虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用
摘要：近些年仿真技術(shù)開始結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向三維可視化方向發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)既提供了逼真的現(xiàn)場(chǎng)感，又使系統(tǒng)更接近于實(shí)際，還可以實(shí)現(xiàn)外操巡檢、故障查找等培訓(xùn)以及模擬現(xiàn)場(chǎng)各種事故現(xiàn)象。本文以某化工廠加氫裂化裝置為研究對(duì)象，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和過程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建成一體化且逼真度高的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，對(duì)培養(yǎng)符合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要的操作技能人才尤其重要。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 培訓(xùn)系統(tǒng) 仿真
一、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)概述
虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)最為重要的是保證各子系統(tǒng)之間能夠自由地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)協(xié)作。系統(tǒng)的組成包括數(shù)據(jù)庫平臺(tái)、仿真平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)以及虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景維護(hù)平臺(tái)。仿真平臺(tái)以實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程的工藝機(jī)理為原型，可以完成化工生產(chǎn)過程的仿真任務(wù)。仿真過程中從數(shù)據(jù)庫平臺(tái)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并將仿真產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)需要從數(shù)據(jù)庫平臺(tái)獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)仿真過程的呈現(xiàn)，同時(shí)也可以在該平臺(tái)中對(duì)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。場(chǎng)景維護(hù)平臺(tái)則負(fù)責(zé)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的維護(hù)工作。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)可以通過數(shù)據(jù)庫向仿真平臺(tái)發(fā)布生產(chǎn)控制指令，仿真平臺(tái)則通過數(shù)據(jù)庫將生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息反饋虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。
1、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)特點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)是能在虛擬場(chǎng)景中漫游，并能對(duì)場(chǎng)景中對(duì)象做交互操作。該仿真系統(tǒng)的構(gòu)成有：1)場(chǎng)景的三維模擬。對(duì)實(shí)際場(chǎng)景和環(huán)境采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)。用軟件繪制圖形模塊，再轉(zhuǎn)換成編程語言支持的形式。三維圖形的.好處在于視覺上能帶給人身臨其境的感覺，不同于普通的平面圖形呆板的特點(diǎn)，利用三維虛擬和仿真技術(shù)相結(jié)合，不僅可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)，還可以通過搭建數(shù)學(xué)模型，通過連接仿真平臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，形成一套交互式的仿真系統(tǒng)。2)成員仿真。應(yīng)急預(yù)案演練過程中，有各種職能的“角色”參與其中。一是總指揮：判斷事故狀態(tài)，調(diào)度各種資源，指揮職能部門。二是現(xiàn)場(chǎng)指揮：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，調(diào)度本部門人員和資源。例如，車間、消防隊(duì)、環(huán)保監(jiān)測(cè)等，指揮操作人員。三是操作員：按照職能要求和指令，進(jìn)行具體操作，如現(xiàn)場(chǎng)巡視、堵漏、關(guān)閥、消防隊(duì)員澆水降溫、滅火等。3)內(nèi)容仿真。對(duì)場(chǎng)景內(nèi)可支配物體、活動(dòng)規(guī)律等的仿真。一是工藝模型：描述工藝過程變化，參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)過程的影響，控制系統(tǒng)動(dòng)作等。二是工具和資源的模型：如水槍、消防炮、設(shè)備等。三是三維互動(dòng)模型：儀器、儀表、閥門、開關(guān)等。
2、虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)由主體程序和三維場(chǎng)景兩部分組成。首先三維軟件對(duì)裝置主體及周邊環(huán)境進(jìn)行模擬，然后將其裝換成編程語言后導(dǎo)入到仿真主體程序中去，和主體程序?qū)崿F(xiàn)交互。同時(shí)利用VB的圖形化界面設(shè)計(jì)功能和數(shù)據(jù)庫讀寫控制功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和訪問，這樣，用戶在使用系統(tǒng)時(shí)，既可以瀏覽裝置場(chǎng)景又可以修改各類裝置的屬性并讀取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也可以發(fā)布命令實(shí)現(xiàn)與仿真模型的交互。
二、仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)總體設(shè)計(jì)
1、動(dòng)態(tài)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)綜述。仿真平臺(tái)開發(fā)化生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)重點(diǎn)工作包括三個(gè)部分：第一要建立系統(tǒng)模型，首先確定仿真范圍，然后根據(jù)工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算各管線和設(shè)備物流數(shù)據(jù)。例如，流量、溫度、壓力等。然后再用這些數(shù)據(jù)辨識(shí)具體設(shè)備模型。最后搭接設(shè)備模型，即系統(tǒng)建模。第二要建立仿DCS系統(tǒng)，即完成各種組態(tài)工作以及模型與操作界面(包括仿真DCS/現(xiàn)場(chǎng)畫面)的變量通訊(數(shù)據(jù)交換)組態(tài)。最后是系統(tǒng)調(diào)試，目的是使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且協(xié)調(diào)�；ぱb置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)包括DCS功能開發(fā)、模型開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)站功能開發(fā)等。1)DCS功能開發(fā)。DCS功能開發(fā)包括以下幾個(gè)方面：第一是圖形顯示系統(tǒng)，包括總貌圖、流程畫面、組顯示圖、歷史趨勢(shì)圖、報(bào)警畫面、軟開關(guān)圖、狀態(tài)顯示等開發(fā)。第二是DCS功能開發(fā)，包括DCS鍵盤功能、DCS使用功能等。第三是報(bào)警和連鎖系統(tǒng)開發(fā)。2)現(xiàn)場(chǎng)站功能開發(fā)�，F(xiàn)場(chǎng)站功能開發(fā)有現(xiàn)場(chǎng)站圖形顯示系統(tǒng)，包括總貌圖、流程畫面和現(xiàn)場(chǎng)站閥，上泵，開關(guān)，攪拌器等可操作設(shè)備功能的開發(fā)。3)模型開發(fā)。模型開發(fā)采用GPRES軟件平臺(tái)，其建模過程是模塊化的，具體來說就是：模型由參數(shù)固定的模塊搭接而成。每一個(gè)模塊都包含輸入、輸出和系數(shù)三種參數(shù)，都實(shí)現(xiàn)一種算法功能。算法是特定的數(shù)學(xué)模型，用來模擬相應(yīng)的化工設(shè)備或單元操作。
2、模擬范圍及條件。1)資料準(zhǔn)備。開發(fā)中涉及的資料包括：工藝原則流程圖(PFD圖)、工藝自控儀表流程圖(P&ID圖)、物料/熱量平衡數(shù)據(jù)表、工藝原理說明、操作規(guī)程、事故仿真技術(shù)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備資料、儀表資料等。2)初始條件。仿真模擬的初始條件為：每個(gè)模型將提供兩個(gè)初始條件：穩(wěn)態(tài)和冷態(tài)。穩(wěn)態(tài)條件是用來培訓(xùn)學(xué)員的正常操作或用來進(jìn)行故障處理和停車訓(xùn)練，它代表裝置平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，以PFD圖和物料平衡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行開發(fā)模擬。冷態(tài)條件也稱作開車態(tài)，用來培訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行裝置開車，代表裝置停車時(shí)的狀態(tài)，某些基礎(chǔ)開車步驟如管線吹掃，儀表閥調(diào)準(zhǔn)等假設(shè)已經(jīng)完成，裝置已具備投料條件。3)裝置故障模擬。仿真平臺(tái)可以提供的故障類型：影響范圍廣的全裝置故障、局部關(guān)鍵設(shè)備故障、局部轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障、變送器漂移、靜止設(shè)備故障、裝置特有故障。
三、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)架構(gòu)
1、系統(tǒng)功能。把VR技術(shù)與仿真技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，就構(gòu)成了加氫裂化裝置虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。它應(yīng)具備以下功能：1)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠模擬裝置現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的建模和虛擬場(chǎng)景的三維建模，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)、提示信息等。2)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。3)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)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、曲線面版，可以快捷簡(jiǎn)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。4)通用性、擴(kuò)展性和維護(hù)性的功能強(qiáng)大，可以對(duì)多種編譯平臺(tái)、硬件的加入提供支持，可以滿足不同裝置的差異性需求。
2、效果評(píng)價(jià)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)界面友好，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、有效、界面清晰、易懂，只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能很快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。培訓(xùn)系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)。
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