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虛擬現實(shí)仿真培訓系統的開(kāi)發(fā)與應用
摘要：近些年仿真技術(shù)開(kāi)始結合虛擬現實(shí)技術(shù)向三維可視化方向發(fā)展。虛擬現實(shí)仿真系統既提供了逼真的現場(chǎng)感，又使系統更接近于實(shí)際，還可以實(shí)現外操巡檢、故障查找等培訓以及模擬現場(chǎng)各種事故現象。本文以某化工廠(chǎng)加氫裂化裝置為研究對象，將虛擬現實(shí)技術(shù)和過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)相結合，構建成一體化且逼真度高的虛擬現實(shí)仿真系統，對培養符合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要的操作技能人才尤其重要。
關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí) 培訓系統 仿真
一、虛擬現實(shí)仿真平臺概述
虛擬現實(shí)仿真系統最為重要的是保證各子系統之間能夠自由地進(jìn)行數據交換以實(shí)現平臺協(xié)作。系統的組成包括數據庫平臺、仿真平臺、虛擬現實(shí)平臺以及虛擬現實(shí)場(chǎng)景維護平臺。仿真平臺以實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的工藝機理為原型，可以完成化工生產(chǎn)過(guò)程的仿真任務(wù)。仿真過(guò)程中從數據庫平臺獲取基礎數據并將仿真產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數據寫(xiě)入數據庫。虛擬現實(shí)平臺需要從數據庫平臺獲取生產(chǎn)數據以實(shí)現對生產(chǎn)仿真過(guò)程的呈現，同時(shí)也可以在該平臺中對數據庫的基礎數據進(jìn)行維護。場(chǎng)景維護平臺則負責虛擬現實(shí)場(chǎng)景的維護工作。虛擬現實(shí)平臺可以通過(guò)數據庫向仿真平臺發(fā)布生產(chǎn)控制指令，仿真平臺則通過(guò)數據庫將生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)信息反饋虛擬現實(shí)平臺。
1、虛擬現實(shí)仿真技術(shù)特點(diǎn)。虛擬現實(shí)仿真系統是能在虛擬場(chǎng)景中漫游，并能對場(chǎng)景中對象做交互操作。該仿真系統的構成有：1)場(chǎng)景的三維模擬。對實(shí)際場(chǎng)景和環(huán)境采用虛擬現實(shí)仿真技術(shù)。用軟件繪制圖形模塊，再轉換成編程語(yǔ)言支持的形式。三維圖形的好處在于視覺(jué)上能帶給人身臨其境的感覺(jué)，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)相結合，不僅可以對現場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行再現，還可以通過(guò)搭建數學(xué)模型，通過(guò)連接仿真平臺和虛擬現實(shí)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(guò)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)，調度各種資源，指揮職能部門(mén)。二是現場(chǎng)指揮：根據現場(chǎng)狀態(tài)，調度本部門(mén)人員和資源。例如，車(chē)間、消防隊、環(huán)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(jìn)行具體操作，如現場(chǎng)巡視、堵漏、關(guān)閥、消防隊員澆水降溫、滅火等。3)內容仿真。對場(chǎng)景內可支配物體、活動(dòng)規律等的仿真。一是工藝模型：描述工藝過(guò)程變化，參數調節對過(guò)程的影響，控制系統動(dòng)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(dòng)模型：儀器、儀表、閥門(mén)、開(kāi)關(guān)等。
2、虛擬現實(shí)平臺。虛擬現實(shí)平臺由主體程序和三維場(chǎng)景兩部分組成。首先三維軟件對裝置主體及周邊環(huán)境進(jìn)行模擬，然后將其裝換成編程語(yǔ)言后導入到仿真主體程序中去，和主體程序實(shí)現交互。同時(shí)利用VB的圖形化界面設計功能和數據庫讀寫(xiě)控制功能，對數據進(jìn)行編輯和訪(fǎng)問(wèn)，這樣，用戶(hù)在使用系統時(shí)，既可以瀏覽裝置場(chǎng)景又可以修改各類(lèi)裝置的屬性并讀取生產(chǎn)數據，也可以發(fā)布命令實(shí)現與仿真模型的交互。
二、仿真培訓系統開(kāi)發(fā)總體設計
1、動(dòng)態(tài)仿真培訓系統開(kāi)發(fā)綜述。仿真平臺開(kāi)發(fā)化生產(chǎn)過(guò)程仿真系統重點(diǎn)工作包括三個(gè)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(xiàn)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(tài)工作以及模型與操作界面(包括仿真DCS/現場(chǎng)畫(huà)面)的變量通訊(數據交換)組態(tài)。最后是系統調試，目的是使系統運行穩定且協(xié)調�；ぱb置仿真培訓系統的開(kāi)發(fā)包括DCS功能開(kāi)發(fā)、模型開(kāi)發(fā)和現場(chǎng)站功能開(kāi)發(fā)等。1)DCS功能開(kāi)發(fā)。DCS功能開(kāi)發(fā)包括以下幾個(gè)方面：第一是圖形顯示系統，包括總貌圖、流程畫(huà)面、組顯示圖、歷史趨勢圖、報警畫(huà)面、軟開(kāi)關(guān)圖、狀態(tài)顯示等開(kāi)發(fā)。第二是DCS功能開(kāi)發(fā)，包括DCS鍵盤(pán)功能、DCS使用功能等。第三是報警和連鎖系統開(kāi)發(fā)。2)現場(chǎng)站功能開(kāi)發(fā)�，F場(chǎng)站功能開(kāi)發(fā)有現場(chǎng)站圖形顯示系統，包括總貌圖、流程畫(huà)面和現場(chǎng)站閥，上泵，開(kāi)關(guān)，攪拌器等可操作設備功能的開(kāi)發(fā)。3)模型開(kāi)發(fā)。模型開(kāi)發(fā)采用GPRES軟件平臺，其建模過(guò)程是模塊化的，具體來(lái)說(shuō)就是：模型由參數固定的模塊搭接而成。每一個(gè)模塊都包含輸入、輸出和系數三種參數，都實(shí)現一種算法功能。算法是特定的數學(xué)模型，用來(lái)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(kāi)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/熱量平衡數據表、工藝原理說(shuō)明、操作規程、事故仿真技術(shù)、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(gè)模型將提供兩個(gè)初始條件：穩態(tài)和冷態(tài)。穩態(tài)條件是用來(lái)培訓學(xué)員的正常操作或用來(lái)進(jìn)行故障處理和停車(chē)訓練，它代表裝置平穩運行時(shí)的狀態(tài)，以PFD圖和物料平衡數據為基礎，進(jìn)行開(kāi)發(fā)模擬。冷態(tài)條件也稱(chēng)作開(kāi)車(chē)態(tài)，用來(lái)培訓學(xué)員進(jìn)行裝置開(kāi)車(chē)，代表裝置停車(chē)時(shí)的狀態(tài)，某些基礎開(kāi)車(chē)步驟如管線(xiàn)吹掃，儀表閥調準等假設已經(jīng)完成，裝置已具備投料條件。3)裝置故障模擬。仿真平臺可以提供的故障類(lèi)型：影響范圍廣的全裝置故障、局部關(guān)鍵設備故障、局部轉動(dòng)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(shí)仿真系統架構
1、系統功能。把VR技術(shù)與仿真技術(shù)有機地結合起來(lái)，就構成了加氫裂化裝置虛擬現實(shí)仿真系統。它應具備以下功能：1)虛擬現實(shí)仿真培訓系統能夠模擬裝置現場(chǎng)的場(chǎng)景，實(shí)現各個(gè)設備的建模和虛擬場(chǎng)景的三維建模，并且體現出材質(zhì)和變化，附加貼圖，使用戶(hù)能夠在與現實(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(lái)的信息，信息內容包括使用者在當前所處的場(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(guò)程中的注意事項、提示信息等。2)根據用戶(hù)的需求，系統可以暫�；蚧謴驼谶\行的仿真過(guò)程，能根據不同用戶(hù)有差異的操作秩序和參與程度給出智能評價(jià)，同時(shí)能夠記錄使用者的操作步驟信息和保存相關(guān)的系統數據、資料結果等。3)虛擬現實(shí)仿真培訓系統會(huì )提供良好的人機互動(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(xiàn)面版，可以快捷簡(jiǎn)易地創(chuàng )建和修改虛擬環(huán)境，數據輸入手段非常友好，可以進(jìn)行優(yōu)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(mǎn)足不同裝置的差異性需求。
2、效果評價(jià)。虛擬現實(shí)仿真培訓系統界面友好，設計簡(jiǎn)潔、有效、界面清晰、易懂，只需簡(jiǎn)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(tài)開(kāi)停車(chē)、單項操作、事故狀態(tài)、評分，實(shí)現了DCS控制系統的高級控制、連鎖控制、緊急停車(chē)等功能，同時(shí)開(kāi)發(fā)了具有三維真實(shí)感的現場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現了3D巡檢培訓功能，提高了仿真培訓系統的真實(shí)感。培訓系統逼真度高，仿真效果與實(shí)際裝置運行的現象基本吻合。動(dòng)態(tài)變化趨勢與實(shí)際裝置運行的現象吻合，現場(chǎng)三維環(huán)境與生產(chǎn)現場(chǎng)幾乎一致。培訓系統硬件和網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單，易于維護和擴充，能夠擴大同時(shí)參加培訓的員工人數。
參考文獻：
[1] 郭艷軍.化工仿真系統的研究與開(kāi)發(fā)[J].計算機應用技術(shù)，2007(5).
[2] 易濤，楊義.化工安全虛擬現實(shí)仿真系統的設計與實(shí)現[J].計算機與應用化學(xué)，2006，23(1).
[3] 朱玉韜，金星，榮岡.一種石化企業(yè)虛擬現實(shí)仿真系統的設計與實(shí)現[J].化工自動(dòng)化及儀表，2007，34(5).
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