應(yīng)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

董 超（大慶煉化公司信息中心，黑龍江 大慶 163411）

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應(yīng)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

董 超
（大慶煉化公司信息中心，黑龍江 大慶 163411）

摘 要：本文簡要介紹了大慶煉化公司信息中心開發(fā)的應(yīng)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組成及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維虛擬現(xiàn)實(shí)；仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象的模擬，無法對(duì)外操進(jìn)行巡檢、故障排查等項(xiàng)目的培訓(xùn)。針對(duì)此問題，大慶煉化公司信息中心應(yīng)用北京華康達(dá)股份公司的三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)開發(fā)了一系列裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，本文以其中一套苯抽提裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)同時(shí)具備精度較高的工藝模型和逼真現(xiàn)場(chǎng)感的現(xiàn)場(chǎng)模型，滿足裝置全員的培訓(xùn)需求。

苯抽提裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的組成包括后臺(tái)工藝模型、仿真DCS系統(tǒng)、2D現(xiàn)場(chǎng)站以及三維虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站。開發(fā)人員將不同裝置的模型分別部署在各個(gè)車間的學(xué)員基站上，學(xué)員基站通過公司網(wǎng)絡(luò)向GPRES服務(wù)器發(fā)送運(yùn)行請(qǐng)求。GPRES服務(wù)器通過識(shí)別學(xué)員基站的靜態(tài)IP地址發(fā)放不同的運(yùn)行開發(fā)權(quán)限。

工藝模型是整套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，是采用北京華康達(dá)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)有限公司開發(fā)的過程動(dòng)態(tài)仿真軟件GPRES開發(fā)的化工過程模擬模型。該模型是以化工原理、化工熱力學(xué)、物理化學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等機(jī)理為基礎(chǔ)的機(jī)理模型。設(shè)備數(shù)據(jù)來源于裝置實(shí)際數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)以穩(wěn)態(tài)計(jì)算軟件ASPENPLUS計(jì)算的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時(shí)擬合了冷態(tài)、穩(wěn)態(tài)等多套裝置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，與實(shí)際擬合度高，其穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)誤差不超過1%，操作動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)、連鎖響應(yīng)及事故現(xiàn)象與實(shí)際工廠一致，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中數(shù)據(jù)誤差不超過3%（主要變量誤差不超過1%）。通過對(duì)模型運(yùn)行倍率進(jìn)行調(diào)節(jié)可以縮短培訓(xùn)過程中的無效等待時(shí)間，例如，仿真系統(tǒng)按照實(shí)際開工方案1倍速度運(yùn)行，從氣密到完全開工正常需要7天時(shí)間，與裝置實(shí)際生產(chǎn)基本一致，如果將運(yùn)行倍率改為150倍，可在1小時(shí)內(nèi)完成該系列操作。

仿真DCS系統(tǒng)是采用EmlBase軟件開發(fā)的高度仿真DCS操作系統(tǒng)。仿真DCS系統(tǒng)各界面和操作面板采用真實(shí)DCS操作系統(tǒng)截圖為底圖開發(fā)，與實(shí)際DCS操作系統(tǒng)完全一致?？刂葡到y(tǒng)采用與實(shí)際DCS系統(tǒng)一致的算法，其控制系統(tǒng)操作與響應(yīng)、聯(lián)鎖操作均參照真實(shí)DCS系統(tǒng)的操作過程開發(fā)，符合操作員操作習(xí)慣，提高主操仿真操作的逼真度。仿真DCS系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史趨勢(shì)查詢、實(shí)時(shí)報(bào)警提示、歷史報(bào)警查詢等功能，使操作員進(jìn)行事故演練時(shí)可以自主分析判斷事故原因，從而指定事故處理方案。

2D現(xiàn)場(chǎng)站是傳統(tǒng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)經(jīng)常采用的現(xiàn)場(chǎng)站形式，一般以工藝原則流程圖（PFD圖）和工藝自控儀表流程圖（P&ID圖）為基礎(chǔ)開發(fā)，能夠清晰地展示現(xiàn)場(chǎng)工藝流程，主要用于工藝流程培訓(xùn)和輔助DCS控制操作培訓(xùn)。

三維虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站的開發(fā)采用北京華康達(dá)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)有限公司開發(fā)的過程動(dòng)態(tài)仿真軟件平臺(tái)VRS，是以在大慶煉化公司苯抽提裝置現(xiàn)場(chǎng)采集的影像資料和設(shè)計(jì)圖紙等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的建模和虛擬場(chǎng)景的三維建模。三維虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站能夠模擬裝置現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景，并且體現(xiàn)出材質(zhì)和變化，附加貼圖，使用戶能夠在與現(xiàn)實(shí)非常相似的三維虛擬環(huán)境中自由交互、隨意漫游，并且隨時(shí)接收到場(chǎng)景反饋回來的信息，信息內(nèi)容包括使用者在當(dāng)前所處的場(chǎng)景位置和視野方向，裝置的場(chǎng)景中實(shí)物的概況和使用者在操作過程中的注意事項(xiàng)、提示信息、操作內(nèi)容等。根據(jù)用戶的需求，系統(tǒng)可以暫?；蚧謴?fù)正在運(yùn)行的仿真過程，能根據(jù)不同用戶有差異的操作秩序和參與程度給出智能評(píng)價(jià)，同時(shí)能夠記錄使用者的操作步驟信息和保存相關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、資料結(jié)果等。三維虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站會(huì)提供良好的人機(jī)互動(dòng)界面，包括場(chǎng)景瀏覽模式的選擇、相關(guān)瀏覽器信息、虛擬場(chǎng)景的描述及反饋信息、曲線面板，可以快捷簡易地創(chuàng)建和修改虛擬環(huán)境，數(shù)據(jù)輸入手段非常友好，可以進(jìn)行優(yōu)化控制參數(shù)的操作，亦可存儲(chǔ)和公布數(shù)據(jù)結(jié)果。為了滿足應(yīng)急演練和各種預(yù)案落實(shí)和考核的需要，三維虛擬現(xiàn)場(chǎng)站對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)和災(zāi)害過程進(jìn)行了模擬仿真，由工藝模型傳出的事故故障信號(hào)觸發(fā)各種事故現(xiàn)場(chǎng)特效場(chǎng)景，為參訓(xùn)者在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上提供判斷故障原因、處理事故的虛擬環(huán)境。參訓(xùn)者在此環(huán)境中可以按照職能和任務(wù)的不同，模擬不同的角色，各角色相互合作，協(xié)同訓(xùn)練，完成所設(shè)定的訓(xùn)練內(nèi)容。

苯抽提裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)界面簡潔、有效、清晰、易懂，只需簡單培訓(xùn)就能熟練掌握其操作步驟和方法。培訓(xùn)系統(tǒng)功能齊全，包括冷態(tài)開停車、單項(xiàng)操作、事故狀態(tài)、評(píng)分，實(shí)現(xiàn)了DCS控制系統(tǒng)的高級(jí)控制、連鎖控制、緊急停車等功能，同時(shí)開發(fā)了具有三維真實(shí)感的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了3D巡檢培訓(xùn)功能，提高了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的真實(shí)感。培訓(xùn)系統(tǒng)逼真度和應(yīng)用性高，仿真效果與實(shí)際裝置運(yùn)行的現(xiàn)象基本吻合。動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)與實(shí)際裝置運(yùn)行的現(xiàn)象吻合，現(xiàn)場(chǎng)三維環(huán)境與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)幾乎一致，使應(yīng)急預(yù)案的演練過程和真實(shí)的演練接近。該培訓(xùn)系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)和擴(kuò)充，能夠擴(kuò)大同時(shí)參加培訓(xùn)的員工人數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A