国产欧美日韩精品a在线观看-国产欧美日韩精品一区二区三区-国产欧美日韩精品综合-国产欧美中文字幕-一区二区三区精品国产-一区二区三区精品国产欧美

★董秀娟（國家管網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，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業技術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，通過對運維中心人員進行培訓以提高運維人員的專業技術水平，確保管道網絡工控系統安全有序運行。首先進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，通過仿真平臺應用實例分析，驗證了該平臺設計方案的可行性，為提升運維人員專業技術能力、保障管道網絡工控系統的安全性提供了一種新的方法。

關鍵詞：運維中心；管道網絡；工控系統安全；仿真培訓平臺

1 引言

油氣管道網絡是國家能源傳輸的命脈，其運行穩定性和安全性至關重要。隨著油氣管道運維中心的工控系統信息化、智能化水平越來越高，對運行和檢修操作人員的專業技術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，并進一步建立一個油氣管道工控系統智能仿真平臺來實現工業現場的虛擬仿真，以此對操作人員進行培訓，提高操作人員的技術水平，確保油氣管道運維中心工控網絡的安全穩定運行。

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，根據配電網自動化過程中的實際故障情況，實現了配電網一次故障模擬和配電網終端二次故障模擬，該平臺的仿真應用提高了運維人員的水平。Yucheng等^[4]構建了一個基于角色和多智能體的混合協作模型，并構建了機械裝備虛擬訓練與評估平臺，實現了拆卸過程訓練、操作學習和過程討論的功能。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，在培訓過程中取得了滿意的效果。Sébastien等^[6]設計了用于實時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仿真，現場測試證明，該解決方案實現了將實時模擬器與實際控制柜連接起來，且保證了系統的實時性和仿真精度。

基于上述研究，利用工業現場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展，而其中鮮有針對油氣管道網絡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絡，利用實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現整個工業流程及控制的仿真。利用該仿真平臺實現對運維中心操作人員的專業技能培訓，提高運維人員的技能水平，為管道系統運維中心工控網絡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驗室管道軟硬件實現工業現場的虛擬仿真，以此進行運維人員的操作培訓，智能仿真平臺建設需要滿足如下需求^[7]。

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

（2）先進性。采用先進的設計技術以確保系統的長期應用性，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和管理方式，保證系統的不間斷運行；保證系統在長時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、簡單、便捷的原則：系統組織簡單易懂，方便用戶的使用；模塊間獨立運行，互不影響；系統日常運行操作盡可能簡便；系統維護充分考慮到安全性和穩定性；能夠通過參數化方式對崗位角色、用戶權限進行配置，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、主流數據庫產品以及中間件產品，并確保產品間的獨立性、可移植性。

（8）全面集成性。系統采用模塊化集成，可增刪模塊以滿足業務發展需要；實現各業務系統的無縫集成，構建前、中、后一體化的系統架構。

2.1 總體架構設計

在滿足上述建設原則的基礎上，對智能仿真平臺總體框架進行設計，考慮系統的分布式特點和模塊化設計需求，將系統設計為數據層、業務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

數據層用于實現數據的存儲和檢索；業務層用于對用戶提交的數據按照業務層要求的接口封裝規則來封裝用戶數據，并調用業務接口層對外提供的相應命令接口，業務接口層對數據進行解析，分別送入不同的邏輯處理并向用戶返回處理結果。業務層是上下兩層的紐帶，它建立實際的數據庫連接，根據用戶的請求生成檢索語句或更新數據庫，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，向服務器提交請求。

采用三層設計，清晰地將表示層、業務層、數據層進行分離，避免了因業務邏輯上的微小變化而導致對整個平臺的修改，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現上采用MVC模式。從邏輯上可劃分為三大部分：前端的客戶端軟件、中間層的應用服務和后端的數據存儲。所有分析數據都存儲在后端的數據庫服務器上，計算密集型的任務集中在中間的業務邏輯層完成，客戶端展現數據及分析后結果。系統邏輯結構圖如圖2所示，各用戶可以通過瀏覽器訪問后臺數據^[9]。

圖2 智能仿真平臺邏輯結構設計

系統的功能實現上采用主流的Java開發框架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，大幅度降低開發和維護時間，降低開發和維護成本。

由于采用成熟的跨平臺技術Java，使得服務器可以很方便地部署在主流操作系統上，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，大幅降低運行期間的維護成本。系統采用了多終端多形式展現，系統訪問既可采用Web訪問，也可利用移動終端進行訪問，為用戶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、動態分離的方式，以此加快服務器訪問的速度，同時保證數據同步過程中數據的一致性。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、工業服務器、配套鍵鼠顯示器組成，如圖4所示^[10]。

圖4 仿真平臺硬件組網部署

硬件組網采用星型連接方式，其中各部分硬件及配套軟件部署如下：

（1）工業服務器之上虛擬Windows系統、Fedora系統和1個RTOS，其架構如圖5所示。Windows系統中部署有PLC編程軟件，用于PLC的學習和考試程序編寫；東土MaVIEW編程軟件，用于驗題程序的編寫；Fedora系統運行實時庫用于培訓教學軟件數據采集，并利用KyGate協議網關實現規約轉換；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 工業服務器系統架構

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，將各個桌面系統的環境配置好后關閉各桌面系統，對各個桌面系統進行快照備份操作，供容災恢復時使用。

（2）教官臺配置一套顯示器、鍵盤、鼠標連接至工業無服務器，用于顯示、操控工業服務器非實時系統桌面以及教官培訓教學；另單獨配置一套服務器用于安裝教學培訓系統軟件和數據庫等；配置一套觸摸屏，用于教官分發題庫及檢查學員所提交答案正確率。

（3）學員培訓臺配置一臺工業服務器，用于安裝實時和非實時系統，并在實時、非實時系統上安裝對應軟件；配置一套顯示器、鍵盤、鼠標連接至工業服務器，用于顯示、操控工業服務器非實時系統桌面；配置一套觸摸屏，用于教官分發題庫及檢查學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身份進行權限管理，為管理員賬戶開辟系統管理工作臺，用于顯示系統后臺基本信息、進行系統數據以及用戶數據的增刪改查等快捷操作；運維中心員工則通過用戶賬戶進行操作課程學習、學習資料下載、考試以及消息接收發送等任務。

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器以及T-Box的PLC設備來實現仿真。T-Box的PLC編程軟件沒有仿真程序，因此需要配以真實硬件，通過硬件與東土PLC硬件進行I/O點交互；施耐德PLC編程仿真軟件采用Modbus/TCP通信協議與東土PLC進行信息交互。仿真系統通過考試系統下發的題號以及檢驗信息，對學員試題的輸入量進行賦值，并利用PLC設備或編程軟件對返回的輸出量進行驗證，如此反復執行多步，直至完成預定的驗題程序，實現完整的閉環仿真。其應用框圖如圖6所示。

圖6 模擬考試應用框圖

PLC與東土實時系統間固定一定的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，并將題目發送至學員賬戶所在平臺。

當試題提交后觸發判卷系統，判卷系統根據題號選擇對應的模擬程序，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，經過多次循環對比后，最終給出考試成績，以此實現對仿真教學效果進行評估的目標。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

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。本文針對管道網絡信息化和智能化程度不斷提高，對運維中心操作人員的專業技術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。

仿真平臺依托于實驗室的管道網絡以及服務器、交換機、PLC和編程軟件等軟硬件進行搭建，集成課程學習以及考試評估等功能，通過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，在提高員工專業技術水平、保障運維中心工控網絡的安全有序運行方面發揮著重大作用。

作者簡介:

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

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（北京）信息科學與工程學院，從事基于深度神經網絡的復雜系統建模、油氣集輸過程的智能控制與優化、控壓鉆井技術、鉆井過程的智能控制與協同優化研究。

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，研究方向是自動化及智能應用。

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

參考文獻：

[1]紀陵,裘愉濤,仇群輝,等.智能變電站二次系統綜合仿真培訓平臺設計和研制[J].浙江電力,2014,33(12):30-34.

[2]方偉,徐濤,閆文君,等.分布仿真運維管理系統運行監控工具研究與實現[J].計算機應用與軟件,2019,(6):62-65.

[3] Pan Z, Li H, Wang J, et al. An Operation and Maintenance Training Platform for Distribution Terminal Unit[C]//IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2021, 645 (1) : 012030.

[4] Ma Y, Xiao J, Zhang Q. Modeling and Simulation of mechanical equipment virtual maintenance training collaborative operation[C]//Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2022, 2206 (1) : 012012.

[5] Wu Y, Huang J, Ma J, et al. Optimization Design and Application of Hybrid Simulation Skill Training Platform[C]//2021 2nd Asia Service Sciences and Software Engineering Conference. 2021: 68 - 73.

[6] Dennetière S, Saad H, Clerc B, et al. Setup and performances of the real-time simulation platform connected to the INELFE control system[J]. Electric Power Systems Research, 2016, 138 : 180 - 187.

[7]張慰,張嘉鷺.虛擬仿真實驗教學資源支撐平臺建設與實踐[J].中國教育信息化,2020,(13):57-60.

[8] Cui R, Hou H, Tang J, et al. Distribution Network Operation and Maintenance Simulation System Based on Cloud Platform[C]//2019 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC). IEEE, 2019 : 1 - 4.

[9]張晨曦,王曉東,許樂.一種基于ITIL的IT運維中心模型設計[J].微計算機信息,2009,(33):35-37.

[10]劉世安,胡俊華,李顯鵬.變電站仿真培訓系統設計[J].科技創新導報,2015,(1):211-212.

摘自《自動化博覽》2022年9月刊