探討石化企業(yè)過程模擬虛擬現(xiàn)實仿真與可視化原理方法

馬斌　廖勇

摘 要：本文以石化企業(yè)多層次業(yè)務(wù)需求管理的可視化集成仿真為平臺。并就虛擬現(xiàn)實可視化平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及企業(yè)過程模擬虛擬現(xiàn)實仿真與可視化原理方法做出了簡要的闡述。

關(guān)鍵詞：石化企業(yè) 可視化建模 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 可視化仿真平臺

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0020-01

目前，石化企業(yè)對于自身的發(fā)展提出了越來越高的要求，例如，在綜合經(jīng)濟指標(biāo)、減少能源消耗與保護環(huán)境等方面。研究人員從不同層面對企業(yè)進行深入研究，如生產(chǎn)過程控制、計劃調(diào)度、物料平衡、供應(yīng)鏈管理等。仿真技術(shù)是研究這些企業(yè)行為的重要工具，通過模擬仿真可以揭示企業(yè)的生產(chǎn)運作規(guī)律，并且根據(jù)仿真優(yōu)化對企業(yè)決策進行輔助支持。站在企業(yè)不同層次與崗位的決策人員，對于企業(yè)各個方面的行為和應(yīng)用需求是不同的，觀察到生產(chǎn)過程信息也是不同的。因此，從這些方面來看，多角度的企業(yè)集成仿真技術(shù)意在改進企業(yè)的運行與管理，正確運用這項技術(shù)對企業(yè)的影響越來越不容小覷。

1 石化企業(yè)虛擬現(xiàn)實可視化平臺總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計

1.1 石化企業(yè)可視化平臺總體框架

石化企業(yè)可視化仿真平臺總體框架可分為三個層面[1]：（1）虛擬現(xiàn)實可視化系統(tǒng)；（2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；（3）仿真系統(tǒng)。首先，虛擬現(xiàn)實可視化系統(tǒng)為信息資料的顯示和人機交互的直觀可視化創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件，該系統(tǒng)可模仿企業(yè)的生產(chǎn)與控制過程，并在人機交互系統(tǒng)中設(shè)計發(fā)出口令，口令發(fā)出后便可連接數(shù)據(jù)庫保存信息，從而順利打開仿真系統(tǒng)的界面。其次，口令被仿真系統(tǒng)成功識別，仿真的相關(guān)程序即可開啟，仿真系統(tǒng)運作后得出的數(shù)據(jù)會被記錄到數(shù)據(jù)庫中，模擬可視化系統(tǒng)識別此次運作數(shù)據(jù)，生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)資料就可以達到可視化的效果。因此，上述組成可視化平臺的三個系統(tǒng)是數(shù)據(jù)與信息資料間的橋梁，它們?nèi)币徊豢桑墙M成完整的石化企業(yè)可視化平臺的重要要素。

1.2 全過程可視化模型整體布局設(shè)計

對全過程的可視化模型做出整體的布局設(shè)計與安排，一方面便于彰顯石化企業(yè)整個過程中所有機械運行的準(zhǔn)確性和高效性，另一方面也可以更加形象的表現(xiàn)那些機械裝置的安置情況。如果不能達到這個效果，那么，不斷聚集的可視化3D結(jié)構(gòu)模型就會出現(xiàn)一系列失誤，得出的結(jié)果也會脫離實際情況。于是，失誤頻繁的三維可視化環(huán)境就會給瀏覽者造成困擾，為他們提供錯誤信息，影響其作出判斷。這些失誤可能是機械裝置之間安置不合理，進出側(cè)線的位置不準(zhǔn)確。因此，如要設(shè)計一個更加完善的3D結(jié)構(gòu)模型，首先做出一個石化企業(yè)全過程可視化模型整體布局設(shè)計就顯得尤為重要。企業(yè)整體的布局平面圖設(shè)計完成后，全過程中每個可視化單元的模型便能夠依據(jù)現(xiàn)實技藝進行創(chuàng)建，之后便可依據(jù)平面設(shè)計圖和三維空間位置進行單元模型的構(gòu)建，從而將模擬的三維可視化模型真實化。

1.3 全流程裝置機理模型

出于可虛擬裝置機理轉(zhuǎn)作流程的考慮，應(yīng)該創(chuàng)建全流程內(nèi)在機理模型，進而可以直觀地觀察機械中物理方面或是化學(xué)方面的改變進程，揭示其運轉(zhuǎn)規(guī)則。全流程裝置機理模型可以分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型兩種。從工藝角度出發(fā)，研究及注意的焦點為變量的變化輸入后，得出的變量穩(wěn)態(tài)值的改變規(guī)律，這便是所謂的穩(wěn)態(tài)模型；然而，動態(tài)模型指的是從此個穩(wěn)態(tài)值至另個穩(wěn)態(tài)值的改變，它的利用可使結(jié)構(gòu)的控制與設(shè)計甚至是生產(chǎn)中的實際操作更加便利高效。原因是控制系統(tǒng)的設(shè)計初衷便是為大大減少動態(tài)響應(yīng)所消耗的時間，于是，就勢必要創(chuàng)建相應(yīng)的動態(tài)模型，并且使用它了解輸入變量變化得出的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。通常情況下的數(shù)學(xué)模型為非線性模型，這種繁雜的模型涵蓋[2]：（1）代數(shù)方程時間自變量的常微分方程，這種情況下為集中參數(shù)模型；（2）時間與空間自變量的偏微分方程，該情況下為分布參數(shù)模型；（3）空間自變量的偏微分方程，這時是分布參數(shù)模型。假如仿真的全部時間是已知確定了的，這時使用偏微分方程進行解決是再合適不過了。

2 石化企業(yè)過程模擬虛擬現(xiàn)實仿真與可視化原理方法

2.1 基于虛擬現(xiàn)實的石化企業(yè)過程模擬仿真概述

在石化企業(yè)中，許多裝置因長期的不間斷運作，溫度與壓力遠遠高于正常值，極易突然產(chǎn)生燃燒或爆炸。在此狀態(tài)下進行實驗不僅會增加資金損耗，承擔(dān)的風(fēng)險也會難以預(yù)計。所以，仿真技術(shù)的創(chuàng)建就為在惡劣的實際環(huán)境中做必要的科學(xué)實驗提供了可能，這一技術(shù)對實驗的進行、研究的發(fā)展以及員工的培養(yǎng)都大有裨益。石化企業(yè)在化工生產(chǎn)安全、油田勘探與生產(chǎn)等層面已經(jīng)開始使用虛擬現(xiàn)實仿真，不過這一技術(shù)有其自身的不足，即沒有能為系統(tǒng)化提供平臺的集成仿真系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)融合在一起不僅可以顯示一種可視的、真實的仿真過程與人機交互過程，還對石化企業(yè)進行科學(xué)試驗、項目研究、員工培養(yǎng)有很大幫助。

2.2 集成仿真數(shù)據(jù)庫平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

石化企業(yè)的虛擬現(xiàn)實可視化環(huán)境創(chuàng)建完成后，就應(yīng)進行集成仿真數(shù)據(jù)庫平臺的相關(guān)設(shè)計，這樣可以把集成仿真平臺模型和數(shù)據(jù)資料一起保存下來，從而在虛擬現(xiàn)實可視化平臺上顯示出模型的相關(guān)資料。石化企業(yè)的集成仿真數(shù)據(jù)庫平臺的作用是：表現(xiàn)數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)種類；表示數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)；進行數(shù)據(jù)庫限制等。基于多層次建模理論的考慮，并參考建模策略，建立模型時首先能在PCS底層構(gòu)建完善健全的基礎(chǔ)模型，再經(jīng)層次建模模型得到MES＼ERP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型即可。

3 結(jié)語

本文基本上介紹的是石化企業(yè)可視化平臺結(jié)構(gòu)與框架的設(shè)計原理及過程，其中，最主要的內(nèi)容為可視化建模的原理、數(shù)據(jù)庫平臺和可視化仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。這些設(shè)計原理及過程的介紹并未將焦點放在某些流程上，因此有著通用性及一般性的特點。根據(jù)3D結(jié)構(gòu)模型和裝置機理模型進行可視化環(huán)境的創(chuàng)建時，著重點便放在了集成數(shù)據(jù)庫平臺和可視化仿真平臺的設(shè)計實現(xiàn)上。與此同時，本文對集成數(shù)據(jù)庫平臺技術(shù)設(shè)計的原理及實現(xiàn)過程做了詳盡且細致的描述，而且在多層次集成仿真的基礎(chǔ)上，將可視化仿真與人機交互界面結(jié)合起來，從而完成了多層次可視化集成仿真平臺的創(chuàng)建與應(yīng)用。

參考文獻

[1] 曹爽，王峰，趙峰臣，等.模擬、虛擬、仿真及模擬仿真與虛擬現(xiàn)實的區(qū)別[J].電腦迷，2013（7）：87-88.

[2] 李冉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程建模和仿真中的應(yīng)用[D].河海大學(xué)，2005.DOI：10.7666/d.y819192.