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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）10-084-04中圖分類號：TP391

★李鵬，李明黨（南京睿首智能技術研究院有限公司,江蘇南京210046）

關鍵詞：仿真；培訓系統(tǒng)；流程工業(yè)；WEB；三維

1　引言

化工、熱電和冶金等流程工業(yè)大多數(shù)具有高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、有腐蝕性等特點，是一個具有危險性的行業(yè)，其生產工藝復雜且差異性大，生產流程長且連續(xù)性強，產品種類繁多且質量要求高，這些特點對行業(yè)操作人員的知識和技能水平提出了非常高的要求^[1]。

流程行業(yè)傳統(tǒng)的培訓方式是學員到工廠進行學習，但是為了保障企業(yè)生產的平穩(wěn)安全運行，通常不會讓學員在實際生產裝置上進行全面操作訓練，造成理論與實踐脫節(jié)。因此，如何讓學員進行全面系統(tǒng)的實際操作訓練，掌握開停車過程以及正常運行操作方法，尤其是如何預防突發(fā)事件以及出現(xiàn)突發(fā)事件時如何處理，是企業(yè)培訓中亟待解決的問題。

仿真培訓系統(tǒng)作為一種先進的培訓工具，為解決企業(yè)“培訓難”問題提供了有效的方式。通過仿真培訓，可以幫助操作人員理解工藝流程和設備運行原理、掌握裝置操作技能和事故處理方法。目前，國內外在流程行業(yè)領域的仿真培訓系統(tǒng)建設應用已經非常普遍，但綜觀下來，仍然存在很多的不足，主要表現(xiàn)在以下幾方面^[2][3]：

（1）仿真畫面只有DCS仿真而沒有現(xiàn)場仿真，或者現(xiàn)場仿真以二維形式表現(xiàn)，不能直觀形象地體現(xiàn)實際生產場景中的設備、管道和儀表；

（2）操作模式簡單，通常只有單人操作模式，沒有協(xié)同操作模式，不能模擬實際生產中的班組分工與協(xié)作；

（3）單機或C/S類型的仿真軟件，對客戶端硬件要求較高，且客戶端的安裝和升級過程繁瑣費時；組織培訓受時間和地點的限制較大，影響了培訓效果；

（4）近些年發(fā)展起來的半實物仿真培訓系統(tǒng)，其前期的建設和后期的運營維護都需要投入較高的費用，并且對場地條件有一定的要求。

基于以上原因，本文通過研究基于Web的多模式流程工業(yè)仿真培訓系統(tǒng)，建立了一種可隨時隨地進行在線學習、結合二維DCS仿真和三維現(xiàn)場仿真、不同崗位人員可協(xié)同操作的仿真培訓方式，以克服傳統(tǒng)仿真培訓系統(tǒng)的不足之處。

2　仿真系統(tǒng)的架構和功能概述

基于Web的多模式流程工業(yè)仿真培訓系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務器）三層架構模式^[4]，其包括表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)層，如圖1、圖2所示。

圖1 仿真系統(tǒng)三層架構

圖2 仿真系統(tǒng)B/S架構

2.1　表示層

為用戶提供仿真交互操作界面，將用戶的操作請求發(fā)送給WEB服務器，將仿真運算的結果數(shù)據(jù)在界面上實時更新，并呈現(xiàn)給用戶。它包括以下主要功能單元：

（1）二維DCS仿真界面，主要模擬DCS操作站界面及功能，如圖3所示；

圖3 二維DCS仿真界面

（2）三維現(xiàn)場仿真界面，采用三維虛擬現(xiàn)實技術，模擬工廠現(xiàn)場實際裝置，包括各設備、管道、閥門和儀表等，操作者可以通過與仿真系統(tǒng)的交互，獲得接近于現(xiàn)場真實場景的沉浸式體驗，幫助了解設備的內部結構、運行原理、事故狀態(tài)、操作方式等，如圖4所示；

圖4 三維現(xiàn)場仿真界面

二維DCS仿真界面和三維現(xiàn)場仿真界面之間實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞。

（3）仿真管理功能，實現(xiàn)仿真的運行、暫停、停止、速度設定等功能；

（4）趨勢曲線功能，包括實時趨勢曲線展示和歷史趨勢曲線展示，如圖5所示；

圖5 趨勢曲線界面

（5）工況存取功能，可保存當前的工況數(shù)據(jù)，也可讀取之前保存的工況數(shù)據(jù)；（6）操作模式切換功能，通過對組的各種操作，包括創(chuàng)建組、結束組、加入組、離開組，實現(xiàn)單人操作模式和多人協(xié)同操作模式的切換。

2.2　業(yè)務邏輯層

對瀏覽器發(fā)送的用戶操作請求進行業(yè)務邏輯處理，其包括以下主要模塊：

（1）工藝仿真模塊，基于設備原理模型、流網模型和物性計算模型，負責整個工藝流程的動態(tài)模擬計算，以用戶對閥門和設備的操作作為輸入，得到流量、溫度、壓力、液位等生產工藝參數(shù)；

（2）組管理模塊，處理用戶對組操作的請求；

（3）趨勢管理模塊，處理用戶查看實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線的請求；

（4）工況管理模塊，處理用戶保存工況或讀取工況的請求；

（5）通訊接口模塊，實現(xiàn)了OPCUA標準通訊接口，可與其他自動控制系統(tǒng)對接，對仿真工藝進行控制。

2.3　數(shù)據(jù)層

負責對數(shù)據(jù)庫的操作，用于存儲業(yè)務邏輯層各模塊產生的數(shù)據(jù)，并為業(yè)務邏輯層各模塊提供數(shù)據(jù)。它主要包括用戶狀態(tài)信息表、歷史趨勢數(shù)據(jù)表、協(xié)同操作組信息表、協(xié)同操作操作信息表、協(xié)同操作實時數(shù)據(jù)表等。

3　仿真系統(tǒng)的技術實現(xiàn)

3.1　二維DCS仿真界面

二維DCS仿真的交互界面在客戶端瀏覽器中以HTML5標準顯示，通過AJAX技術與WEB服務器進行異步數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)界面的異步更新。用戶的仿真操作請求，使用GET或POST請求類型，封裝成XMLHttpRequest對象，以HTTP協(xié)議的方式發(fā)送到WEB服務器。仿真操作請求來自二維DCS仿真交互界面中的可操作輸入點，主要包括各閥門和設備的模擬量和開關量輸入。WEB服務器接收到仿真操作請求，解析出其中的仿真操作信息數(shù)據(jù)，然后交給業(yè)務邏輯層進行處理，處理完畢后將響應數(shù)據(jù)返回給二維DCS仿真交互界面，并且只對二維DCS仿真交互界面的局部進行更新。

趨勢曲線展示，由基于Javascript的數(shù)據(jù)可視化圖表庫Echarts實現(xiàn)。

3.2　三維現(xiàn)場仿真界面

三維現(xiàn)場仿真的交互界面在客戶端瀏覽器中以HTML5標準+WebGL標準顯示，通過Unity3D開發(fā)并發(fā)布為WebGL項目所生成。三維現(xiàn)場仿真交互界面中的JavaScript腳本通過調用GameObjects類中的SendMessage方法向Unity3D腳本發(fā)送消息，而Unity3D腳本通過調用Application.ExternalCall方法向三維現(xiàn)場仿真交互界面中的JavaScript發(fā)送消息，從而實現(xiàn)三維現(xiàn)場仿真交互界面中JavaScrip腳本和Unity3D腳本之間的雙向數(shù)據(jù)傳遞。

二維DCS仿真交互界面和三維現(xiàn)場仿真交互界面之間，通過HTML5標準所支持的localStorage本地存儲方式進行寫入和讀取，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞。

3.3　操作模式

多人協(xié)同操作模式，具體是通過組管理模塊實現(xiàn)。組管理模塊，包括創(chuàng)建組、結束組、加入組和離開組等子模塊，負責生成組ID和組名稱等信息，管理當前用戶的組狀態(tài)，控制仿真模塊的啟動和運行等。

創(chuàng)建組：先由一用戶（組創(chuàng)建者）在仿真交互界面中發(fā)送創(chuàng)建組請求，WEB服務器調用創(chuàng)建組模塊，生成組ID和組名稱等信息，在組數(shù)據(jù)表中新增一條該組信息，并在用戶的登錄信息數(shù)據(jù)表中更新該用戶的所在組ID，同時將組名稱返回給該用戶的仿真交互界面。

加入組：由其他用戶（組成員）根據(jù)該創(chuàng)建組的名稱，在仿真交互界面中發(fā)送加入組請求，WEB服務器調用加入組模塊，在數(shù)據(jù)表中查詢該組名稱，如果查詢成功，則在用戶的登錄信息數(shù)據(jù)表中更新該用戶的所在組ID，同時將組名稱返回給該用戶的仿真交互界面。

離開組：由組成員在仿真交互界面中發(fā)送離開組請求，WEB服務器調用離開組模塊，將用戶的登錄信息數(shù)據(jù)表中所關聯(lián)的組ID還原為默認值。

結束組：由組創(chuàng)建者在仿真交互界面中發(fā)送結束請求，WEB服務器調用結束組模塊，將用戶的登錄信息數(shù)據(jù)表中所關聯(lián)的組ID還原為默認值，同時將結束組的消息通知給各組成員。

在多人協(xié)同操作模式下，仿真模塊的啟動由組創(chuàng)建者控制，先由組創(chuàng)建者在仿真交互界面中發(fā)送仿真啟動請求，WEB服務器收到請求后，啟動仿真模塊并開始迭代運算，運算結果實時返回給組創(chuàng)建者的仿真交互界面，同時將運算結果實時傳遞給數(shù)據(jù)庫，組成員從數(shù)據(jù)庫中實時讀取運算結果并在各自的仿真交互界面中進行更新。

仿真模塊運行過程中，每個組成員在仿真交互界面上進行的操作請求，都會由WEB服務器解析出其中的操作信息，并按照時間順序存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后再按原來的時間順序讀取、傳遞給仿真模塊作為輸入進行迭代運算處理。即在多人協(xié)同操作模式下，每個組成員通過數(shù)據(jù)庫共享同一個仿真模塊的運算結果，仿真模塊由組創(chuàng)建者調用并控制。

3.4　工藝仿真模塊

工藝仿真模塊和通訊接口模塊基于.NETFramework和Visual C#開發(fā)，并生成COM組件，在服務器端通過PHP腳本的com類進行訪問調用。

3.5　數(shù)據(jù)庫設計

使用MySQL設計并建立仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，主要包括用戶狀態(tài)信息表、歷史趨勢數(shù)據(jù)表、協(xié)同操作組信息表、協(xié)同操作操作信息表、協(xié)同操作實時數(shù)據(jù)表等。用戶狀態(tài)信息表的字段包括用戶ID、用戶最后活動時間、關聯(lián)組ID等。歷史趨勢數(shù)據(jù)表的字段包括數(shù)據(jù)ID、關聯(lián)用戶ID、數(shù)據(jù)內容、數(shù)據(jù)寫入時間等。協(xié)同操作組信息表的字段包括組ID、組名稱、組創(chuàng)建者、組創(chuàng)建時間、當前成員數(shù)、上次處理的操作步驟ID等。協(xié)同操作操作信息表的字段包括操作信息ID、操作者（關聯(lián)用戶ID）、操作信息類型、操作對象位號、操作輸入舊值、操作輸入新值、操作時間、關聯(lián)組ID等。協(xié)同操作實時數(shù)據(jù)表的字段包括數(shù)據(jù)ID、關聯(lián)組ID、數(shù)據(jù)內容、數(shù)據(jù)狀態(tài)等。

4　結論

基于Web的多模式流程工業(yè)仿真培訓系統(tǒng)，綜合了以下多個優(yōu)點，可以彌補傳統(tǒng)仿真培訓系統(tǒng)的不足之處，具體包括：

（1）現(xiàn)場仿真以三維形式表現(xiàn)，兼具半實物仿真培訓裝置直觀形象的優(yōu)點，且成本更低；

（2）二維DCS仿真和三維現(xiàn)場仿真相結合并實現(xiàn)實時雙向數(shù)據(jù)傳遞，可模擬實際生產中中控操作和現(xiàn)場操作的協(xié)作配合；

（3）二維DCS仿真和三維現(xiàn)場仿真均發(fā)布為網頁形式，用戶僅需通過瀏覽器即可訪問，可隨時隨地進行遠程在線學習與培訓；

（4）仿真系統(tǒng)的主要業(yè)務邏輯都運行在WEB服務器端，對客戶端計算機的硬件要求較低，并且升級維護過程方便高效，只需在WEB服務器端進行；

（5）單人操作模式和多人協(xié)同操作模式相互切換，既能讓操作人員全面掌握裝置的全流程操作技能，又能提升不同崗位操作人員的分工協(xié)作能力。

作者簡介：

李　鵬（1985-），男，陜西省渭南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于南京睿首智能技術研究院有限公司，主要研究方向為流程工業(yè)仿真模擬。

李明黨（1979-），男，山東省濟寧人，教授級高工，碩士，現(xiàn)就職于南京睿首智能技術研究院有限公司，主要研究方向為流程工業(yè)智能優(yōu)化控制和數(shù)字孿生技術。

參考文獻：

[1] 陳曉瑋. 石化企業(yè)人員安全培訓軟件平臺開發(fā)研究[D]. 山東: 中國石油大學 (華東), 2015.

[2] 杜寧. 基于Client/Server構架的工業(yè)鍋爐培訓/考核仿真系統(tǒng)設計與開發(fā)[D]. 遼寧: 大連理工大學, 2008.

[3] 史興盛. 煤化工冷態(tài)半實物仿真培訓系統(tǒng)的研究與設計[D]. 浙江: 杭州電子科技大學, 2013.

[4] 魏易松. 基于B/S架構的煤化工仿真培訓系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 浙江: 杭州電子科技大學, 2018.

摘自《自動化博覽》2023年10月