虚拟现实仿真培训系统的开发与应用
摘要：近些年仿真技术开始结合虚拟现实技术向三维可视化方向发展。虚拟现实仿真系统既提供了逼真的现场感，又使系统更接近于实际，还可以实现外操巡检、故障查找等培训以及模拟现场各种事故现象。本文以某化工厂加氢裂化装置为研究对象，将虚拟现实技术和过程动态仿真技术相结合，构建成一体化且逼真度高的虚拟现实仿真系统，对培养符合企业实际生产需要的操作技能人才尤其重要。
关键词：虚拟现实 培训系统 仿真
一、虚拟现实仿真平台概述
虚拟现实仿真系统最为重要的是保证各子系统之间能够自由地进行数据交换以实现平台协作。系统的组成包括数据库平台、仿真平台、虚拟现实平台以及虚拟现实场景维护平台。仿真平台以实际工业生产过程的工艺机理为原型，可以完成化工生产过程的仿真任务。仿真过程中从数据库平台获取基础数据并将仿真产生的动态数据写入数据库。虚拟现实平台需要从数据库平台获取生产数据以实现对生产仿真过程的呈现，同时也可以在该平台中对数据库的基础数据进行维护。场景维护平台则负责虚拟现实场景的维护工作。虚拟现实平台可以通过数据库向仿真平台发布生产控制指令，仿真平台则通过数据库将生产过程的状态信息反馈虚拟现实平台。
1、虚拟现实仿真技术特点。虚拟现实仿真系统是能在虚拟场景中漫游，并能对场景中对象做交互操作。该仿真系统的构成有：1)场景的三维模拟。对实际场景和环境采用虚拟现实仿真技术。用软件绘制图形模块，再转换成编程语言支持的形式。三维图形的.好处在于视觉上能带给人身临其境的感觉，不同于普通的平面图形呆板的特点，利用三维虚拟和仿真技术相结合，不仅可以对现场环境进行再现，还可以通过搭建数学模型，通过连接仿真平台和虚拟现实平台，形成一套交互式的仿真系统。2)成员仿真。应急预案演练过程中，有各种职能的“角色”参与其中。一是总指挥：判断事故状态，调度各种资源，指挥职能部门。二是现场指挥：根据现场状态，调度本部门人员和资源。例如，车间、消防队、环保监测等，指挥操作人员。三是操作员：按照职能要求和指令，进行具体操作，如现场巡视、堵漏、关阀、消防队员浇水降温、灭火等。3)内容仿真。对场景内可支配物体、活动规律等的仿真。一是工艺模型：描述工艺过程变化，参数调节对过程的影响，控制系统动作等。二是工具和资源的模型：如水枪、消防炮、设备等。三是三维互动模型：仪器、仪表、阀门、开关等。
2、虚拟现实平台。虚拟现实平台由主体程序和三维场景两部分组成。首先三维软件对装置主体及周边环境进行模拟，然后将其装换成编程语言后导入到仿真主体程序中去，和主体程序实现交互。同时利用VB的图形化界面设计功能和数据库读写控制功能，对数据进行编辑和访问，这样，用户在使用系统时，既可以浏览装置场景又可以修改各类装置的属性并读取生产数据，也可以发布命令实现与仿真模型的交互。
二、仿真培训系统开发总体设计
1、动态仿真培训系统开发综述。仿真平台开发化生产过程仿真系统重点工作包括三个部分：第一要建立系统模型，首先确定仿真范围，然后根据工艺设计数据计算各管线和设备物流数据。例如，流量、温度、压力等。然后再用这些数据辨识具体设备模型。最后搭接设备模型，即系统建模。第二要建立仿DCS系统，即完成各种组态工作以及模型与操作界面(包括仿真DCS/现场画面)的变量通讯(数据交换)组态。最后是系统调试，目的是使系统运行稳定且协调。化工装置仿真培训系统的开发包括DCS功能开发、模型开发和现场站功能开发等。1)DCS功能开发。DCS功能开发包括以下几个方面：第一是图形显示系统，包括总貌图、流程画面、组显示图、历史趋势图、报警画面、软开关图、状态显示等开发。第二是DCS功能开发，包括DCS键盘功能、DCS使用功能等。第三是报警和连锁系统开发。2)现场站功能开发。现场站功能开发有现场站图形显示系统，包括总貌图、流程画面和现场站阀，上泵，开关，搅拌器等可操作设备功能的开发。3)模型开发。模型开发采用GPRES软件平台，其建模过程是模块化的，具体来说就是：模型由参数固定的模块搭接而成。每一个模块都包含输入、输出和系数三种参数，都实现一种算法功能。算法是特定的数学模型，用来模拟相应的化工设备或单元操作。
2、模拟范围及条件。1)资料准备。开发中涉及的资料包括：工艺原则流程图(PFD图)、工艺自控仪表流程图(P&ID图)、物料/热量平衡数据表、工艺原理说明、操作规程、事故仿真技术、评分标准、设备资料、仪表资料等。2)初始条件。仿真模拟的初始条件为：每个模型将提供两个初始条件：稳态和冷态。稳态条件是用来培训学员的正常操作或用来进行故障处理和停车训练，它代表装置平稳运行时的状态，以PFD图和物料平衡数据为基础，进行开发模拟。冷态条件也称作开车态，用来培训学员进行装置开车，代表装置停车时的状态，某些基础开车步骤如管线吹扫，仪表阀调准等假设已经完成，装置已具备投料条件。3)装置故障模拟。仿真平台可以提供的故障类型：影响范围广的全装置故障、局部关键设备故障、局部转动设备故障、变送器漂移、静止设备故障、装置特有故障。
三、虚拟现实仿真系统架构
1、系统功能。把VR技术与仿真技术有机地结合起来，就构成了加氢裂化装置虚拟现实仿真系统。它应具备以下功能：1)虚拟现实仿真培训系统能够模拟装置现场的场景，实现各个设备的建模和虚拟场景的三维建模，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、提示信息等。2)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。3)虚拟现实仿真培训系统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、曲线面版，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。4)通用性、扩展性和维护性的功能强大，可以对多种编译平台、硬件的加入提供支持，可以满足不同装置的差异性需求。
2、效果评价。虚拟现实仿真培训系统界面友好，设计简洁、有效、界面清晰、易懂，只需简单培训就能很快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。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：
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