虛擬現實仿真培訓系統的開發與應用
摘要：近些年仿真技術開始結合虛擬現實技術向三維可視化方向發展。虛擬現實仿真系統既提供了逼真的現場感，又使系統更接近于實際，還可以實現外操巡檢、故障查找等培訓以及模擬現場各種事故現象。本文以某化工廠加氫裂化裝置為研究對象，將虛擬現實技術和過程動態仿真技術相結合，構建成一體化且逼真度高的虛擬現實仿真系統，對培養符合企業實際生產需要的操作技能人才尤其重要。
關鍵詞：虛擬現實 培訓系統 仿真
一、虛擬現實仿真平臺概述
虛擬現實仿真系統最為重要的是保證各子系統之間能夠自由地進行數據交換以實現平臺協作。系統的組成包括數據庫平臺、仿真平臺、虛擬現實平臺以及虛擬現實場景維護平臺。仿真平臺以實際工業生產過程的工藝機理為原型，可以完成化工生產過程的仿真任務。仿真過程中從數據庫平臺獲取基礎數據并將仿真產生的動態數據寫入數據庫。虛擬現實平臺需要從數據庫平臺獲取生產數據以實現對生產仿真過程的呈現，同時也可以在該平臺中對數據庫的基礎數據進行維護。場景維護平臺則負責虛擬現實場景的維護工作。虛擬現實平臺可以通過數據庫向仿真平臺發布生產控制指令，仿真平臺則通過數據庫將生產過程的狀態信息反饋虛擬現實平臺。
1、虛擬現實仿真技術特點。虛擬現實仿真系統是能在虛擬場景中漫游，并能對場景中對象做交互操作。該仿真系統的構成有：1)場景的三維模擬。對實際場景和環境采用虛擬現實仿真技術。用軟件繪制圖形模塊，再轉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，利用三維虛擬和仿真技術相結合，不僅可以對現場環境進行再現，還可以通過搭建數學模型，通過連接仿真平臺和虛擬現實平臺，形成一套交互式的仿真系統。2)成員仿真。應急預案演練過程中，有各種職能的“角色”參與其中。一是總指揮：判斷事故狀態，調度各種資源，指揮職能部門。二是現場指揮：根據現場狀態，調度本部門人員和資源。例如，車間、消防隊、環保監測等，指揮操作人員。三是操作員：按照職能要求和指令，進行具體操作，如現場巡視、堵漏、關閥、消防隊員澆水降溫、滅火等。3)內容仿真。對場景內可支配物體、活動規律等的仿真。一是工藝模型：描述工藝過程變化，參數調節對過程的影響，控制系統動作等。二是工具和資源的模型：如水槍、消防炮、設備等。三是三維互動模型：儀器、儀表、閥門、開關等。
2、虛擬現實平臺。虛擬現實平臺由主體程序和三維場景兩部分組成。首先三維軟件對裝置主體及周邊環境進行模擬，然后將其裝換成編程語言后導入到仿真主體程序中去，和主體程序實現交互。同時利用VB的圖形化界面設計功能和數據庫讀寫控制功能，對數據進行編輯和訪問，這樣，用戶在使用系統時，既可以瀏覽裝置場景又可以修改各類裝置的屬性并讀取生產數據，也可以發布命令實現與仿真模型的交互。
二、仿真培訓系統開發總體設計
1、動態仿真培訓系統開發綜述。仿真平臺開發化生產過程仿真系統重點工作包括三個部分：第一要建立系統模型，首先確定仿真范圍，然后根據工藝設計數據計算各管線和設備物流數據。例如，流量、溫度、壓力等。然后再用這些數據辨識具體設備模型。最后搭接設備模型，即系統建模。第二要建立仿DCS系統，即完成各種組態工作以及模型與操作界面(包括仿真DCS/現場畫面)的變量通訊(數據交換)組態。最后是系統調試，目的是使系統運行穩定且協調�；ぱb置仿真培訓系統的開發包括DCS功能開發、模型開發和現場站功能開發等。1)DCS功能開發。DCS功能開發包括以下幾個方面：第一是圖形顯示系統，包括總貌圖、流程畫面、組顯示圖、歷史趨勢圖、報警畫面、軟開關圖、狀態顯示等開發。第二是DCS功能開發，包括DCS鍵盤功能、DCS使用功能等。第三是報警和連鎖系統開發。2)現場站功能開發�，F場站功能開發有現場站圖形顯示系統，包括總貌圖、流程畫面和現場站閥，上泵，開關，攪拌器等可操作設備功能的開發。3)模型開發。模型開發采用GPRES軟件平臺，其建模過程是模塊化的，具體來說就是：模型由參數固定的模塊搭接而成。每一個模塊都包含輸入、輸出和系數三種參數，都實現一種算法功能。算法是特定的數學模型，用來模擬相應的化工設備或單元操作。
2、模擬范圍及條件。1)資料準備。開發中涉及的資料包括：工藝原則流程圖(PFD圖)、工藝自控儀表流程圖(P&ID圖)、物料/熱量平衡數據表、工藝原理說明、操作規程、事故仿真技術、評分標準、設備資料、儀表資料等。2)初始條件。仿真模擬的初始條件為：每個模型將提供兩個初始條件：穩態和冷態。穩態條件是用來培訓學員的正常操作或用來進行故障處理和停車訓練，它代表裝置平穩運行時的狀態，以PFD圖和物料平衡數據為基礎，進行開發模擬。冷態條件也稱作開車態，用來培訓學員進行裝置開車，代表裝置停車時的狀態，某些基礎開車步驟如管線吹掃，儀表閥調準等假設已經完成，裝置已具備投料條件。3)裝置故障模擬。仿真平臺可以提供的故障類型：影響范圍廣的全裝置故障、局部關鍵設備故障、局部轉動設備故障、變送器漂移、靜止設備故障、裝置特有故障。
三、虛擬現實仿真系統架構
1、系統功能。把VR技術與仿真技術有機地結合起來，就構成了加氫裂化裝置虛擬現實仿真系統。它應具備以下功能：1)虛擬現實仿真培訓系統能夠模擬裝置現場的場景，實現各個設備的建模和虛擬場景的三維建模，并且體現出材質和變化，附加貼圖，使用戶能夠在與現實非常相似的三維虛擬環境中自由交互、隨意漫游，并且隨時接收到場景反饋回來的信息，信息內容包括使用者在當前所處的場景位置和視野方向，裝置的場景中實物的概況和使用者在操作過程中的注意事項、提示信息等。2)根據用戶的需求，系統可以暫�；蚧謴驼谶\行的仿真過程，能根據不同用戶有差異的操作秩序和參與程度給出智能評價，同時能夠記錄使用者的操作步驟信息和保存相關的系統數據、資料結果等。3)虛擬現實仿真培訓系統會提供良好的人機互動界面，包括場景瀏覽模式的選擇、相關瀏覽器信息、虛擬場景的描述及反饋信息、曲線面版，可以快捷簡易地創建和修改虛擬環境，數據輸入手段非常友好，可以進行優化控制參數的操作，亦可存儲和公布數據結果。4)通用性、擴展性和維護性的功能強大，可以對多種編譯平臺、硬件的加入提供支持，可以滿足不同裝置的差異性需求。
2、效果評價。虛擬現實仿真培訓系統界面友好，設計簡潔、有效、界面清晰、易懂，只需簡單培訓就能很快掌握其操作步驟和方法。培訓系統功能齊全，包括冷態開停車、單項操作、事故狀態、評分，實現了DCS控制系統的高級控制、連鎖控制、緊急停車等功能，同時開發了具有三維真實感的現場環境，實現了3D巡檢培訓功能，提高了仿真培訓系統的真實感。培訓系統逼真度高，仿真效果與實際裝置運行的現象基本吻合。動態變化趨勢與實際裝置運行的現象吻合，現場三維環境與生產現場幾乎一致。培訓系統硬件和網絡結構簡單，易于維護和擴充，能夠擴大同時參加培訓的員工人數。
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