淺談數字孿生工廠的工藝流程三維模擬技術

李其銳

摘要：隨著數字化時代的到來，以虛擬現實技術為代表的數字化技術將會對石油石化行業產生重要的影響，運營單位對安全的要求也越來越高，同時油氣田地面工程大部分設備必須連續作業，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環境，如果想要進行人員上崗的培訓、應急演練、緊急事故處理、正常調工況、開車等往往不能夠直接實現，或者需要花費大量的代價或者冒很大的風險，所以本文融合虛擬現實技術與工藝流程仿真模擬技術相結合，研究了工藝流程的三維模擬技術。

關鍵詞：虛擬現實展示技術;數字化集成系統;工藝流程三維模擬

中圖分類號：TE832 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0073-02

0 引言

隨著數字化時代的到來，以虛擬現實技術為代表的數字化技術將會對石油石化行業產生重要的影響，業主對安全的要求也越來越高，油氣田地面工程大部分設備必須連續作業，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環境，如果想要進行人員上崗的培訓、應急演練、緊急事故處理、正常調工況、開車等往往不能夠直接實現，或者需要花費大量的代價或者冒很大的風險。

而仿真技術是以計算機和各種設備為工具，在相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關技術的基礎上，建立并利用模型對相關系統進行實驗研究的一項綜合技術[1]。當前，為了進一步降低生產運營成本、提高安全運行水平，國內外油氣企業紛紛采用仿真模擬技術優化工程的設計、運行。

實現工程的虛擬現實必須要有三維模型作為基礎，目前油氣田地面工程在設計階段大部分采用三維的設計軟件實施，融合虛擬現實技術與工藝流程仿真模擬技術，形成工藝流程三維模擬系統，通過該系統可以模擬各種工況和場景;同時完成高風險作業培訓、人員上崗培訓，開車試運行模擬仿真等，通過該技術將提高石油工程建設和運行的管理水平，為實現智慧油田提供技術支撐和保障。

1 工藝流程三維模擬概述

工藝流程三維模擬可分為三部分：虛擬現實展示系統、數據庫系統及工藝流程模擬仿真系統，三者之間相互關聯組成完整的系統。

（1）虛擬現實展示系統：實現工藝流程仿真系統的人機交互與信息呈現采用軟件對設計階段的三維模型進行格式轉換，轉換成通用格式，在轉換過程中保證模型的完整性、數據的準確性。將模型導入到虛擬現實展示平臺中，用戶可以在系統中瀏覽查看各種設備的屬性信息，同時讀取計算產生的數據以及場景展示。

（2）工藝流程仿真模擬系統：整個平臺的機理模型和數據來源，可以在控制指令的驅動下實現不同工況下運行參數的變動計算，根據工藝流程圖在系統中進行創建和參數輸入控制，并通過仿真軟件實現動穩態的仿真計算模擬，計算完成后再通過數據庫系統將結果反饋到虛擬展示系統中通過場景進行呈現。

（3）數據庫系統：該數據庫存儲物理拓撲結構及動態數據表和指令參數，主要功能是連接虛擬現實展示平臺和工藝流程仿真模擬軟件，通過數據庫完成數據的傳遞和指令的響應。

2 工藝流程仿真模擬

2.1 仿真模擬技術概述

工藝流程仿真模擬就是將一個由許多單元過程組成的化工流程用數學模型表現，用計算機求解描述整個化工生產過程的數學模型，得到有關化工過程性能的信息。根據模擬對象所要求的特性與時間的關系，工藝流程仿真模擬可分為穩態流程模擬和動態流程模擬。

穩態模擬的主要應用場合及功能包括：新裝置設計，舊裝置的改造，新工藝、新流程的開發研究，生產調優、疑難問題診斷，科學研究，以及作為動態模擬、實時優化的基礎。

動態模擬可以對化學過程或精煉廠進行更好的設計、優化和操作，能夠確定該工廠能夠以一種安全和簡單的操作方式來生產理想的產品，因此對實際生產更有指導意義。

2.2 模擬計算過程

本次以某三甘醇脫水項目為例，主要模擬計算過程如下：

（1）建立穩態模型：根據現場運行參數的部分數據，在HYSYS的Steady State下，建立三甘醇脫水的穩態模型。

（2）建立動態模型：在得到穩態模型各設備、環節的運行參數后，在Dynamic Code狀態下，建立各設備的動態模型。之后逐漸增加調節閥、安全閥、切斷閥模型，最后增加控制邏輯。

（3）數據處理：以模擬得到的原始數據為基礎，通過Excel表格處理有關數據，分析模型計算運行的合理性和科學性，分析完成后導入到中間數據庫中進行存儲，該數據作為三維模擬展示的基礎數據。

3 三維虛擬展示

3.1 系統架構

工藝流程的三維模擬分為三層：三維可視化平臺包含了圖形引擎和物理引擎。圖形引擎負責三維模型的渲染和展示;模型轉換負責將源模型格式轉換并輕量化為中間格式。仿真系統和實時數據庫負責接入和讀取仿真數據和實時數據。如圖1所示。

3.2 模型轉換

針對不同的模型格式實現該模型特定的解析器插件，解析管理器管理并根據輸入的模型格式分配不同的源模型解析器實例。源模型解析后會在內存中形成統一的中間格式，中間格式在內存中保存了模型的幾何結構信息。最后模型簡化器會對模型的中間格式進行簡化，然后存儲在磁盤形成統一的模型格式。

3.3 圖形引擎

采用的實時渲染的機制，相比于單獨渲染出每一張圖片再做成視頻更需要運算資源，為了做到流暢且高質量的顯示效果，渲染引擎主要做了以下幾點優化：（1）高效視錐體裁剪算法;（2）相同材質的幾何體合并渲染;（3）像素過小時剔除;（4）資源多線程異步加卸載。

3.4 三維虛擬展示實現方法

主要包括以下內容：

（1）數字孿生系統：三維虛擬展示平臺作為數字孿生的承載系統，通過提供仿真系統與實時系統的切換以達到仿真系統與實際運營系統的映射。

（2）設備位號綁定：仿真系統和實時數據系統每一個點位需要保證相同的點位號，實現仿真系統與實時數據系統同時綁定到設備位號。

（3）讀取仿真數據：仿真系統根據仿真過程生成時間序列的仿真數據。仿真數據每一列代表一個設備的一個數據點，每一行按照時間序列（秒）存儲仿真數據。數據的導出格式為excel文件格式。

（4）仿真數據展示：工藝流程仿真系統的PID圖與三維模型中的設備位號進行綁定，然后工藝流程仿真模擬系統生成仿真數據。在三維場景中實時的讀取仿真數據，在三維場景中的特定設備上通過標牌窗口顯示。

3.5 流程模擬三維展示

（1）高仿真三維模型制作：通過三維模型轉換技術將S3D產生的三維模型和數據轉換成可展示的格式，導入到展示軟件中，在軟件中可以進行模型的渲染、配色、定制、細化等操作，并且對周邊環境、地理信息等進行參考，讓模型更貼近現實。

（2）三維模型瀏覽漫游：通過軟件的漫游功能，可以通過多種視角進行工廠漫游，同時也可以配置虛擬現實設備，實現VR的虛擬展示，該方式能夠使用戶沉浸在數字化工廠中，身臨其境的感受數字化工廠以及工藝模擬數據展示。該功能能夠為運營期組織人員培訓、操作培訓、應急演練等，大大節約成本。

（3）實現動態數據顯示：標牌采用HTML格式進行展示，比如設備的工藝參數實時展示，可實現設備內部組件的設置、液位的變化、關鍵參數等動態展示，以便隨時掌握該設備的運行狀況（如圖2）。

通過軟件定制開發，實現溫度表、壓力表的動態展示，通過虛擬表盤和數據列表的形式呈現給用戶，讓用戶在虛擬環境中快速的獲取有效信息。如圖3所示。

4 結語

在數字孿生體中工藝流程三維模擬打破常規，通過技術手段將二維的計算和三維模型進行關聯互動，并通過數據傳遞交互實現信息共享，數據遞延，并借助虛擬現實技術進行沉浸式展示和體驗，為工程運維期提供強大的技術支撐。

參考文獻

[1] 楊明娣，陳廣美.探析化工教學中仿真技術的應用[J].化工管理，2014（32）：145.

Abstract：With the advent of the digital era， the digital technology represented by virtual reality technology will have an important impact on the petroleum and petrochemical industry， and the operating units have higher and higher requirements for safety. At the same time， most of the equipment of oil and gas field surface engineering must be operated continuously， which is usually in the environment of inflammable， explosive， high temperature and high pressure. If you want to train the personnel， you should Emergency drill， emergency treatment， normal condition adjustment， start-up and so on are often not directly realized， or need to spend a lot of cost or take a lot of risk， so this paper combines virtual reality technology with process simulation technology， and studies the three-dimensional simulation technology of process.

Key words：virtual reality display technology;digital integrated system;3D simulation of technological process