安庆石化虚拟现实仿真模拟培训系统的初步设计

方世满

（中国石油化工股份有限公司安庆石化分公司储运部 安徽省安庆市 246000）

1 引言

炼化装置是一种技术含量高的复杂操作系统，只有使操作人员充分掌握装置的各种运行习性和运行规律，才能切实提高装置运行效率，这就要求其不仅要具备良好的技术水平，还需要很高的操作熟练程度[1]。然而，炼化装置设备必须连续作业，通常处于易燃易爆、高温高压的环境，如果在这些实际的系统上进行科学实验可能需要花费大量的代价或者冒很大的风险[2]，操作人员对设备启停、参数调整的机会不多，大部分经历是在巡检、安全检查上，致使合格操作人员的培养周期过长。多频次的实际操作训练和适度的理论培训是培养合格操作人员的基本途径，传统培训方式不能直观展示装置设备结构和物料转化过程，培训效果差[3]。虚拟现实（Virtual Reality, VR），也称灵境、幻真、赛博空间等，是一种可以创建和体验虚拟世界（或虚拟环境）的计算机系统，可以生成一种“人既可以沉浸其中又可超越其上、进出自如、相互交互的多维信息空间”[4]。基于虚拟现实技术搭建的虚拟培训系统，其主要是通过佩戴穿戴式虚拟现实设备，受训人员可以从任何角度观察装置的全部构造，沉浸式体验装置设备运行原理和操作过程[1]，可使炼化装置操作人员快速掌握相关知识和技能，提高操作熟练程度，具有无实训危险、安全性高、节约实训成本、可反复利用、易培养学员学习兴趣、激发学员学习潜能、增强学员自信等优点[4]。可见，利用系统建模与仿真的方法，在虚拟现实可视化仿真系统中进行炼化企业人员培训意义重大。

本文在分析中国石油化工股份公司安庆石化分公司的装置设备操作培训工作现状的基础上，探讨基于虚拟现实技术的培训系统在安庆石化分公司应用需要解决的基本问题，初步设计出虚拟现实可视化培训平台总体结构和基本模块，以供安庆石化公司培训科研项目立项参考，也为类似化工企业装置设备仿真模拟培训提供借鉴。

2 安庆石化设备装置操作培训现状

2.1 炼化企业仿真培训现状

目前，国外化工企业培训已由传统的理论学习转到过程仿真模拟培训，并在许多国家的大型石化企业得到普遍应用，比较著名的仿真培训系统主要有：Audy，SACDA，Norcontrol Simulation 等。国内，燕山石化公司与北京化工大学于 1987年成功研制国内第一套化工仿真培训系统[5]，已有多个石油化工企业开展了基于虚拟现实技术的仿真培训系统开发工作，如九江炼油厂[6]、镇江炼油石化股份有限公司[7]、兰州石化[8]，等。随着石化工业的发展，DCS 在大型石化企业中得到了广泛应用，以计算机为核心的DCS 仿真培训系统成为当今重大生产设备和过程控制设备运行人员上岗前操作培训的必备工具[6]。

图1：设备结构图

图2：三维工艺流程图

2.2 安庆石化仿真操作培训现状

虽然安庆石化使用了很多建模、仿真、优化及控制的商业化软件系统，几乎每个装置、单元都有，并在这些系统的应用上取得了不少成果，但各个软件系统间相互独立，信息访问困难[8]。各类模型都有各自的技术先进性，但不具备模型集成化应用、全局过程优化的条件[6]，模型之间的数据交换、模型和工业实时数据之间的数据交换困难，存在明显的“鸿沟”。尽管安庆石化分公司的自动化程度高，仿真、控制系统技术水平高，但目前操作人员培训，还是传统的操作培训模式：在教室中，以传统教材用抽象的二维画面、PPT、简短视频进行学习，不能直观展示装置设备结构和工艺流程，专业培训深度欠缺，或是利用现场检修的机会进行观摩培训，但会受到时间和成本的限制[3]。

传统培训方式的缺陷，致使培养合格的装置和设备操作人员周期长，新员工进厂培训效果差和员工继续教育走形式，对系统安全平稳高效运行十分不利。因此，为切实保障安庆石化装置设备的安全、平稳、高效运行，急需开发基于虚拟现实技术的炼化装置设备仿真模拟培训系统。

3 基于虚拟现实技术的操作培训系统框架初步设计

从硬件来说，安庆石化基于虚拟现实技术的仿真模拟操作系统，拟包括教师站、学员站、模型服务器三个部分：系统的控制指令由教师站下发到模型服务器；模型服务器读取教师站下发的控制指令和接受学员站上传的操作指令，同时进行仿真运算；学员站为受训学员的操作界面[6]。从软件系统来说，要有B/S 网络架构、数据库管理系统、虚拟现实可视化系统和仿真系统[2]。

3.1 炼化装置设备三维模型构建

炼化装置三维模型具有设备密集度大、设备结构复杂、设备种类多等特点（图1,图2）[6]，要使构建的三维模型管理方便、浏览速度高、真实感强、数据量小、构建快捷，必须联合多款功能强大的三维模型构建软件，如3Dmax、MAYA，SGI 图形工作站，等。同时，要利用软件的二次开发或脚本语言书写代码，实现模型相互导入导出，以充分利用软件各自优势。

3.2 全流程装置运行仿真模型

为了模拟、描述炼化装置的全流程运行过程，需要建立运行仿真模型，反映安庆石化现有炼化装置内部物料的物理化学变化过程，以及各个状态属性的改变等内在规律。其至少包括稳态模型与动态模型，尤其是要关注输入变量变化后输出变量稳态值的变化和动态响应过程，即对过程建立动态数学模型和通过模型求解分析输入变量变化后输出变量的动态响应十分必要[2]，如：换热器的数学模型是由传热速率方程、热平衡方程及相平衡构成的一组非线性方程组[6]。另如，催化裂化车间和常减压车间的实际流程中管路连接方式繁多，由于通用的管网计算方法（迭代求解）耗机时过多，在培训仿真的精度要求以内，需要寻求简化的流量计算方法，如“直通管路流量加和”法[2]。

3.3 三维场景交互

利用三维交互开发软件，如Unity3D、Virtools、Blender game engine，结合安庆石化在线三维培训管理系统需求，构建炼化装置三维交互场景，将场景发布至 Windows、Mac、Android 或 iPhone平台，同时可发布网络版，使其可在Windows 和 Mac 的网页上进行浏览[2,6]。

3.4 数据库平台设计

为了便于将装置设备模型与数据在三维可视化环境中信息呈现与交互，同时能从安庆石化公司现有数据库和控制系统中调取部分模型，需要建立集成数据库平台作为“中间桥梁”，连接前台的可视化环境与后台的仿真模型以及现有信息化系统[2,5,6,7,8]。

3.5 虚拟交互课件

虚拟交互课件独特的可交互性弥补了安庆石化现有操作人员培训缺点：设备操作性少、理论学习实践性差、视频动画交互性差。虚拟交互课件模块需要包括基本信息、设备结构、工作原理、标准操作、故障分析等五个二级模块[2]。培训学员可在学员站界面运行操作站功能，提供操作员完成各种日常监视和操作手段，学员可通过键盘和模拟手套操作，修改各种调节器的给定值，切换回路状态，启动联锁，调整阀位、机泵状态和开关位置等[6]。

3.6 智能考核

智能考核模块要能实现试题管理功能，如增加考题、考题管理、试卷管理、评分模型、培训结果分析五部分。操作考核时，如何评价操作是否符合操作规程，质量指标是否达到要求，是否出现操作不当等都是一个很难判定的问题。因此，需要合理的评分规则，需要在评分模型中设置操作步骤分，操作质量分和报警分等指标，来衡量培训学员的操作水平[7]。在培训结果分析中，要设置合理的评估模型，不仅仅是能给出一个分数，而是要根据考核结果提出培训人员提升方向。

4 结语

综上所述，为更好的提升安庆石化公司操作人员培训效果，需要摒弃传统培训模式。本文分析了安庆石化公司仿真模拟培训现状：传统培训方式的缺陷，致使培养合格的装置和设备操作人员周期长，新员工进厂培训效果差和员工继续教育走形式，对系统安全平稳高效运行十分不利。对基于虚拟现实技术的仿真模拟培训系统基本功能（炼化装置设备三维模型构建，全流程装置运行仿真模型，三维场景交互技术，数据库平台，虚拟交互课件，智能考核）进行了初步设计，以为安庆石化公司培训科研项目立项和实施提供参考。