置為煉鐵和煉鋼仿真綜合實訓(xùn)教室，可實現(xiàn)整體自由切換為煉鐵仿真實訓(xùn)教室或煉鋼仿真實訓(xùn)教室。煉鐵仿真實訓(xùn)教室、煉鋼仿真實訓(xùn)教室共設(shè)有4臺84寸多媒體教學(xué)一體機，6個仿真實訓(xùn)實體操作臺，40個電腦桌，86把靠背座椅，40個軟操作工位，6個實體操作臺工位(其中煉鐵實體操作臺工作2個，轉(zhuǎn)爐實體操作臺工位4個)，86臺電腦(其中6個實體操作臺共6臺電腦)。3D被控對象、仿真的控制界面和仿真的現(xiàn)場操作臺(按鈕、手柄等)三位一體能夠?qū)崿F(xiàn)實時互動。

虛擬仿真硬件

每個實訓(xùn)教室2臺84寸多媒體教學(xué)一體機用于展示，一臺用于展示虛擬仿真界面(相當(dāng)于真實工廠和被控設(shè)備)，一臺用于展示上位機監(jiān)控畫面，用來監(jiān)控和操作。多媒體教學(xué)一體機布置在教室墻上。

每個實訓(xùn)教室40臺電腦，20個工位。一臺顯示虛擬仿真場景、一臺顯示上位機監(jiān)控界面，兩個電腦構(gòu)成一個工位，從而進(jìn)行仿真實訓(xùn)考核。

上位機監(jiān)控畫面：現(xiàn)場參數(shù)的監(jiān)控，參數(shù)設(shè)定和設(shè)備動作操控，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作和典型工況處置。

虛擬仿真界面：3D場景展示，設(shè)備動作和效果展示(水、煙、火、霧氣)，典型工況表現(xiàn)。

服務(wù)器

服務(wù)器需要安裝數(shù)據(jù)庫用于存儲數(shù)據(jù)，保存用戶信息、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計劃信息、操作詳細(xì)記錄和評價信息。訓(xùn)練結(jié)果上傳服務(wù)器管理，包括用戶信息、生產(chǎn)計劃、評分記錄、事件記錄、成本核算、參數(shù)曲線、訓(xùn)練成績等，并導(dǎo)出報表供查詢。

電腦操作畫面和實體操作臺

實訓(xùn)系統(tǒng)配備了電腦操作畫面和實體操作臺。

(1)電腦操作畫面，僅用鼠標(biāo)、鍵盤可以操作，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練。

(2)實體操作臺，1:1仿真現(xiàn)場操作手柄、按鈕、指示燈等。

仿真實訓(xùn)操作臺為實訓(xùn)工位，通過和現(xiàn)場真實生產(chǎn)一致的硬件操作環(huán)境用于按崗位分批次的實操訓(xùn)；練習(xí)工位通過鼠標(biāo)操作電腦操作畫面，用于同崗位集中培訓(xùn)。實體操作臺保留現(xiàn)場使用的關(guān)鍵操作臺的關(guān)鍵手柄和按鈕，控制虛擬仿真界面設(shè)備動作。煉鐵實體操作臺見圖1，煉鋼實體操作臺見圖2。

圖1 煉鐵實體操作臺

圖2 煉鋼實體操作臺

虛擬仿真實訓(xùn)軟件需求及開發(fā)

本著“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的總體原則，虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、3D模型、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，集鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝和控制技術(shù)于一體，虛實結(jié)合，軟硬結(jié)合，人機互動，構(gòu)建高度仿真的虛擬實訓(xùn)環(huán)境，實現(xiàn)冶金生產(chǎn)工藝操作的實時仿真。

在仿真的虛擬環(huán)境中開展實操訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，能完整的、按工藝操作規(guī)程進(jìn)行操作，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作常規(guī)訓(xùn)練，也能夠?qū)ιa(chǎn)過程中出現(xiàn)的典型異常工況處理進(jìn)行訓(xùn)練，時間上與現(xiàn)場達(dá)到1∶1的匹配。仿真系統(tǒng)具有完善的記錄操作功能及自動評價體系，能夠完成教學(xué)、培訓(xùn)和崗位技能鑒定等任務(wù)，并可解決在校學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)難題。現(xiàn)場3D漫游系統(tǒng)，可以讓學(xué)員以第一人稱視角，多角度、全方位的在虛擬仿真的場景中行走，從而解決在校學(xué)生教學(xué)、認(rèn)知實習(xí)難題。系統(tǒng)可以實現(xiàn)真實生產(chǎn)實踐難以完成的教學(xué)和培訓(xùn)任務(wù)。

采用了計算機圖形顯示技術(shù)為核心的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用虛擬的場景結(jié)合仿真的監(jiān)控系統(tǒng)，并配有實體操作臺，通過監(jiān)控界面和虛擬場景實現(xiàn)互動，模擬呈現(xiàn)整個冶金現(xiàn)場生產(chǎn)主要工藝環(huán)節(jié)的大型場景。學(xué)員可通過系統(tǒng)中的仿真監(jiān)控系統(tǒng)與虛擬環(huán)境，進(jìn)行符合現(xiàn)場技術(shù)操作規(guī)程的正常生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化操作，針對典型故障和異常工況都能進(jìn)行訓(xùn)練，指導(dǎo)學(xué)員按照正確處理步驟實施異常處置操作控制；系統(tǒng)可以設(shè)置出現(xiàn)各種工況條件，系統(tǒng)不干預(yù)操作人員的處理過程，但記錄下整個操作過程并按照現(xiàn)場專家按照工藝操作要求、工藝指標(biāo)和成本指標(biāo)要求制定的評價體系仿真系統(tǒng)自動給出評分，生成詳細(xì)的考核記錄報表，實現(xiàn)培訓(xùn)考核，對現(xiàn)場培訓(xùn)做有益的補充。工藝精細(xì)內(nèi)在流程的可視性展示，技能培訓(xùn)理念“基于工作過程”的應(yīng)用，虛擬生產(chǎn)場景、上位機仿真操控、硬件手柄操作臺模擬工藝三位一體實現(xiàn)最佳訓(xùn)練效果，將電腦仿真技術(shù)用于鋼鐵冶金培訓(xùn)，用于新員工培訓(xùn)、轉(zhuǎn)崗員工培訓(xùn)、在職職工技能提升培訓(xùn)，減輕企業(yè)現(xiàn)場培訓(xùn)負(fù)擔(dān)，將仿真系統(tǒng)用于冶金技術(shù)培訓(xùn)教學(xué)，真實的數(shù)據(jù)模擬提高實操的針對性和有效性。培訓(xùn)學(xué)員實現(xiàn)了：有網(wǎng)即可學(xué)習(xí)、考核，掌握自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，有指導(dǎo)性地提升實踐操作能力

虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，能夠滿足局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中使用，經(jīng)過嚴(yán)格的壓力測試，滿足多人同時在線。仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一臺顯示虛擬場景、一臺顯示上位機監(jiān)控界面進(jìn)行仿真實訓(xùn)考核。服務(wù)器上安裝數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器端軟件，客戶端安裝客戶端軟件，通過賬號和密碼登錄驗證使用仿真軟件。虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)見圖3所示。

圖3 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

軟件需求調(diào)查表

收集用戶需求，用戶需求涉及軟件功能和定制投資，軟件需求調(diào)查表見表1。

表1 軟件需求調(diào)查表

結(jié)束語

建設(shè)煉鐵、煉鋼生產(chǎn)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，可滿足新員工、轉(zhuǎn)崗員工對生產(chǎn)線理論學(xué)習(xí)、生產(chǎn)線工藝和安全認(rèn)知學(xué)習(xí)及考核上崗培訓(xùn)，在職職工技能提升培訓(xùn)，具有自動評價系統(tǒng)以適用于技能比武的需要，提供一個教、學(xué)、訓(xùn)、考一體化管理平臺，為大規(guī)模人員培訓(xùn)提供了有力保障。在虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)上進(jìn)行實操訓(xùn)練，既能降低在真實現(xiàn)場中的設(shè)備誤操作率和經(jīng)濟(jì)成本，又能保證操作的可靠性和安全性，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。此外，可承辦冶金全國大型比賽，提高了企業(yè)知名度，社會效益明顯。實訓(xùn)系統(tǒng)建成后，最大可實現(xiàn)128人在線培訓(xùn)，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。