★董秀娟（國家管網(wǎng)集團北京管道有限公司，北京110101）

★曹海軍（昆侖數智科技有限責任公司，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（昆侖數智科技有限責任公司，北京102206）

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

關(guān)鍵詞：運維中心；管道網(wǎng)絡(luò )；工控系統安全；仿真培訓平臺

1 引言

油氣管道網(wǎng)絡(luò )是國家能源傳輸的命脈，其運行穩定性和安全性至關(guān)重要。隨著(zhù)油氣管道運維中心的工控系統信息化、智能化水平越來(lái)越高，對運行和檢修操作人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平也提出了更高的要求，因此亟需通過(guò)管道仿真軟硬件搭建仿真模型，并進(jìn)一步建立一個(gè)油氣管道工控系統智能仿真平臺來(lái)實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)的虛擬仿真，以此對操作人員進(jìn)行培訓，提高操作人員的技術(shù)水平，確保油氣管道運維中心工控網(wǎng)絡(luò )的安全穩定運行。

當前國內外針對運維中心仿真平臺的研究層出不窮，紀陵等^[1]針對變電站培訓需求設計了仿真培訓平臺，實(shí)現了不同培訓模式的有效結合。方偉等^[2]系統性分析了運維管理系統的結構，對各組件的工作原理進(jìn)行了詳細的分析。Zhiyuan等^[3]設計了配電終端機組操作維護培訓平臺，根據配電網(wǎng)自動(dòng)化過(guò)程中的實(shí)際故障情況，實(shí)現了配電網(wǎng)一次故障模擬和配電網(wǎng)終端二次故障模擬，該平臺的仿真應用提高了運維人員的水平。Yucheng等^[4]構建了一個(gè)基于角色和多智能體的混合協(xié)作模型，并構建了機械裝備虛擬訓練與評估平臺，實(shí)現了拆卸過(guò)程訓練、操作學(xué)習和過(guò)程討論的功能。Yichun等^[5]根據混合仿真技能訓練平臺的性能要求，構建了混合仿真技能培訓平臺，為變電站操作人員提供高浸入式培訓條件，在培訓過(guò)程中取得了滿(mǎn)意的效果。Sébastien等^[6]設計了用于實(shí)時(shí)仿真的變換器和電纜模型，并利用INELFE控制系統副本執行硬件在環(huán)仿真，現場(chǎng)測試證明，該解決方案實(shí)現了將實(shí)時(shí)模擬器與實(shí)際控制柜連接起來(lái)，且保證了系統的實(shí)時(shí)性和仿真精度。

基于上述研究，利用工業(yè)現場(chǎng)軟硬件設備建立仿真模型，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 )系統仿真培訓平臺的研究。本文將立足于油氣管道運維中心工控網(wǎng)絡(luò )，利用實(shí)驗室配置的管道仿真軟硬件，根據工藝流程結構搭建仿真模型，并建立智能仿真平臺以實(shí)現整個(gè)工業(yè)流程及控制的仿真。利用該仿真平臺實(shí)現對運維中心操作人員的專(zhuān)業(yè)技能培訓，提高運維人員的技能水平，為管道系統運維中心工控網(wǎng)絡(luò )的穩定有序運行提供可靠的保障。

2 智能仿真平臺方案設計

智能仿真平臺依托于實(shí)驗室管道軟硬件實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)的虛擬仿真，以此進(jìn)行運維人員的操作培訓，智能仿真平臺建設需要滿(mǎn)足如下需求^[7]。

（1）整體性。系統整體設計能有效地實(shí)現后臺一體化管理，前端多終端應用滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求，系統標準化程度高。

（2）先進(jìn)性。采用先進(jìn)的設計技術(shù)以確保系統的長(cháng)期應用性，且是應用成熟的系統。

（3）安全可靠性。充分考慮安全可靠的技術(shù)和管理方式，保證系統的不間斷運行；保證系統在長(cháng)時(shí)間大容量高壓力的情況下能穩定運行，某一局部性的錯誤不影響整個(gè)系統的正常運行。

（4）易用易維護性。系統維護和管理的設計遵循高效、安全、簡(jiǎn)單、便捷的原則：系統組織簡(jiǎn)單易懂，方便用戶(hù)的使用；模塊間獨立運行，互不影響；系統日常運行操作盡可能簡(jiǎn)便；系統維護充分考慮到安全性和穩定性；能夠通過(guò)參數化方式對崗位角色、用戶(hù)權限進(jìn)行配置，并提供日常運行監控和完整的系統維護管理的方案。

（5）數據完整性。采用可操作性容災備份策略，確保數據傳輸和備份的完整性。

（6）可擴展性。系統的設計原則是開(kāi)放的、標準的、適應性強的，系統應具備很強的擴展能力。在硬件上需要支持硬件性能升級與數量擴充；軟件上需要在應用的體系結構和軟件模塊劃分方面具備良好的擴展性。

（7）可兼容性。系統的設計需考慮多平臺應用的復雜性，能夠支持主流操作系統、主流數據庫產(chǎn)品以及中間件產(chǎn)品，并確保產(chǎn)品間的獨立性、可移植性。

（8）全面集成性。系統采用模塊化集成，可增刪模塊以滿(mǎn)足業(yè)務(wù)發(fā)展需要；實(shí)現各業(yè)務(wù)系統的無(wú)縫集成，構建前、中、后一體化的系統架構。

2.1 總體架構設計

在滿(mǎn)足上述建設原則的基礎上，對智能仿真平臺總體框架進(jìn)行設計，考慮系統的分布式特點(diǎn)和模塊化設計需求，將系統設計為數據層、業(yè)務(wù)層和表示層三層體系架構，總體架構如圖1所示^[8]。

圖1 智能仿真平臺總體架構設計

數據層用于實(shí)現數據的存儲和檢索；業(yè)務(wù)層用于對用戶(hù)提交的數據按照業(yè)務(wù)層要求的接口封裝規則來(lái)封裝用戶(hù)數據，并調用業(yè)務(wù)接口層對外提供的相應命令接口，業(yè)務(wù)接口層對數據進(jìn)行解析，分別送入不同的邏輯處理并向用戶(hù)返回處理結果。業(yè)務(wù)層是上下兩層的紐帶，它建立實(shí)際的數據庫連接，根據用戶(hù)的請求生成檢索語(yǔ)句或更新數據庫，并把結果返回給前端界面顯示。表示層負責處理用戶(hù)的輸入并向用戶(hù)輸出，通過(guò)瀏覽器或提供給用戶(hù)的交互平臺，向服務(wù)器提交請求。

采用三層設計，清晰地將表示層、業(yè)務(wù)層、數據層進(jìn)行分離，避免了因業(yè)務(wù)邏輯上的微小變化而導致對整個(gè)平臺的修改，增強了代碼的可重用性。

2.2 功能結構設計

系統的功能邏輯在實(shí)現上采用MVC模式。從邏輯上可劃分為三大部分：前端的客戶(hù)端軟件、中間層的應用服務(wù)和后端的數據存儲。所有分析數據都存儲在后端的數據庫服務(wù)器上，計算密集型的任務(wù)集中在中間的業(yè)務(wù)邏輯層完成，客戶(hù)端展現數據及分析后結果。系統邏輯結構圖如圖2所示，各用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)后臺數據^[9]。

圖2 智能仿真平臺邏輯結構設計

系統的功能實(shí)現上采用主流的Java開(kāi)發(fā)框架Springboot、Mybatis以及成熟的布局框架Sitemesh2、JQuery；緩存使用Redis；可擴展集群，隊列使用ActiveMQ，大幅度降低開(kāi)發(fā)和維護時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)和維護成本。

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上，無(wú)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，大幅降低運行期間的維護成本。系統采用了多終端多形式展現，系統訪(fǎng)問(wèn)既可采用Web訪(fǎng)問(wèn)，也可利用移動(dòng)終端進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，為用戶(hù)操作便利性提供最大的支持。

2.3 物理結構設計

仿真平臺物理結構采用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分離的方式，以此加快服務(wù)器訪(fǎng)問(wèn)的速度，同時(shí)保證數據同步過(guò)程中數據的一致性。數據庫采用主從分離的形式，可以更好地處理大規模數據。物理結構設計如圖3所示。

圖3 智能仿真平臺物理結構設計

3 仿真系統硬件部署

仿真系統硬件主要由交換機、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、Fedora系統和1個(gè)RTOS，其架構如圖5所示。Windows系統中部署有PLC編程軟件，用于PLC的學(xué)習和考試程序編寫(xiě)；東土MaVIEW編程軟件，用于驗題程序的編寫(xiě)；Fedora系統運行實(shí)時(shí)庫用于培訓教學(xué)軟件數據采集，并利用KyGate協(xié)議網(wǎng)關(guān)實(shí)現規約轉換；RTOS運行東土科技的MaVIEW軟PLC，利用東土軟PLC驗證模擬仿真結果。

圖5 工業(yè)服務(wù)器系統架構

各桌面系統（Win10、Fedora系統）以虛擬機鏡像的形式存在于Intewell系統中，系統支持對虛擬機鏡

像做備份，將各個(gè)桌面系統的環(huán)境配置好后關(guān)閉各桌面系統，對各個(gè)桌面系統進(jìn)行快照備份操作，供容災恢復時(shí)使用。

（2）教官臺配置一套顯示器、鍵盤(pán)、鼠標連接至工業(yè)無(wú)服務(wù)器，用于顯示、操控工業(yè)服務(wù)器非實(shí)時(shí)系統桌面以及教官培訓教學(xué)；另單獨配置一套服務(wù)器用于安裝教學(xué)培訓系統軟件和數據庫等；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)員培訓臺配置一臺工業(yè)服務(wù)器，用于安裝實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)系統，并在實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)系統上安裝對應軟件；配置一套顯示器、鍵盤(pán)、鼠標連接至工業(yè)服務(wù)器，用于顯示、操控工業(yè)服務(wù)器非實(shí)時(shí)系統桌面；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 智能仿真平臺應用分析

智能仿真平臺基于用戶(hù)身份進(jìn)行權限管理，為管理員賬戶(hù)開(kāi)辟系統管理工作臺，用于顯示系統后臺基本信息、進(jìn)行系統數據以及用戶(hù)數據的增刪改查等快捷操作；運維中心員工則通過(guò)用戶(hù)賬戶(hù)進(jìn)行操作課程學(xué)習、學(xué)習資料下載、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用，本案例采用東土遠程服務(wù)器以及T-Box的PLC設備來(lái)實(shí)現仿真。T-Box的PLC編程軟件沒(méi)有仿真程序，因此需要配以真實(shí)硬件，通過(guò)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。仿真系統通過(guò)考試系統下發(fā)的題號以及檢驗信息，對學(xué)員試題的輸入量進(jìn)行賦值，并利用PLC設備或編程軟件對返回的輸出量進(jìn)行驗證，如此反復執行多步，直至完成預定的驗題程序，實(shí)現完整的閉環(huán)仿真。其應用框圖如圖6所示。

圖6 模擬考試應用框圖

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

當試題提交后觸發(fā)判卷系統，判卷系統根據題號選擇對應的模擬程序，通過(guò)模擬給定輸入并延時(shí)對比模擬程序的返回值的方式，來(lái)判定題目是否正確，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)對比后，最終給出考試成績(jì)，以此實(shí)現對仿真教學(xué)效果進(jìn)行評估的目標。仿真平臺軟件設計如圖7所示。

圖7 仿真平臺軟件設計

5 結語(yǔ)

油氣管道是石油天然氣等資源傳輸的通道，是國家能源命脈，因此油氣管道工控系統的安全運行極為重要。本文針對管道網(wǎng)絡(luò )信息化和智能化程度不斷提高，對運維中心操作人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平要求也日益提高的現狀，提出了一種智能仿真平臺建設方案。

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

作者簡(jiǎn)介:

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

曹海軍（1981-），男，內蒙古烏海人，工程師，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，從事油氣管道智能控制研究與應用。

徐寶昌（1974-），男，黑龍江人，副教授，博士，現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 )的復雜系統建模、油氣集輸過(guò)程的智能控制與優(yōu)化、控壓鉆井技術(shù)、鉆井過(guò)程的智能控制與協(xié)同優(yōu)化研究。

程楠（1987-），女，山西運城人，工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，研究方向是自動(dòng)化及智能應用。

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

朱明皞（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，研究方向是自動(dòng)化及智能應用。

鄭新宇（1993-），男，北京人，學(xué)士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，研究方向是視覺(jué)傳達與用戶(hù)體驗。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年9月刊