低温多效海水淡化仿真培训平台的研制及应用

肖亚苏，俞永江，李 楠，康 权，王金燕

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

我国海水淡化产业发展迅猛，市场需求空间巨大，大型装置不断涌现，但大部分由国外主导承建，国内缺乏加工制造和运行维护实践，技能型员工短缺问题日益凸显。国务院办公厅[2012]13号文《关于加快海水淡化产业发展的意见》提出要强化海水淡化宣传培训，提高在岗人员的专业素质和技能水平以适应产业快速发展需求。但海水淡化领域一直沿袭理论教学、书面考核和见习值班等传统培训模式，存在培训周期长、业务针对性差、误操作风险高等问题。因此，现有培训水平与国家大力发展海水淡化产业步骤不协调[1-2]。

本文针对上述问题，借鉴民航、高铁、核电等高端领域研发经验[3]，研制了一套面向低温多效蒸馏MED（multi-effect distillation）海水淡化过程控制的全数字仿真平台，用于研究模拟仿真核心技术，实现海水淡化虚拟现实场景下的操作与控制，具备岗前培训、在岗培训、事故预演和技能鉴定等功能，对提高培训质量和效率、改善装置运行水平、填补海水淡化领域仿真培训研究空白等方面具有十分重要的意义。

1 仿真培训现状

仿真技术是综合采用计算机图形学、虚拟现实和分布交互式仿真等先进技术，建立一个与实际装置运行状况相同或相似的仿真环境，参训人员在其中接受训练，增强其对实际系统操作的控制能力和对事故的判断处理能力。近年来，针对复杂大系统的分析与设计需要，仿真技术得到了飞速发展，相继出现了一系列新的仿真技术，如：面向对象仿真技术、分布式交互仿真技术、虚拟现实VR技术、建模与仿真的校核、验证和确认（VV&A）技术。基于虚拟现实的仿真培训将是今后主流发展方向[4]。

仿真培训具有不受客观条件限制、有效避免误操作可能造成的设备损坏或人身伤害、培训周期短及培训效率高等优点，在石油化工、航空航天、电力等领域得到了广泛应用，但海水淡化领域仍处于空白。随着我国海水淡化产业快速发展，研制出大型MED装置虚拟操作环境，对提高从业人员的业务素质和操作水平，促进海水淡化产业升级等方面至关重要。

2 总体架构设计

低温多效蒸馏海水淡化仿真培训系统主要包含DCS控制仿真、大型装置虚拟样机和管理评价系统3部分，框架如图1所示。

图1 平台框架结构Fig.1 Platform frame structure

平台设计采用局域网结构，主要由教师站、学员站及投影仪等硬件设备组成，为减少开发成本，精简了专用仿真键盘和触屏。教师站利用LABVIEW软件开发DCS工艺监控流程，具备PID参数优化和故障考核设置等功能；学员站利用三维软件对装置进行三维建模，开发人机交互技术，具备虚拟场景下的操作与控制。教师站和学员站之间采用TCP/IP通讯，实现过程控制仿真与虚拟样机间的数据交换。

3 平台的研制

3.1 DCS过程控制仿真

针对低温多效蒸馏海水淡化工艺特点和控制要求，根据质量平衡和能量平衡，建立了蒸发器、冷凝器和闪蒸罐的数学模型，并对控制模型（液位、流量、温度等）进行离散化处理[5-6]。采用单回路PID控制系统，以LABVIEW作为图形化界面开发平台，开发完成装置DCS过程控制仿真系统。

3.1.1 软件结构设计

过程控制仿真软件由线程调度模块、数学模型模块、教师指令模块、显示模块、报警模块、通信模块、DCS操作员模块和现场操作模块组成。结构如图2所示。

图2 软件模块结构图Fig.2 Software module structure

3.1.2 数学模型建立

过程控制仿真系统中的液位是通过水泵的转速来控制，根据过程的内在机理建立液位控制系统模型[7]。设水箱的液位为h，进入水箱的流量为Q1，水泵的流量为Q2。根据动态物料守恒有：

其中，A为水箱的横截面积。设ΔQ=Q1-Q2，则过程传递函数为

过程控制仿真系统中的流量同样是通过泵的转速来控制。在同样的管路条件下，泵的转速降低，流量也相应降低。转速与流量的关系为

过程控制仿真系统中的温度是通过控制消除过热泵的转速来控制。喷射泵制冷系统的模型是惯性环节加延时环节。为满足仿真的快速性，控制模型简化为一个惯性环节。

3.1.3 离散化处理

上述MED过程控制对象的数学模型都是连续的，仿真时要把连续的数学模型离散化。本文采用双线性变换法来实现连续系统的离散化。双线性变换法即：

其中，T0为采样时间，本文中指仿真时间。对液位控制对象进行离散化得：

对流量控制对象离散化得：

对温度控制对象简化后，其数学模型形式与流量控制对象数学模型类似，对其离散化得：

3.2 大型装置虚拟操作环境构建

本文采用Open Scene Graph三维图形引擎设计，实现了大型装置虚拟操作环境构建。图3为按照1∶1比例实现的MED装置三维重现。为提高管路辨识度，图中采用不同颜色来标示进料水系统、产品水系统、浓盐水系统、蒸汽系统及加药系统等。

图3 大型MED装置三维模型Fig.3 3D model of MED device

3.2.1 开发平台选取

在三维软件开发方面，用于研究型的VR系统大多采用 WTK、Multigen Vega、OpenGVS等软件包进行开发，但效率低难度大。本文借鉴当前场景绘制、图形硬件、分布式仿真和软件设计模式的新进展，采用Open Scene Graph作为三维场景渲染引擎，设计实现了分布式可扩展的虚拟环境开发框架。基于该开发框架，在实现虚拟环境高效开发的同时，依托分布交互式仿真支撑环境解决虚拟环境的时空一致性问题。

3.2.2 框架结构研究

在虚拟环境框架结构方面，综合集成HLA/RTI作为分布式仿真支撑工具，虚拟场景生成和绘制工具作为渲染引擎，沉浸式交互设备作为人机接口，实现了技术突破。其体系结构如图4所示。

图4 虚拟环境框架结构Fig.4 Virtual environment framework structure

3.2.3 功能及优点

虚拟环境框架结构的功能和优点集中表现在以下3个方面：

（1）虚拟场景的结构与组织管理，即对不同功能、不同性质的仿真实体进行分类并统一组织与管理，提供关于各种对象创建、删除、定位等服务；

（2）仿真对象的分布式交互与调度，即支持HLA的各种时间管理策略，提供回调与事件通知机制，使整个联邦范围内的对象按给定的时序和消息传递关系进行工作；

（3）集成沉浸式人机交互设备和接口，并利用事件驱动和回调机制与场景对象组织、仿真对象管理功能集成。

3.3 管理评价体系设计

3.3.1 评价方法

本文主要采用了模糊评估法和层次分析法。模糊评估法：利用模糊评估方法，明确因素集与被择集，然后建立每个评价指标的单因素评价矩阵，求得模糊评价集合，最后对集合进行加权运算得到评价结果；层次分析法训练过程分为若干步骤，明确评价准则和标准动作，将参训者操作情况与每个步骤标准操作对比，根据评价准则给予一定分数，最后将所有步骤得到的分数加权运算得到评价结果。

3.3.2 培训评估标准

低温多效蒸馏仿真系统中包含着多种多样的流程，将一些全局指标作为评价标准。

（1）操作人员熟练程度：所有的操作均有时间上的要求，每一项操作任务均有一个时间范围限定，完成任务的时间越短或者单位工作量越大说明操作人员操作越熟练。

（2）操作正确程度：不同过程控制对出现错误操作容忍程度是不同的，但是出现误操作的次数越少越好。因此通过比较错误操作的总次数与标准动作集合中的动作总数基本上可以衡量参训人员的操作正确度。

（3）处理问题的能力：提高参训人员解决故障的能力是仿真系统的一个重要目标，衡量处理问题的水平可以通过恢复到正常状态的用时和处理问题动作的正确程度两个指标进行衡量。

（4）是否完成训练指标：完成训练规定的任务是进行训练仿真最基本的要求，因此是否完成训练指标也是一个重要的评估标准。

以上4个方面的标准，基本上可以从全局过程对低温多效蒸馏仿真培训操作进行评估。

3.3.3 考试成绩计算

考试总成绩可用下式计算：

式中：Y为考试总成绩；Yi为各分项考试成绩，分别代表各个步骤的得分；ωi为权系数。

各分项考试成绩可用下式计算：

式中：Yj为分项考试中扣除分数；k为扣分项个数；iYi为各分项考试成绩，满分为100分。

4 应用实践

作为国内首套面向低温多效蒸馏海水淡化的仿真培训平台（如图5所示），综合了流程演示、虚拟操作、故障设置、事故演练及培训考核等功能，可广泛用于教学培训和技能鉴定等领域，也可为国内外海水淡化技术合作提供理想的交流渠道。

图5 仿真培训平台Fig.5 Simulation training platform

该平台研制完成后，已连续4年用于商务部组织的发展中国家海水淡化管理研修班的学习培训，培训对象涵盖非洲、中东、拉美等30多个国家，规模达百余人次；同时，还用于某海水淡化公司海外工程项目的现场调试和人员培训指导，对提高培训效率、避免误操作以及确保装置稳定运行等方面起到了很好的支撑作用。

5 结语

仿真培训平台作为强化海水淡化宣传培训和提升工程运行维护水平的重要手段，综合采用了计算机图形学、虚拟现实、分布式交互仿真等先进技术，实现了大型MED装置的工艺过程仿真和三维重现，时空一致性、交互操作的实时性和灵活性、仿真模型的真实性等指标达到国际先进水平，在国家职能部门、科研院所、海水淡化企业等领域具有很好的推广价值。

[1] 阮国岭，冯厚军.国内外海水淡化技术的进展[J].中国给水排水，2008，24（20）：86-90.

[2] 冯厚军，谢春刚.中国海水淡化技术研究现状与展望[J].化学工业与工程，2010，27（2）：103-109.

[3] 彭晓源.系统仿真技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 李云峰.现代计算机仿真技术的研究与发展[J].计算技术与自动化，2002，21（4）：75-83.

[5] 邵裕森.过程控制及仪表[M].上海：上海交通大学出版社，1994.

[6] 吴重光.系统建模与仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.

[7] 陈宗海.过程系统训练仿真器的面向对象分析与设计[J].系统仿真学报，1998，10（3）：50-54. ■