虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)

摘要： 為了解決鍋爐車間現(xiàn)場操作人員的突發(fā)重大安全事故處置能力不足的問題，以某卷煙廠鍋爐為研究對象，利用現(xiàn)場實(shí)際測量、 激光掃描等手段生成鍋爐設(shè)備及車間場景的三維數(shù)據(jù)，利用溫度、 壓力傳感器等獲取鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建鍋爐虛擬模型； 在鍋爐虛擬模型中設(shè)計(jì)鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行中初起火災(zāi)、 天然氣泄露、 蒸汽泄漏3種緊急情況的模擬處置。結(jié)果表明， 所設(shè)計(jì)的鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)中初起火災(zāi)、 天然氣泄露、 蒸汽泄露模擬處置3個(gè)功能模塊響應(yīng)時(shí)長不超過1.5 s，小于所設(shè)置的期望響應(yīng)時(shí)長，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可用于鍋爐的預(yù)測性維護(hù)，保障鍋爐的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 鍋爐； 數(shù)字孿生； 虛擬現(xiàn)實(shí)； Unity 3D軟件

文章編號：1671-3559（2025）02-0286-05

中圖分類號： TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of Digital Twin System for Boiler Safe Operation Based on Virtual Reality Technology

WANG Jinfeng1a，b， ZHANG Jiaxiang1a， WANG Jing2， WANG Ruyue2，RUAN Wang2， WU Liqiang2， YI Dongjie1a

（1. a. Department of Mechanical Engineering， b. Baoding Key Laboratory of Advanced Design and Smart Manufacturing，North China Electric Power University （Baoding）， Baoding 071003， Hebei， China;

2. Baoding Cigarette Factory of Hebei Baisha Tobacco Co.， Ltd.， Baoding 071000， Hebei， China）

Abstract： To solve the problem of insufficient handling ability for sudden major safety accidents of on-site operators in boiler workshops， three-dimensional data of boiler equipment and workshop scenes were generated by using on-site actual measurement and laser scanning taking a boiler in a cigarette factory as the research object. Boiler operation data were obtained by using temperature and pressure sensors to build a boiler virtual model. A digital twin system for boiler safety operation was designed in the boiler virtual model. Virtual reality technology was used to simulate and handling of three emergency situations in boiler operation which are initial fire， natural gas leakage， and steam leakage. The results show that the response time of the three functional modules of initial fire， natural gas leakage， and steam leakage simulation handlinginthedesigneddigitaltwinsystemforboilersafetyoperationdoesnotexceed1.5 s，whichisless thantheexpectedresponsetimeset.Thedesignedsystemcanbeusedforpredictivemaintenanceofboilersandrealizesafeoperationofboilers.

Keywords： boiler; digital twin; virtual reality; Unity 3D software

在工業(yè)領(lǐng)域中，鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于提供動(dòng)力或加熱環(huán)節(jié)，是至關(guān)重要的設(shè)備。鍋爐的運(yùn)行涉及高溫、高壓等危險(xiǎn)因素^［1］，操作不正確或在緊急情況下處置不當(dāng)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，甚至造成鍋爐設(shè)備損壞和人員傷亡^［2］，因此在鍋爐工作狀態(tài)下，須確保鍋爐安全運(yùn)行及緊急情況下采取有效的處置方案。鍋爐安全問題包括高溫、高壓、腐蝕、 泄漏、爆炸等，這些問題都可能對人員和環(huán)境造成巨大危害^［3］。出現(xiàn)緊急情況時(shí)，操作人員應(yīng)快速、準(zhǔn)確地作決策，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p小潛在危險(xiǎn)。

本文中利用虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)和數(shù)字孿生（digital twin，DT）技術(shù)設(shè)計(jì)鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)，使操作人員能夠模擬鍋爐運(yùn)行，并處置多種緊急情況，增強(qiáng)緊急情況處置能力，確保鍋爐的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VR技術(shù)提供了一種可高度沉浸的模擬環(huán)境，使用戶能夠與虛擬世界互動(dòng)^［4］。VR技術(shù)與DT技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對真實(shí)環(huán)境的高度精確模擬^［5］，在諸多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛^［6-8］。

陶飛等^［9］提出的數(shù)字孿生系統(tǒng)包含物理層、 數(shù)據(jù)層、 仿真層、 應(yīng)用層4個(gè)層級。 在此基礎(chǔ)上， 本文中結(jié)合某卷煙廠鍋爐安全運(yùn)行的實(shí)際需求， 利用VR技術(shù)和DT技術(shù)設(shè)計(jì)鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 如圖1所示。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4個(gè)層級的主要組成部分如下： 1）物理層。 物理層涉及硬件設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的部署， 包括虛擬交互硬件、 鍋爐、 溫度傳感器、 壓力傳感器等。 2）數(shù)據(jù)層。 數(shù)據(jù)層用于存儲和管理各種數(shù)據(jù)， 包括鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)、 虛擬模型數(shù)據(jù)、 緊急情況數(shù)據(jù)。 這些數(shù)據(jù)存儲在各數(shù)據(jù)庫中， 供該系統(tǒng)實(shí)時(shí)訪問。 數(shù)據(jù)層還涉及溫度、 壓力等數(shù)據(jù)采集和傳輸， 以確保該系統(tǒng)的高性能和實(shí)時(shí)性。 3）仿真層。 仿真層是關(guān)鍵組成部分， 負(fù)責(zé)模擬鍋爐運(yùn)行和緊急情況， 包括場景數(shù)字建模和渲染、 鍋爐虛擬模型^［10］、 緊急情況模擬。 4）應(yīng)用層。 應(yīng)用層包括用戶界面和應(yīng)用程序邏輯，涵蓋用戶界面、緊急情況模擬處置。操作人員通過VR設(shè)備掌握鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，并模擬緊急情況處置流程。此外，應(yīng)用層還包括性能分析工具，可以監(jiān)控操作人員的行為決策，從而改進(jìn)緊急情況處置流程。

2 系統(tǒng)功能

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 在搭建完成物理層和數(shù)據(jù)層后， 在仿真層和應(yīng)用層詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體功能。

所設(shè)計(jì)的鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)的目的在于提供逼真的模擬環(huán)境， 增強(qiáng)操作人員的鍋爐運(yùn)行安全意識和緊急情況處置能力， 因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)須完成以下工作： 1）鍋爐虛擬模型構(gòu)建。 高度精確的鍋爐虛擬模型包括各種關(guān)鍵組件、 傳感器， 用于模擬鍋爐運(yùn)行狀態(tài)， 包括溫度、 壓力、 流量等關(guān)鍵參數(shù)。" 2）緊急情況模擬。 模擬各種緊急情況， 如初起火災(zāi)、 天然氣泄漏、 蒸汽泄漏等^［11］。" 3）緊急情況處置。 支持操作人員與虛擬環(huán)境互動(dòng)， 使用VR設(shè)備檢查鍋爐設(shè)備和觀察運(yùn)行參數(shù)， 并采取必要的處置措施， 從而增強(qiáng)操作人員的緊急情況處置能力。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

所設(shè)計(jì)的鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)具備高沉浸性、交互性和仿真性^［12-13］。高沉浸性的VR環(huán)境使操作人員完全沉浸于虛擬世界，增加了緊急情況下的真實(shí)感和緊張感，更有助于模擬火災(zāi)、 氣體泄漏等緊急情況。交互性使操作人員在虛擬環(huán)境中模擬鍋爐運(yùn)行及處置緊急情況，提高和增強(qiáng)了決策反應(yīng)速度和緊急情況處置能力。同時(shí)，該系統(tǒng)可以記錄操作人員的表現(xiàn)數(shù)據(jù)，幫助管理人員識別須改進(jìn)的領(lǐng)域，不斷提高鍋爐運(yùn)行的安全性，減小潛在的危險(xiǎn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取Maya軟件建模，采用3ds Max軟件實(shí)現(xiàn)模型渲染，最后通過Unity 3D軟件設(shè)計(jì)鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.2 鍋爐虛擬模型構(gòu)建

3.2.1 物理模型

某卷煙廠鍋爐包括鍋爐殼體、 管道、 燃燒室等。通過現(xiàn)場實(shí)際測量、激光掃描等手段， 生成鍋爐設(shè)備及車間場景的三維數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入Maya軟件中建立模型，所建模型導(dǎo)入3ds Max軟件中渲染。將某卷煙廠車間場景中所有三維數(shù)據(jù)的物理信息轉(zhuǎn)換為圖形數(shù)據(jù)，將圖形數(shù)據(jù)傳遞到光柵化階段，將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維像素，實(shí)現(xiàn)最終場景輸出。鍋爐虛擬模型的渲染流程如圖3所示。

3.2.2 數(shù)學(xué)模型

鍋爐及管道內(nèi)流動(dòng)氣體的動(dòng)態(tài)模擬過程滿足以下連續(xù)性方程、 動(dòng)量守恒方程、 能量守恒方程^［14］：

pt+xi（ρui）=0 ，（1）

t（ρui）+xj（ρuiuj）+pxi-τ_ijxj-τ^-1_ijxj=0 ，（2）

t（ρE）+xj（ρuiE+ujp）-xj（uiτ_ij+uiτ^-1_ij）+

xj（qj+q^-1j）=0 ，（3）

式中： p為氣體的壓強(qiáng)； t為氣體的流動(dòng)時(shí)間； ρ為氣體的密度； ui、 uj分別為氣體在i、 j方向的傳輸速度； xi、 xj分別為氣體在i、 j方向的傳輸距離； τ_ij為黏性應(yīng)力張量在i、 j方向的分量，描述了氣體在不同方向的內(nèi)摩擦力或黏性力； E為氣體的單位質(zhì)量總能量，通常包括內(nèi)能、 動(dòng)能和勢能； qj為氣體在j方向的熱流量通過上述公式將采用溫度、 壓力傳感器等獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)用于鍋爐虛擬模型，操作人員通過該虛擬模型掌握鍋爐的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 緊急情況模擬

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鍋爐運(yùn)行中初起火災(zāi)、 天然氣泄漏、 蒸汽泄漏3種緊急情況的安全操作規(guī)范和處置流程，在鍋爐虛擬模型中，通過動(dòng)畫、 聲音、 文字提示等表現(xiàn)手段模擬3種緊急情況。

鍋爐運(yùn)行中3種緊急情況的起因、 風(fēng)險(xiǎn)和緊急處置分述如下。 1）初起火災(zāi)。①起因： 初起火災(zāi)可能是由燃燒子系統(tǒng)故障、 燃料泄漏、 電氣故障或熱源點(diǎn)火等引發(fā)的。②風(fēng)險(xiǎn)： 初起火災(zāi)可能迅速蔓延，引發(fā)大規(guī)?；馂?zāi)，危及鍋爐設(shè)備、 操作人員和環(huán)境的安全。③緊急處置： 在初起火災(zāi)的情況下，啟動(dòng)火災(zāi)煙霧報(bào)警器與聲光報(bào)警器， 迅速切斷燃料供應(yīng)， 使用滅火器具并快速、 安全地疏散操作人員。2）天然氣泄漏。①起因： 天然氣泄漏可能是由管道破裂、 閥門故障或操作失誤等引發(fā)的。②風(fēng)險(xiǎn)： 天然氣是易燃?xì)怏w，天然氣泄漏可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸，同時(shí)有致人窒息的風(fēng)險(xiǎn)。③緊急處置： 在天然氣泄漏的情況下，啟動(dòng)氣體泄漏報(bào)警器與聲光報(bào)警器，迅速切斷氣源，通風(fēng)危險(xiǎn)區(qū)域，并快速、 安全地疏散操作人員，禁止使用電器設(shè)備，減少點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)。3）蒸汽泄漏。①起因： 蒸汽泄漏可能是由管道或閥門故障、 高溫和高壓子系統(tǒng)失控等引發(fā)的。②風(fēng)險(xiǎn)： 蒸汽泄漏可能導(dǎo)致操作人員灼傷、 鍋爐設(shè)備損壞，造成嚴(yán)重危險(xiǎn)。③緊急處置： 在蒸汽泄漏的情況下，啟動(dòng)氣體泄漏報(bào)警器與聲光報(bào)警器，切斷蒸汽源，通知操作人員啟動(dòng)緊急冷卻子系統(tǒng)，并快速、 安全地疏散操作人員。

在鍋爐天然氣泄漏及蒸汽泄漏模擬中，利用擴(kuò)散方程描述氣體在空氣中的傳輸^［15］，即

ρgt=D2ρgx2 ，（4）

式中： ρg為氣體的質(zhì)量濃度； D為擴(kuò)散系數(shù)； x為氣體在某方向的傳輸距離。

同時(shí)，可以將天然氣近似為理想氣體，使用理想氣體定律描述氣體的狀態(tài)^［16］，根據(jù)氣體所處狀態(tài)的參數(shù)變化，判斷氣體泄漏情況^［17-18］，即

pV=nRT ，（5）

式中： V為氣體的體積； n為氣體的物質(zhì)的量； R為氣體常數(shù)； T為氣體的熱力學(xué)溫度。

利用傳感器獲取緊急情況發(fā)生時(shí)的氣體溫度、 濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)，利用上述公式模擬鍋爐虛擬模型的緊急情況。

3.4 緊急情況處置

在所設(shè)計(jì)的鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)中，通過VR設(shè)備在虛擬場景中模擬緊急情況處置流程，真實(shí)展現(xiàn)初起火災(zāi)、 天然氣泄漏、 蒸汽泄漏的現(xiàn)場情況。鍋爐運(yùn)行中3種緊急情況處置流程如圖4所示。

根據(jù)上述3種緊急情況處理流程，利用Unity 3D軟件設(shè)計(jì)鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)，該系統(tǒng)中初起火災(zāi)、 天然氣泄露、 蒸汽泄露模擬處置3個(gè)功能模塊用于實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行中3種緊急情況的模擬處置。鍋爐電氣控制柜是鍋爐設(shè)備的重要組成部分，也是鍋爐設(shè)備最容易發(fā)生火災(zāi)的重點(diǎn)監(jiān)測部位。鍋爐電氣控制柜初起火災(zāi)模擬處置如圖5所示。

為了保證所設(shè)計(jì)的鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)對緊急情況模擬處理的高效性，該系統(tǒng)中各功能模塊的響應(yīng)時(shí)間必須滿足鍋爐安全運(yùn)行的基本要求。通過分析和計(jì)算鍋爐運(yùn)行中突發(fā)緊急情況時(shí)操作人員及設(shè)備的平均反應(yīng)時(shí)長，設(shè)置該系統(tǒng)的期望響應(yīng)時(shí)長為2 s。響應(yīng)時(shí)長取決于虛擬模型的精度、 計(jì)算資源的可用性以及軟件的性能等多種因素。經(jīng)過運(yùn)行測試，3個(gè)功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)際響應(yīng)時(shí)長如表1所示。 從表中可以看出， 該系統(tǒng)中3個(gè)功能模塊響應(yīng)時(shí)長均未超過1.5 s， 小于所設(shè)置的期望響應(yīng)時(shí)長。 應(yīng)注意的是， 在該系統(tǒng)運(yùn)行中，中央處理器（CPU）、 圖形處理單元（GPU）、 內(nèi)存占用率均未超過85%，因此忽略了計(jì)算資源的可用性對響應(yīng)時(shí)長的影響。

4 結(jié)語

針對某卷煙廠鍋爐運(yùn)行中操作人員的突發(fā)重大安全事故緊急處置能力不足的問題，本文中設(shè)計(jì)了基于VR技術(shù)的鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)，能準(zhǔn)確模擬鍋爐運(yùn)行中初起火災(zāi)、 天然氣泄露、 蒸汽泄漏3種緊急情況，操作人員通過VR設(shè)備能模擬緊急情況處置流程，增強(qiáng)了突發(fā)重大安全事故處置能力。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的鍋爐安全運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測和反饋，能自動(dòng)預(yù)警鍋爐運(yùn)行緊急情況，預(yù)測性維護(hù)鍋爐，從而保障鍋爐的安全運(yùn)行。

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（責(zé)任編輯：王 耘）

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52071142）； 河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青年人才項(xiàng)目（HBZY-BY2023A002）

第一作者簡介： 王進(jìn)峰（1977—），男，山東榮成人。副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄苤圃?。E-mail： wjf266@163.com。

通信作者簡介： 王婧（1988—），女，河北保定人。工程師，碩士，研究方向?yàn)閮x器儀表工程。E-mail： byzh307@163.com。