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

★李鵬，李明黨（南京睿首智能技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京210046）

關(guān)鍵詞：仿真；培訓系統；流程工業(yè)；WEB；三維

1　引言

化工、熱電和冶金等流程工業(yè)大多數具有高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、有腐蝕性等特點(diǎn)，是一個(gè)具有危險性的行業(yè)，其生產(chǎn)工藝復雜且差異性大，生產(chǎn)流程長(cháng)且連續性強，產(chǎn)品種類(lèi)繁多且質(zhì)量要求高，這些特點(diǎn)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)傳統的培訓方式是學(xué)員到工廠(chǎng)進(jìn)行學(xué)習，但是為了保障企業(yè)生產(chǎn)的平穩安全運行，通常不會(huì )讓學(xué)員在實(shí)際生產(chǎn)裝置上進(jìn)行全面操作訓練，造成理論與實(shí)踐脫節。因此，如何讓學(xué)員進(jìn)行全面系統的實(shí)際操作訓練，掌握開(kāi)停車(chē)過(guò)程以及正常運行操作方法，尤其是如何預防突發(fā)事件以及出現突發(fā)事件時(shí)如何處理，是企業(yè)培訓中亟待解決的問(wèn)題。

仿真培訓系統作為一種先進(jìn)的培訓工具，為解決企業(yè)“培訓難”問(wèn)題提供了有效的方式。通過(guò)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(lǐng)域的仿真培訓系統建設應用已經(jīng)非常普遍，但綜觀(guān)下來(lái)，仍然存在很多的不足，主要表現在以下幾方面^[2][3]：

（1）仿真畫(huà)面只有DCS仿真而沒(méi)有現場(chǎng)仿真，或者現場(chǎng)仿真以二維形式表現，不能直觀(guān)形象地體現實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景中的設備、管道和儀表；

（2）操作模式簡(jiǎn)單，通常只有單人操作模式，沒(méi)有協(xié)同操作模式，不能模擬實(shí)際生產(chǎn)中的班組分工與協(xié)作；

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

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

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

2　仿真系統的架構和功能概述

基于Web的多模式流程工業(yè)仿真培訓系統采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）三層架構模式^[4]，其包括表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數據層，如圖1、圖2所示。

圖1 仿真系統三層架構

圖2 仿真系統B/S架構

2.1　表示層

為用戶(hù)提供仿真交互操作界面，將用戶(hù)的操作請求發(fā)送給WEB服務(wù)器，將仿真運算的結果數據在界面上實(shí)時(shí)更新，并呈現給用戶(hù)。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）三維現場(chǎng)仿真界面，采用三維虛擬現實(shí)技術(shù)，模擬工廠(chǎng)現場(chǎng)實(shí)際裝置，包括各設備、管道、閥門(mén)和儀表等，操作者可以通過(guò)與仿真系統的交互，獲得接近于現場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)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 三維現場(chǎng)仿真界面

二維DCS仿真界面和三維現場(chǎng)仿真界面之間實(shí)現雙向數據傳遞。

（3）仿真管理功能，實(shí)現仿真的運行、暫停、停止、速度設定等功能；

（4）趨勢曲線(xiàn)功能，包括實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)展示和歷史趨勢曲線(xiàn)展示，如圖5所示；

圖5 趨勢曲線(xiàn)界面

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

2.2　業(yè)務(wù)邏輯層

對瀏覽器發(fā)送的用戶(hù)操作請求進(jìn)行業(yè)務(wù)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(wǎng)模型和物性計算模型，負責整個(gè)工藝流程的動(dòng)態(tài)模擬計算，以用戶(hù)對閥門(mén)和設備的操作作為輸入，得到流量、溫度、壓力、液位等生產(chǎn)工藝參數；

（2）組管理模塊，處理用戶(hù)對組操作的請求；

（3）趨勢管理模塊，處理用戶(hù)查看實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)和歷史趨勢曲線(xiàn)的請求；

（4）工況管理模塊，處理用戶(hù)保存工況或讀取工況的請求；

（5）通訊接口模塊，實(shí)現了OPCUA標準通訊接口，可與其他自動(dòng)控制系統對接，對仿真工藝進(jìn)行控制。

2.3　數據層

負責對數據庫的操作，用于存儲業(yè)務(wù)邏輯層各模塊產(chǎn)生的數據，并為業(yè)務(wù)邏輯層各模塊提供數據。它主要包括用戶(hù)狀態(tài)信息表、歷史趨勢數據表、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(shí)時(shí)數據表等。

3　仿真系統的技術(shù)實(shí)現

3.1　二維DCS仿真界面

二維DCS仿真的交互界面在客戶(hù)端瀏覽器中以HTML5標準顯示，通過(guò)AJAX技術(shù)與WEB服務(wù)器進(jìn)行異步數據傳輸，從而實(shí)現界面的異步更新。用戶(hù)的仿真操作請求，使用GET或POST請求類(lèi)型，封裝成XMLHttpRequest對象，以HTTP協(xié)議的方式發(fā)送到WEB服務(wù)器。仿真操作請求來(lái)自二維DCS仿真交互界面中的可操作輸入點(diǎn)，主要包括各閥門(mén)和設備的模擬量和開(kāi)關(guān)量輸入。WEB服務(wù)器接收到仿真操作請求，解析出其中的仿真操作信息數據，然后交給業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行處理，處理完畢后將響應數據返回給二維DCS仿真交互界面，并且只對二維DCS仿真交互界面的局部進(jìn)行更新。

趨勢曲線(xiàn)展示，由基于Javascript的數據可視化圖表庫Echarts實(shí)現。

3.2　三維現場(chǎng)仿真界面

三維現場(chǎng)仿真的交互界面在客戶(hù)端瀏覽器中以HTML5標準+WebGL標準顯示，通過(guò)Unity3D開(kāi)發(fā)并發(fā)布為WebGL項目所生成。三維現場(chǎng)仿真交互界面中的JavaScript腳本通過(guò)調用GameObjects類(lèi)中的SendMessage方法向Unity3D腳本發(fā)送消息，而Unity3D腳本通過(guò)調用Application.ExternalCall方法向三維現場(chǎng)仿真交互界面中的JavaScript發(fā)送消息，從而實(shí)現三維現場(chǎng)仿真交互界面中JavaScrip腳本和Unity3D腳本之間的雙向數據傳遞。

二維DCS仿真交互界面和三維現場(chǎng)仿真交互界面之間，通過(guò)HTML5標準所支持的localStorage本地存儲方式進(jìn)行寫(xiě)入和讀取，實(shí)現雙向數據傳遞。

3.3　操作模式

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

創(chuàng )建組：先由一用戶(hù)（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(wù)器調用創(chuàng )建組模塊，生成組ID和組名稱(chēng)等信息，在組數據表中新增一條該組信息，并在用戶(hù)的登錄信息數據表中更新該用戶(hù)的所在組ID，同時(shí)將組名稱(chēng)返回給該用戶(hù)的仿真交互界面。

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

離開(kāi)組：由組成員在仿真交互界面中發(fā)送離開(kāi)組請求，WEB服務(wù)器調用離開(kāi)組模塊，將用戶(hù)的登錄信息數據表中所關(guān)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(wù)器調用結束組模塊，將用戶(hù)的登錄信息數據表中所關(guān)聯(lián)的組ID還原為默認值，同時(shí)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(dòng)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(dòng)請求，WEB服務(wù)器收到請求后，啟動(dòng)仿真模塊并開(kāi)始迭代運算，運算結果實(shí)時(shí)返回給組創(chuàng )建者的仿真交互界面，同時(shí)將運算結果實(shí)時(shí)傳遞給數據庫，組成員從數據庫中實(shí)時(shí)讀取運算結果并在各自的仿真交互界面中進(jìn)行更新。

仿真模塊運行過(guò)程中，每個(gè)組成員在仿真交互界面上進(jìn)行的操作請求，都會(huì )由WEB服務(wù)器解析出其中的操作信息，并按照時(shí)間順序存儲到數據庫中，然后再按原來(lái)的時(shí)間順序讀取、傳遞給仿真模塊作為輸入進(jìn)行迭代運算處理。即在多人協(xié)同操作模式下，每個(gè)組成員通過(guò)數據庫共享同一個(gè)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(kāi)發(fā)，并生成COM組件，在服務(wù)器端通過(guò)PHP腳本的com類(lèi)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)調用。

3.5　數據庫設計

使用MySQL設計并建立仿真系統的數據庫，主要包括用戶(hù)狀態(tài)信息表、歷史趨勢數據表、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(shí)時(shí)數據表等。用戶(hù)狀態(tài)信息表的字段包括用戶(hù)ID、用戶(hù)最后活動(dòng)時(shí)間、關(guān)聯(lián)組ID等。歷史趨勢數據表的字段包括數據ID、關(guān)聯(lián)用戶(hù)ID、數據內容、數據寫(xiě)入時(shí)間等。協(xié)同操作組信息表的字段包括組ID、組名稱(chēng)、組創(chuàng )建者、組創(chuàng )建時(shí)間、當前成員數、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(guān)聯(lián)用戶(hù)ID）、操作信息類(lèi)型、操作對象位號、操作輸入舊值、操作輸入新值、操作時(shí)間、關(guān)聯(lián)組ID等。協(xié)同操作實(shí)時(shí)數據表的字段包括數據ID、關(guān)聯(lián)組ID、數據內容、數據狀態(tài)等。

4　結論

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

（1）現場(chǎng)仿真以三維形式表現，兼具半實(shí)物仿真培訓裝置直觀(guān)形象的優(yōu)點(diǎn)，且成本更低；

（2）二維DCS仿真和三維現場(chǎng)仿真相結合并實(shí)現實(shí)時(shí)雙向數據傳遞，可模擬實(shí)際生產(chǎn)中中控操作和現場(chǎng)操作的協(xié)作配合；

（3）二維DCS仿真和三維現場(chǎng)仿真均發(fā)布為網(wǎng)頁(yè)形式，用戶(hù)僅需通過(guò)瀏覽器即可訪(fǎng)問(wèn)，可隨時(shí)隨地進(jìn)行遠程在線(xiàn)學(xué)習與培訓；

（4）仿真系統的主要業(yè)務(wù)邏輯都運行在WEB服務(wù)器端，對客戶(hù)端計算機的硬件要求較低，并且升級維護過(guò)程方便高效，只需在WEB服務(wù)器端進(jìn)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(jiǎn)介：

李　鵬（1985-），男，陜西省渭南人，工程師，碩士，現就職于南京睿首智能技術(shù)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，現就職于南京睿首智能技術(shù)研究院有限公司，主要研究方向為流程工業(yè)智能優(yōu)化控制和數字孿生技術(shù)。

參考文獻：

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

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月