安慶石化虛擬現(xiàn)實仿真模擬培訓系統(tǒng)的初步設計

方世滿

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

1 引言

煉化裝置是一種技術含量高的復雜操作系統(tǒng)，只有使操作人員充分掌握裝置的各種運行習性和運行規(guī)律，才能切實提高裝置運行效率，這就要求其不僅要具備良好的技術水平，還需要很高的操作熟練程度[1]。然而，煉化裝置設備必須連續(xù)作業(yè)，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環(huán)境，如果在這些實際的系統(tǒng)上進行科學實驗可能需要花費大量的代價或者冒很大的風險[2]，操作人員對設備啟停、參數(shù)調整的機會不多，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。多頻次的實際操作訓練和適度的理論培訓是培養(yǎng)合格操作人員的基本途徑，傳統(tǒng)培訓方式不能直觀展示裝置設備結構和物料轉化過程，培訓效果差[3]。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality, VR），也稱靈境、幻真、賽博空間等，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界（或虛擬環(huán)境）的計算機系統(tǒng)，可以生成一種“人既可以沉浸其中又可超越其上、進出自如、相互交互的多維信息空間”[4]。基于虛擬現(xiàn)實技術搭建的虛擬培訓系統(tǒng)，其主要是通過佩戴穿戴式虛擬現(xiàn)實設備，受訓人員可以從任何角度觀察裝置的全部構造，沉浸式體驗裝置設備運行原理和操作過程[1]，可使煉化裝置操作人員快速掌握相關知識和技能，提高操作熟練程度，具有無實訓危險、安全性高、節(jié)約實訓成本、可反復利用、易培養(yǎng)學員學習興趣、激發(fā)學員學習潛能、增強學員自信等優(yōu)點[4]。可見，利用系統(tǒng)建模與仿真的方法，在虛擬現(xiàn)實可視化仿真系統(tǒng)中進行煉化企業(yè)人員培訓意義重大。

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備操作培訓工作現(xiàn)狀的基礎上，探討基于虛擬現(xiàn)實技術的培訓系統(tǒng)在安慶石化分公司應用需要解決的基本問題，初步設計出虛擬現(xiàn)實可視化培訓平臺總體結構和基本模塊，以供安慶石化公司培訓科研項目立項參考，也為類似化工企業(yè)裝置設備仿真模擬培訓提供借鑒。

2 安慶石化設備裝置操作培訓現(xiàn)狀

2.1 煉化企業(yè)仿真培訓現(xiàn)狀

目前，國外化工企業(yè)培訓已由傳統(tǒng)的理論學習轉到過程仿真模擬培訓，并在許多國家的大型石化企業(yè)得到普遍應用，比較著名的仿真培訓系統(tǒng)主要有：Audy，SACDA，Norcontrol Simulation 等。國內，燕山石化公司與北京化工大學于 1987年成功研制國內第一套化工仿真培訓系統(tǒng)[5]，已有多個石油化工企業(yè)開展了基于虛擬現(xiàn)實技術的仿真培訓系統(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)中得到了廣泛應用，以計算機為核心的DCS 仿真培訓系統(tǒng)成為當今重大生產(chǎn)設備和過程控制設備運行人員上崗前操作培訓的必備工具[6]。

圖1：設備結構圖

圖2：三維工藝流程圖

2.2 安慶石化仿真操作培訓現(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)的應用上取得了不少成果，但各個軟件系統(tǒng)間相互獨立，信息訪問困難[8]。各類模型都有各自的技術先進性，但不具備模型集成化應用、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)技術水平高，但目前操作人員培訓，還是傳統(tǒng)的操作培訓模式：在教室中，以傳統(tǒng)教材用抽象的二維畫面、PPT、簡短視頻進行學習，不能直觀展示裝置設備結構和工藝流程，專業(yè)培訓深度欠缺，或是利用現(xiàn)場檢修的機會進行觀摩培訓，但會受到時間和成本的限制[3]。

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

3 基于虛擬現(xiàn)實技術的操作培訓系統(tǒng)框架初步設計

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

3.1 煉化裝置設備三維模型構建

煉化裝置三維模型具有設備密集度大、設備結構復雜、設備種類多等特點（圖1,圖2）[6]，要使構建的三維模型管理方便、瀏覽速度高、真實感強、數(shù)據(jù)量小、構建快捷，必須聯(lián)合多款功能強大的三維模型構建軟件，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，實現(xiàn)模型相互導入導出，以充分利用軟件各自優(yōu)勢。

3.2 全流程裝置運行仿真模型

為了模擬、描述煉化裝置的全流程運行過程，需要建立運行仿真模型，反映安慶石化現(xiàn)有煉化裝置內部物料的物理化學變化過程，以及各個狀態(tài)屬性的改變等內在規(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)響應過程，即對過程建立動態(tài)數(shù)學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)響應十分必要[2]，如：換熱器的數(shù)學模型是由傳熱速率方程、熱平衡方程及相平衡構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際流程中管路連接方式繁多，由于通用的管網(wǎng)計算方法（迭代求解）耗機時過多，在培訓仿真的精度要求以內，需要尋求簡化的流量計算方法，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，結合安慶石化在線三維培訓管理系統(tǒng)需求，構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)絡版，使其可在Windows 和 Mac 的網(wǎng)頁上進行瀏覽[2,6]。

3.4 數(shù)據(jù)庫平臺設計

為了便于將裝置設備模型與數(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

虛擬交互課件獨特的可交互性彌補了安慶石化現(xiàn)有操作人員培訓缺點：設備操作性少、理論學習實踐性差、視頻動畫交互性差。虛擬交互課件模塊需要包括基本信息、設備結構、工作原理、標準操作、故障分析等五個二級模塊[2]。培訓學員可在學員站界面運行操作站功能，提供操作員完成各種日常監(jiān)視和操作手段，學員可通過鍵盤和模擬手套操作，修改各種調節(jié)器的給定值，切換回路狀態(tài)，啟動聯(lián)鎖，調整閥位、機泵狀態(tài)和開關位置等[6]。

3.6 智能考核

智能考核模塊要能實現(xiàn)試題管理功能，如增加考題、考題管理、試卷管理、評分模型、培訓結果分析五部分。操作考核時，如何評價操作是否符合操作規(guī)程，質量指標是否達到要求，是否出現(xiàn)操作不當?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置操作步驟分，操作質量分和報警分等指標，來衡量培訓學員的操作水平[7]。在培訓結果分析中，要設置合理的評估模型，不僅僅是能給出一個分數(shù)，而是要根據(jù)考核結果提出培訓人員提升方向。

4 結語

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