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

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；流程工業；WEB；三維

1　引言

化工、熱電和冶金等流程工業大多數具有高溫、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，其生產工藝復雜且差異性大，生產流程長且連續性強，產品種類繁多且質量要求高，這些特點對行業操作人員的知識和技能水平提出了非常高的要求^[1]。

流程行業傳統的培訓方式是學員到工廠進行學習，但是為了保障企業生產的平穩安全運行，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。因此，如何讓學員進行全面系統的實際操作訓練，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事件以及出現突發事件時如何處理，是企業培訓中亟待解決的問題。

仿真培訓系統作為一種先進的培訓工具，為解決企業“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，國內外在流程行業領域的仿真培訓系統建設應用已經非常普遍，但綜觀下來，仍然存在很多的不足，主要表現在以下幾方面^[2][3]：

（1）仿真畫面只有DCS仿真而沒有現場仿真，或者現場仿真以二維形式表現，不能直觀形象地體現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，沒有協同操作模式，不能模擬實際生產中的班組分工與協作；

（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）近些年發展起來的半實物仿真培訓系統，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的多模式流程工業仿真培訓系統，建立了一種可隨時隨地進行在線學習、結合二維DCS仿真和三維現場仿真、不同崗位人員可協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的多模式流程工業仿真培訓系統采用B/S（瀏覽器/服務器）三層架構模式^[4]，其包括表示層、業務邏輯層和數據層，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

為用戶提供仿真交互操作界面，將用戶的操作請求發送給WEB服務器，將仿真運算的結果數據在界面上實時更新，并呈現給用戶。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）三維現場仿真界面，采用三維虛擬現實技術，模擬工廠現場實際裝置，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的交互，獲得接近于現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、操作方式等，如圖4所示；

圖4 三維現場仿真界面

二維DCS仿真界面和三維現場仿真界面之間實現雙向數據傳遞。

（3）仿真管理功能，實現仿真的運行、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，通過對組的各種操作，包括創建組、結束組、加入組、離開組，實現單人操作模式和多人協同操作模式的切換。

2.2　業務邏輯層

對瀏覽器發送的用戶操作請求進行業務邏輯處理，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；

（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，實現了OPCUA標準通訊接口，可與其他自動控制系統對接，對仿真工藝進行控制。

2.3　數據層

負責對數據庫的操作，用于存儲業務邏輯層各模塊產生的數據，并為業務邏輯層各模塊提供數據。它主要包括用戶狀態信息表、歷史趨勢數據表、協同操作組信息表、協同操作操作信息表、協同操作實時數據表等。

3　仿真系統的技術實現

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服務器進行異步數據傳輸，從而實現界面的異步更新。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協議的方式發送到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據，然后交給業務邏輯層進行處理，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行更新。

趨勢曲線展示，由基于Javascript的數據可視化圖表庫Echarts實現。

3.2　三維現場仿真界面

三維現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開發并發布為WebGL項目所生成。三維現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腳本發送消息，而Unity3D腳本通過調用Application.ExternalCall方法向三維現場仿真交互界面中的JavaScript發送消息，從而實現三維現場仿真交互界面中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，實現雙向數據傳遞。

3.3　操作模式

多人協同操作模式，具體是通過組管理模塊實現。組管理模塊，包括創建組、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，控制仿真模塊的啟動和運行等。

創建組：先由一用戶（組創建者）在仿真交互界面中發送創建組請求，WEB服務器調用創建組模塊，生成組ID和組名稱等信息，在組數據表中新增一條該組信息，并在用戶的登錄信息數據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）根據該創建組的名稱，在仿真交互界面中發送加入組請求，WEB服務器調用加入組模塊，在數據表中查詢該組名稱，如果查詢成功，則在用戶的登錄信息數據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據表中所關聯的組ID還原為默認值。

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

在多人協同操作模式下，仿真模塊的啟動由組創建者控制，先由組創建者在仿真交互界面中發送仿真啟動請求，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建者的仿真交互界面，同時將運算結果實時傳遞給數據庫，組成員從數據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據庫中，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。即在多人協同操作模式下，每個組成員通過數據庫共享同一個仿真模塊的運算結果，仿真模塊由組創建者調用并控制。

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，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，主要包括用戶狀態信息表、歷史趨勢數據表、協同操作組信息表、協同操作操作信息表、協同操作實時數據表等。用戶狀態信息表的字段包括用戶ID、用戶最后活動時間、關聯組ID等。歷史趨勢數據表的字段包括數據ID、關聯用戶ID、數據內容、數據寫入時間等。協同操作組信息表的字段包括組ID、組名稱、組創建者、組創建時間、當前成員數、上次處理的操作步驟ID等。協同操作操作信息表的字段包括操作信息ID、操作者（關聯用戶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、關聯組ID等。協同操作實時數據表的字段包括數據ID、關聯組ID、數據內容、數據狀態等。

4　結論

基于Web的多模式流程工業仿真培訓系統，綜合了以下多個優點，可以彌補傳統仿真培訓系統的不足之處，具體包括：

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

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

（3）二維DCS仿真和三維現場仿真均發布為網頁形式，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）仿真系統的主要業務邏輯都運行在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作能力。

作者簡介：

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研究院有限公司，主要研究方向為流程工業仿真模擬。

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研究院有限公司，主要研究方向為流程工業智能優化控制和數字孿生技術。

參考文獻：

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

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

[3] 史興盛. 煤化工冷態半實物仿真培訓系統的研究與設計[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的設計與實現[D]. 浙江: 杭州電子科技大學, 2018.

摘自《自動化博覽》2023年10月