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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）10-084-04中圖分類號(hào)：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(xùn)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(diǎn)，是一個(gè)具有危險(xiǎn)性的行業(yè)，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜且差異性大，生產(chǎn)流程長且連續(xù)性強(qiáng)，產(chǎn)品種類繁多且質(zhì)量要求高，這些特點(diǎn)對(duì)行業(yè)操作人員的知識(shí)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(xùn)方式是學(xué)員到工廠進(jìn)行學(xué)習(xí)，但是為了保障企業(yè)生產(chǎn)的平穩(wěn)安全運(yùn)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(xùn)練，造成理論與實(shí)踐脫節(jié)。因此，如何讓學(xué)員進(jìn)行全面系統(tǒng)的實(shí)際操作訓(xùn)練，掌握開停車過程以及正常運(yùn)行操作方法，尤其是如何預(yù)防突發(fā)事件以及出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)如何處理，是企業(yè)培訓(xùn)中亟待解決的問題。

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的培訓(xùn)工具，為解決企業(yè)“培訓(xùn)難”問題提供了有效的方式。通過仿真培訓(xùn)，可以幫助操作人員理解工藝流程和設(shè)備運(yùn)行原理、掌握裝置操作技能和事故處理方法。目前，國內(nèi)外在流程行業(yè)領(lǐng)域的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用已經(jīng)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(chǎng)仿真，或者現(xiàn)場(chǎng)仿真以二維形式表現(xiàn)，不能直觀形象地體現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景中的設(shè)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(jī)或C/S類型的仿真軟件，對(duì)客戶端硬件要求較高，且客戶端的安裝和升級(jí)過程繁瑣費(fèi)時(shí)；組織培訓(xùn)受時(shí)間和地點(diǎn)的限制較大，影響了培訓(xùn)效果；

（4）近些年發(fā)展起來的半實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，其前期的建設(shè)和后期的運(yùn)營維護(hù)都需要投入較高的費(fèi)用，并且對(duì)場(chǎng)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(xùn)系統(tǒng)，建立了一種可隨時(shí)隨地進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、結(jié)合二維DCS仿真和三維現(xiàn)場(chǎng)仿真、不同崗位人員可協(xié)同操作的仿真培訓(xùn)方式，以克服傳統(tǒng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的不足之處。

2　仿真系統(tǒng)的架構(gòu)和功能概述

基于Web的多模式流程工業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）三層架構(gòu)模式^[4]，其包括表示層、業(yè)務(wù)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(gòu)

圖2 仿真系統(tǒng)B/S架構(gòu)

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(qǐng)求發(fā)送給WEB服務(wù)器，將仿真運(yùn)算的結(jié)果數(shù)據(jù)在界面上實(shí)時(shí)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(chǎng)仿真界面，采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬工廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝置，包括各設(shè)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(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景的沉浸式體驗(yàn)，幫助了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)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(chǎng)仿真界面

二維DCS仿真界面和三維現(xiàn)場(chǎng)仿真界面之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞。

（3）仿真管理功能，實(shí)現(xiàn)仿真的運(yùn)行、暫停、停止、速度設(shè)定等功能；

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

圖5 趨勢(shì)曲線界面

（5）工況存取功能，可保存當(dāng)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(duì)組的各種操作，包括創(chuàng)建組、結(jié)束組、加入組、離開組，實(shí)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(wù)邏輯層

對(duì)瀏覽器發(fā)送的用戶操作請(qǐng)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(shè)備原理模型、流網(wǎng)模型和物性計(jì)算模型，負(fù)責(zé)整個(gè)工藝流程的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，以用戶對(duì)閥門和設(shè)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(shù)；

（2）組管理模塊，處理用戶對(duì)組操作的請(qǐng)求；

（3）趨勢(shì)管理模塊，處理用戶查看實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線的請(qǐng)求；

（4）工況管理模塊，處理用戶保存工況或讀取工況的請(qǐng)求；

（5）通訊接口模塊，實(shí)現(xiàn)了OPCUA標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，可與其他自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)接，對(duì)仿真工藝進(jìn)行控制。

2.3　數(shù)據(jù)層

負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，用于存儲(chǔ)業(yè)務(wù)邏輯層各模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并為業(yè)務(wù)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(shì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表等。

3　仿真系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)顯示，通過AJAX技術(shù)與WEB服務(wù)器進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)界面的異步更新。用戶的仿真操作請(qǐng)求，使用GET或POST請(qǐng)求類型，封裝成XMLHttpRequest對(duì)象，以HTTP協(xié)議的方式發(fā)送到WEB服務(wù)器。仿真操作請(qǐng)求來自二維DCS仿真交互界面中的可操作輸入點(diǎn)，主要包括各閥門和設(shè)備的模擬量和開關(guān)量輸入。WEB服務(wù)器接收到仿真操作請(qǐng)求，解析出其中的仿真操作信息數(shù)據(jù)，然后交給業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行處理，處理完畢后將響應(yīng)數(shù)據(jù)返回給二維DCS仿真交互界面，并且只對(duì)二維DCS仿真交互界面的局部進(jìn)行更新。

趨勢(shì)曲線展示，由基于Javascript的數(shù)據(jù)可視化圖表庫Echarts實(shí)現(xiàn)。

3.2　三維現(xiàn)場(chǎng)仿真界面

三維現(xiàn)場(chǎng)仿真的交互界面在客戶端瀏覽器中以HTML5標(biāo)準(zhǔn)+WebGL標(biāo)準(zhǔn)顯示，通過Unity3D開發(fā)并發(fā)布為WebGL項(xiàng)目所生成。三維現(xiàn)場(chǎng)仿真交互界面中的JavaScript腳本通過調(diào)用GameObjects類中的SendMessage方法向Unity3D腳本發(fā)送消息，而Unity3D腳本通過調(diào)用Application.ExternalCall方法向三維現(xiàn)場(chǎng)仿真交互界面中的JavaScript發(fā)送消息，從而實(shí)現(xiàn)三維現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)仿真交互界面之間，通過HTML5標(biāo)準(zhǔn)所支持的localStorage本地存儲(chǔ)方式進(jìn)行寫入和讀取，實(shí)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(shí)現(xiàn)。組管理模塊，包括創(chuàng)建組、結(jié)束組、加入組和離開組等子模塊，負(fù)責(zé)生成組ID和組名稱等信息，管理當(dāng)前用戶的組狀態(tài)，控制仿真模塊的啟動(dòng)和運(yùn)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(qǐng)求，WEB服務(wù)器調(diào)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(shí)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(qǐng)求，WEB服務(wù)器調(diào)用加入組模塊，在數(shù)據(jù)表中查詢?cè)摻M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(shí)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(qǐng)求，WEB服務(wù)器調(diào)用離開組模塊，將用戶的登錄信息數(shù)據(jù)表中所關(guān)聯(lián)的組ID還原為默認(rèn)值。

結(jié)束組：由組創(chuàng)建者在仿真交互界面中發(fā)送結(jié)束請(qǐng)求，WEB服務(wù)器調(diào)用結(jié)束組模塊，將用戶的登錄信息數(shù)據(jù)表中所關(guān)聯(lián)的組ID還原為默認(rèn)值，同時(shí)將結(jié)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(qǐng)求，WEB服務(wù)器收到請(qǐng)求后，啟動(dòng)仿真模塊并開始迭代運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)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(yùn)算結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞給數(shù)據(jù)庫，組成員從數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)讀取運(yùn)算結(jié)果并在各自的仿真交互界面中進(jìn)行更新。

仿真模塊運(yùn)行過程中，每個(gè)組成員在仿真交互界面上進(jìn)行的操作請(qǐng)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(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，然后再按原來的時(shí)間順序讀取、傳遞給仿真模塊作為輸入進(jìn)行迭代運(yùn)算處理。即在多人協(xié)同操作模式下，每個(gè)組成員通過數(shù)據(jù)庫共享同一個(gè)仿真模塊的運(yùn)算結(jié)果，仿真模塊由組創(chuàng)建者調(diào)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(wù)器端通過PHP腳本的com類進(jìn)行訪問調(diào)用。

3.5　數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

使用MySQL設(shè)計(jì)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(shì)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(shí)時(shí)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(dòng)時(shí)間、關(guān)聯(lián)組ID等。歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)表的字段包括數(shù)據(jù)ID、關(guān)聯(lián)用戶ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)寫入時(shí)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(shí)間、當(dāng)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(guān)聯(lián)用戶ID）、操作信息類型、操作對(duì)象位號(hào)、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(shù)據(jù)表的字段包括數(shù)據(jù)ID、關(guān)聯(lián)組ID、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)狀態(tài)等。

4　結(jié)論

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

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

（2）二維DCS仿真和三維現(xiàn)場(chǎng)仿真相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳遞，可模擬實(shí)際生產(chǎn)中中控操作和現(xiàn)場(chǎng)操作的協(xié)作配合；

（3）二維DCS仿真和三維現(xiàn)場(chǎng)仿真均發(fā)布為網(wǎng)頁形式，用戶僅需通過瀏覽器即可訪問，可隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)與培訓(xùn)；

（4）仿真系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)邏輯都運(yùn)行在WEB服務(wù)器端，對(duì)客戶端計(jì)算機(jī)的硬件要求較低，并且升級(jí)維護(hù)過程方便高效，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(xiàn)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?yàn)榱鞒坦I(yè)仿真模擬。

李明黨（1979-），男，山東省濟(jì)寧人，教授級(jí)高工，碩士，現(xiàn)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?yàn)榱鞒坦I(yè)智能優(yōu)化控制和數(shù)字孿生技術(shù)。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月