应用三维虚拟现实技术的仿真培训系统

董 超（大庆炼化公司信息中心，黑龙江 大庆 163411）



应用三维虚拟现实技术的仿真培训系统

董 超
（大庆炼化公司信息中心，黑龙江 大庆 163411）

摘 要：本文简要介绍了大庆炼化公司信息中心开发的应用三维虚拟现实技术的仿真培训系统的网络架构、组成及应用。

关键词：三维虚拟现实；仿真培训系统；网络架构

由于传统仿真系统缺乏对现场故障现象的模拟，无法对外操进行巡检、故障排查等项目的培训。针对此问题，大庆炼化公司信息中心应用北京华康达股份公司的三维虚拟现实仿真平台开发了一系列装置仿真培训系统，本文以其中一套苯抽提装置仿真培训系统为例进行介绍。该仿真培训系统同时具备精度较高的工艺模型和逼真现场感的现场模型，满足装置全员的培训需求。

苯抽提装置仿真培训系统的组成包括后台工艺模型、仿真DCS系统、2D现场站以及三维虚拟现实现场站。开发人员将不同装置的模型分别部署在各个车间的学员基站上，学员基站通过公司网络向GPRES服务器发送运行请求。GPRES服务器通过识别学员基站的静态IP地址发放不同的运行开发权限。

工艺模型是整套仿真培训系统的数据源，是采用北京华康达计算机应用技术有限公司开发的过程动态仿真软件GPRES开发的化工过程模拟模型。该模型是以化工原理、化工热力学、物理化学、反应动力学等机理为基础的机理模型。设备数据来源于装置实际数据和设计数据。稳态以稳态计算软件ASPENPLUS计算的稳态数据为基础，同时拟合了冷态、稳态等多套装置设计数据和现场实际数据，与实际拟合度高，其稳态数据与现场数据误差不超过1%，操作动态响应趋势、连锁响应及事故现象与实际工厂一致，动态响应过程中数据误差不超过3%（主要变量误差不超过1%）。通过对模型运行倍率进行调节可以缩短培训过程中的无效等待时间，例如，仿真系统按照实际开工方案1倍速度运行，从气密到完全开工正常需要7天时间，与装置实际生产基本一致，如果将运行倍率改为150倍，可在1小时内完成该系列操作。

仿真DCS系统是采用EmlBase软件开发的高度仿真DCS操作系统。仿真DCS系统各界面和操作面板采用真实DCS操作系统截图为底图开发，与实际DCS操作系统完全一致。控制系统采用与实际DCS系统一致的算法，其控制系统操作与响应、联锁操作均参照真实DCS系统的操作过程开发，符合操作员操作习惯，提高主操仿真操作的逼真度。仿真DCS系统还具备实时数据显示、历史趋势查询、实时报警提示、历史报警查询等功能，使操作员进行事故演练时可以自主分析判断事故原因，从而指定事故处理方案。

2D现场站是传统仿真培训系统经常采用的现场站形式，一般以工艺原则流程图（PFD图）和工艺自控仪表流程图（P&ID图）为基础开发，能够清晰地展示现场工艺流程，主要用于工艺流程培训和辅助DCS控制操作培训。

三维虚拟现实现场站的开发采用北京华康达计算机应用技术有限公司开发的过程动态仿真软件平台VRS，是以在大庆炼化公司苯抽提装置现场采集的影像资料和设计图纸等为基础数据实现各个设备的建模和虚拟场景的三维建模。三维虚拟现实现场站能够模拟装置现场的场景，并且体现出材质和变化，附加贴图，使用户能够在与现实非常相似的三维虚拟环境中自由交互、随意漫游，并且随时接收到场景反馈回来的信息，信息内容包括使用者在当前所处的场景位置和视野方向，装置的场景中实物的概况和使用者在操作过程中的注意事项、提示信息、操作内容等。根据用户的需求，系统可以暂停或恢复正在运行的仿真过程，能根据不同用户有差异的操作秩序和参与程度给出智能评价，同时能够记录使用者的操作步骤信息和保存相关的系统数据、资料结果等。三维虚拟现实现场站会提供良好的人机互动界面，包括场景浏览模式的选择、相关浏览器信息、虚拟场景的描述及反馈信息、曲线面板，可以快捷简易地创建和修改虚拟环境，数据输入手段非常友好，可以进行优化控制参数的操作，亦可存储和公布数据结果。为了满足应急演练和各种预案落实和考核的需要，三维虚拟现场站对灾害现场和灾害过程进行了模拟仿真，由工艺模型传出的事故故障信号触发各种事故现场特效场景，为参训者在计算机系统上提供判断故障原因、处理事故的虚拟环境。参训者在此环境中可以按照职能和任务的不同，模拟不同的角色，各角色相互合作，协同训练，完成所设定的训练内容。

苯抽提装置仿真培训系统界面简洁、有效、清晰、易懂，只需简单培训就能熟练掌握其操作步骤和方法。培训系统功能齐全，包括冷态开停车、单项操作、事故状态、评分，实现了DCS控制系统的高级控制、连锁控制、紧急停车等功能，同时开发了具有三维真实感的现场环境，实现了3D巡检培训功能，提高了仿真培训系统的真实感。培训系统逼真度和应用性高，仿真效果与实际装置运行的现象基本吻合。动态变化趋势与实际装置运行的现象吻合，现场三维环境与生产现场几乎一致，使应急预案的演练过程和真实的演练接近。该培训系统硬件和网络结构简单，易于维护和扩充，能够扩大同时参加培训的员工人数。

参考文献

［1］曲传艺，许玉艳.三维虚拟现实仿真模拟系统的应用［J］.自动化应用，2011（8）：78-80.

［2］易涛，杨义.化工安全虚拟现实仿真系统的设计与实现［J］.计算机与应用化学，2006，23（1）：49-54.

［3］朱玉韬，金星，荣冈.一种石化企业虚拟现实仿真系统的设计与实现［J］.化工自动化及仪表，2007，34（5）：40-44.

［4］易涛，等.基于虚拟现实技术的灾难事故仿真系统［J］.计算机与应用化学，2009，26（8）：966-970.

中图分类号：TP391

文献标识码：A