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★董秀娟（國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司，北京110101）

★曹海軍（昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京102206）

★徐寶昌（中國石油大學(xué)，北京102249）

★程楠，辛若家，朱明皞，鄭新宇（昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京102206）

摘要：針對油氣管道運(yùn)維中心工控系統(tǒng)的信息化和智能化程度不斷提高、對運(yùn)維中心操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求也日益提高的現(xiàn)狀，提出了一種運(yùn)維中心智能仿真平臺設(shè)計(jì)方案，通過對運(yùn)維中心人員進(jìn)行培訓(xùn)以提高運(yùn)維人員的專業(yè)技術(shù)水平，確保管道網(wǎng)絡(luò)工控系統(tǒng)安全有序運(yùn)行。首先進(jìn)行了仿真平臺的總體需求分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了仿真平臺總體框架、功能結(jié)構(gòu)以及物理結(jié)構(gòu)；然后研究了搭建仿真平臺所需的硬件部署；最后，通過仿真平臺應(yīng)用實(shí)例分析，驗(yàn)證了該平臺設(shè)計(jì)方案的可行性，為提升運(yùn)維人員專業(yè)技術(shù)能力、保障管道網(wǎng)絡(luò)工控系統(tǒng)的安全性提供了一種新的方法。

關(guān)鍵詞：運(yùn)維中心；管道網(wǎng)絡(luò)；工控系統(tǒng)安全；仿真培訓(xùn)平臺

1 引言

油氣管道網(wǎng)絡(luò)是國家能源傳輸?shù)拿}，其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。隨著油氣管道運(yùn)維中心的工控系統(tǒng)信息化、智能化水平越來越高，對運(yùn)行和檢修操作人員的專業(yè)技術(shù)水平也提出了更高的要求，因此亟需通過管道仿真軟硬件搭建仿真模型，并進(jìn)一步建立一個油氣管道工控系統(tǒng)智能仿真平臺來實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的虛擬仿真，以此對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高操作人員的技術(shù)水平，確保油氣管道運(yùn)維中心工控網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)前國內(nèi)外針對運(yùn)維中心仿真平臺的研究層出不窮，紀(jì)陵等^[1]針對變電站培訓(xùn)需求設(shè)計(jì)了仿真培訓(xùn)平臺，實(shí)現(xiàn)了不同培訓(xùn)模式的有效結(jié)合。方偉等^[2]系統(tǒng)性分析了運(yùn)維管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對各組件的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。Zhiyuan等^[3]設(shè)計(jì)了配電終端機(jī)組操作維護(hù)培訓(xùn)平臺，根據(jù)配電網(wǎng)自動化過程中的實(shí)際故障情況，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)一次故障模擬和配電網(wǎng)終端二次故障模擬，該平臺的仿真應(yīng)用提高了運(yùn)維人員的水平。Yucheng等^[4]構(gòu)建了一個基于角色和多智能體的混合協(xié)作模型，并構(gòu)建了機(jī)械裝備虛擬訓(xùn)練與評估平臺，實(shí)現(xiàn)了拆卸過程訓(xùn)練、操作學(xué)習(xí)和過程討論的功能。Yichun等^[5]根據(jù)混合仿真技能訓(xùn)練平臺的性能要求，構(gòu)建了混合仿真技能培訓(xùn)平臺，為變電站操作人員提供高浸入式培訓(xùn)條件，在培訓(xùn)過程中取得了滿意的效果。Sébastien等^[6]設(shè)計(jì)了用于實(shí)時仿真的變換器和電纜模型，并利用INELFE控制系統(tǒng)副本執(zhí)行硬件在環(huán)仿真，現(xiàn)場測試證明，該解決方案實(shí)現(xiàn)了將實(shí)時模擬器與實(shí)際控制柜連接起來，且保證了系統(tǒng)的實(shí)時性和仿真精度。

基于上述研究，利用工業(yè)現(xiàn)場軟硬件設(shè)備建立仿真模型，并搭建智能仿真平臺的研究工作已有頗多進(jìn)展，而其中鮮有針對油氣管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真培訓(xùn)平臺的研究。本文將立足于油氣管道運(yùn)維中心工控網(wǎng)絡(luò)，利用實(shí)驗(yàn)室配置的管道仿真軟硬件，根據(jù)工藝流程結(jié)構(gòu)搭建仿真模型，并建立智能仿真平臺以實(shí)現(xiàn)整個工業(yè)流程及控制的仿真。利用該仿真平臺實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維中心操作人員的專業(yè)技能培訓(xùn)，提高運(yùn)維人員的技能水平，為管道系統(tǒng)運(yùn)維中心工控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定有序運(yùn)行提供可靠的保障。

2 智能仿真平臺方案設(shè)計(jì)

智能仿真平臺依托于實(shí)驗(yàn)室管道軟硬件實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的虛擬仿真，以此進(jìn)行運(yùn)維人員的操作培訓(xùn)，智能仿真平臺建設(shè)需要滿足如下需求^[7]。

（1）整體性。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)能有效地實(shí)現(xiàn)后臺一體化管理，前端多終端應(yīng)用滿足用戶個性化需求，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度高。

（2）先進(jìn)性。采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)以確保系統(tǒng)的長期應(yīng)用性，且是應(yīng)用成熟的系統(tǒng)。

（3）安全可靠性。充分考慮安全可靠的技術(shù)和管理方式，保證系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行；保證系統(tǒng)在長時間大容量高壓力的情況下能穩(wěn)定運(yùn)行，某一局部性的錯誤不影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（4）易用易維護(hù)性。系統(tǒng)維護(hù)和管理的設(shè)計(jì)遵循高效、安全、簡單、便捷的原則：系統(tǒng)組織簡單易懂，方便用戶的使用；模塊間獨(dú)立運(yùn)行，互不影響；系統(tǒng)日常運(yùn)行操作盡可能簡便；系統(tǒng)維護(hù)充分考慮到安全性和穩(wěn)定性；能夠通過參數(shù)化方式對崗位角色、用戶權(quán)限進(jìn)行配置，并提供日常運(yùn)行監(jiān)控和完整的系統(tǒng)維護(hù)管理的方案。

（5）數(shù)據(jù)完整性。采用可操作性容災(zāi)備份策略，確保數(shù)據(jù)傳輸和備份的完整性。

（6）可擴(kuò)展性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是開放的、標(biāo)準(zhǔn)的、適應(yīng)性強(qiáng)的，系統(tǒng)應(yīng)具備很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。在硬件上需要支持硬件性能升級與數(shù)量擴(kuò)充；軟件上需要在應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)和軟件模塊劃分方面具備良好的擴(kuò)展性。

（7）可兼容性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需考慮多平臺應(yīng)用的復(fù)雜性，能夠支持主流操作系統(tǒng)、主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品以及中間件產(chǎn)品，并確保產(chǎn)品間的獨(dú)立性、可移植性。

（8）全面集成性。系統(tǒng)采用模塊化集成，可增刪模塊以滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要；實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無縫集成，構(gòu)建前、中、后一體化的系統(tǒng)架構(gòu)。

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在滿足上述建設(shè)原則的基礎(chǔ)上，對智能仿真平臺總體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮系統(tǒng)的分布式特點(diǎn)和模塊化設(shè)計(jì)需求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表示層三層體系架構(gòu)，總體架構(gòu)如圖1所示^[8]。

圖1 智能仿真平臺總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)層用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和檢索；業(yè)務(wù)層用于對用戶提交的數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)層要求的接口封裝規(guī)則來封裝用戶數(shù)據(jù)，并調(diào)用業(yè)務(wù)接口層對外提供的相應(yīng)命令接口，業(yè)務(wù)接口層對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分別送入不同的邏輯處理并向用戶返回處理結(jié)果。業(yè)務(wù)層是上下兩層的紐帶，它建立實(shí)際的數(shù)據(jù)庫連接，根據(jù)用戶的請求生成檢索語句或更新數(shù)據(jù)庫，并把結(jié)果返回給前端界面顯示。表示層負(fù)責(zé)處理用戶的輸入并向用戶輸出，通過瀏覽器或提供給用戶的交互平臺，向服務(wù)器提交請求。

采用三層設(shè)計(jì)，清晰地將表示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層進(jìn)行分離，避免了因業(yè)務(wù)邏輯上的微小變化而導(dǎo)致對整個平臺的修改，增強(qiáng)了代碼的可重用性。

2.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能邏輯在實(shí)現(xiàn)上采用MVC模式。從邏輯上可劃分為三大部分：前端的客戶端軟件、中間層的應(yīng)用服務(wù)和后端的數(shù)據(jù)存儲。所有分析數(shù)據(jù)都存儲在后端的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，計(jì)算密集型的任務(wù)集中在中間的業(yè)務(wù)邏輯層完成，客戶端展現(xiàn)數(shù)據(jù)及分析后結(jié)果。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，各用戶可以通過瀏覽器訪問后臺數(shù)據(jù)^[9]。

圖2 智能仿真平臺邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)上采用主流的Java開發(fā)框架Springboot、Mybatis以及成熟的布局框架Sitemesh2、JQuery；緩存使用Redis；可擴(kuò)展集群，隊(duì)列使用ActiveMQ，大幅度降低開發(fā)和維護(hù)時間，降低開發(fā)和維護(hù)成本。

由于采用成熟的跨平臺技術(shù)Java，使得服務(wù)器可以很方便地部署在主流操作系統(tǒng)上，無論Windows平臺還是Linux平臺，在不改變程序的情況下，都能輕松支持，大幅降低運(yùn)行期間的維護(hù)成本。系統(tǒng)采用了多終端多形式展現(xiàn)，系統(tǒng)訪問既可采用Web訪問，也可利用移動終端進(jìn)行訪問，為用戶操作便利性提供最大的支持。

2.3 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿真平臺物理結(jié)構(gòu)采用靜態(tài)、動態(tài)分離的方式，以此加快服務(wù)器訪問的速度，同時保證數(shù)據(jù)同步過程中數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)庫采用主從分離的形式，可以更好地處理大規(guī)模數(shù)據(jù)。物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 智能仿真平臺物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 仿真系統(tǒng)硬件部署

仿真系統(tǒng)硬件主要由交換機(jī)、工業(yè)服務(wù)器、配套鍵鼠顯示器組成，如圖4所示^[10]。

圖4 仿真平臺硬件組網(wǎng)部署

硬件組網(wǎng)采用星型連接方式，其中各部分硬件及配套軟件部署如下：

（1）工業(yè)服務(wù)器之上虛擬Windows系統(tǒng)、Fedora系統(tǒng)和1個RTOS，其架構(gòu)如圖5所示。Windows系統(tǒng)中部署有PLC編程軟件，用于PLC的學(xué)習(xí)和考試程序編寫；東土MaVIEW編程軟件，用于驗(yàn)題程序的編寫；Fedora系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時庫用于培訓(xùn)教學(xué)軟件數(shù)據(jù)采集，并利用KyGate協(xié)議網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換；RTOS運(yùn)行東土科技的MaVIEW軟PLC，利用東土軟PLC驗(yàn)證模擬仿真結(jié)果。

圖5 工業(yè)服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)

各桌面系統(tǒng)（Win10、Fedora系統(tǒng)）以虛擬機(jī)鏡像的形式存在于Intewell系統(tǒng)中，系統(tǒng)支持對虛擬機(jī)鏡

像做備份，將各個桌面系統(tǒng)的環(huán)境配置好后關(guān)閉各桌面系統(tǒng)，對各個桌面系統(tǒng)進(jìn)行快照備份操作，供容災(zāi)恢復(fù)時使用。

（2）教官臺配置一套顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)連接至工業(yè)無服務(wù)器，用于顯示、操控工業(yè)服務(wù)器非實(shí)時系統(tǒng)桌面以及教官培訓(xùn)教學(xué)；另單獨(dú)配置一套服務(wù)器用于安裝教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫等；配置一套觸摸屏，用于教官分發(fā)題庫及檢查學(xué)員所提交答案正確率。

（3）學(xué)員培訓(xùn)臺配置一臺工業(yè)服務(wù)器，用于安裝實(shí)時和非實(shí)時系統(tǒng)，并在實(shí)時、非實(shí)時系統(tǒng)上安裝對應(yīng)軟件；配置一套顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)連接至工業(yè)服務(wù)器，用于顯示、操控工業(yè)服務(wù)器非實(shí)時系統(tǒng)桌面；配置一套觸摸屏，用于教官分發(fā)題庫及檢查學(xué)員所提交答案正確率。

4 智能仿真平臺應(yīng)用分析

智能仿真平臺基于用戶身份進(jìn)行權(quán)限管理，為管理員賬戶開辟系統(tǒng)管理工作臺，用于顯示系統(tǒng)后臺基本信息、進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及用戶數(shù)據(jù)的增刪改查等快捷操作；運(yùn)維中心員工則通過用戶賬戶進(jìn)行操作課程學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)資料下載、考試以及消息接收發(fā)送等任務(wù)。

以模擬考試為例分析智能仿真平臺的應(yīng)用，本案例采用東土遠(yuǎn)程服務(wù)器以及T-Box的PLC設(shè)備來實(shí)現(xiàn)仿真。T-Box的PLC編程軟件沒有仿真程序，因此需要配以真實(shí)硬件，通過硬件與東土PLC硬件進(jìn)行I/O點(diǎn)交互；施耐德PLC編程仿真軟件采用Modbus/TCP通信協(xié)議與東土PLC進(jìn)行信息交互。仿真系統(tǒng)通過考試系統(tǒng)下發(fā)的題號以及檢驗(yàn)信息，對學(xué)員試題的輸入量進(jìn)行賦值，并利用PLC設(shè)備或編程軟件對返回的輸出量進(jìn)行驗(yàn)證，如此反復(fù)執(zhí)行多步，直至完成預(yù)定的驗(yàn)題程序，實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)仿真。其應(yīng)用框圖如圖6所示。

圖6 模擬考試應(yīng)用框圖

PLC與東土實(shí)時系統(tǒng)間固定一定的I/O映射區(qū)，考題中涉及的交互的I/O點(diǎn)不應(yīng)超出此范圍。系統(tǒng)提供上機(jī)樣例試題，供系統(tǒng)管理員參照出題，并將題目發(fā)送至學(xué)員賬戶所在平臺。

當(dāng)試題提交后觸發(fā)判卷系統(tǒng)，判卷系統(tǒng)根據(jù)題號選擇對應(yīng)的模擬程序，通過模擬給定輸入并延時對比模擬程序的返回值的方式，來判定題目是否正確，經(jīng)過多次循環(huán)對比后，最終給出考試成績，以此實(shí)現(xiàn)對仿真教學(xué)效果進(jìn)行評估的目標(biāo)。仿真平臺軟件設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 仿真平臺軟件設(shè)計(jì)

5 結(jié)語

油氣管道是石油天然氣等資源傳輸?shù)耐ǖ溃菄夷茉疵}，因此油氣管道工控系統(tǒng)的安全運(yùn)行極為重要。本文針對管道網(wǎng)絡(luò)信息化和智能化程度不斷提高，對運(yùn)維中心操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求也日益提高的現(xiàn)狀，提出了一種智能仿真平臺建設(shè)方案。

仿真平臺依托于實(shí)驗(yàn)室的管道網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)器、交換機(jī)、PLC和編程軟件等軟硬件進(jìn)行搭建，集成課程學(xué)習(xí)以及考試評估等功能，通過應(yīng)用案例分析驗(yàn)證了該智能仿真平臺方案的可行性，為運(yùn)維中心人員的操作培訓(xùn)提供了一種新的方法，在提高員工專業(yè)技術(shù)水平、保障運(yùn)維中心工控網(wǎng)絡(luò)的安全有序運(yùn)行方面發(fā)揮著重大作用。

作者簡介:

董秀娟（1980-），女，遼寧昌圖人，高級工程師，現(xiàn)就職于國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司，從事天然氣管道自動化控制技術(shù)研究與應(yīng)用。

曹海軍（1981-），男，內(nèi)蒙古烏海人，工程師，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，從事油氣管道智能控制研究與應(yīng)用。

徐寶昌（1974-），男，黑龍江人，副教授，博士，現(xiàn)任教于中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院，從事基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜系統(tǒng)建模、油氣集輸過程的智能控制與優(yōu)化、控壓鉆井技術(shù)、鉆井過程的智能控制與協(xié)同優(yōu)化研究。

程楠（1987-），女，山西運(yùn)城人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，研究方向是自動化及智能應(yīng)用。

辛若家（1979-），男，山東青島人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，研究方向是機(jī)械電子工程。

朱明皞（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，研究方向是自動化及智能應(yīng)用。

鄭新宇（1993-），男，北京人，學(xué)士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，研究方向是視覺傳達(dá)與用戶體驗(yàn)。

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摘自《自動化博覽》2022年9月刊