虛擬仿真軟硬件技術在實踐教學的應用與探索

李曉東, 曲本全, 陳 暉, 朱傳同, 陳永松, 韓俊騰, 趙冬旭, 孫源秀, 劉振東

(中國石油大學(華東) 石油工業訓練中心, 山東 青島 266580)

虛擬仿真軟硬件技術在實踐教學的應用與探索

李曉東, 曲本全, 陳 暉, 朱傳同, 陳永松, 韓俊騰, 趙冬旭, 孫源秀, 劉振東

(中國石油大學(華東) 石油工業訓練中心, 山東 青島 266580)

探討虛擬仿真實踐教學系統硬件設備和軟件平臺集成技術,以“學—練—測—試—評”培訓過程為主線,借助控制、虛擬現實、多媒體、數據庫和網絡等技術,在管路無介質的條件下,實現各種工況的設定、生產過程仿真再現、生產事故模擬。操作具有真實操作手感,訓練過程可控制、可記錄、可評價。系統集多種教學和實訓功能于一體，無需物料、沒有產物和副產物、維修簡單、節能、安全、環保,做到了生產現場與教室緊密結合,教、學、做同步展開。

虛擬仿真； 集成技術； 實踐教學

虛擬仿真實踐教學不僅能夠滿足常規實踐教學的需求,也能實現常規實踐教學難以完成的教學功能[1-3]。尤其是在高?；驑O端環境下的實踐教學,不可及或不可逆的操作,以及高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況下,虛擬仿真技術可以提供可靠、安全和經濟的訓練科目。結合現場實際,依托虛擬現實、仿真裝備、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術構建的虛擬仿真實踐教學平臺,能夠讓學生在工業生產虛擬仿真環境中開展實訓,提高工程實踐能力。虛擬仿真實踐教學系統不受設備、場所及環境的影響,有助于提高實踐教學效果[4-5]。

1 實踐教學中虛擬仿真的意義和實現的功能

將虛擬仿真技術引入實踐教學,是實踐教學手段和方法的創新與改革[6-7],是對真實實驗及實踐教學的有益補充。虛擬仿真能夠精確展現生產現場,實現各種工況的設定、生產過程仿真、生產事故模擬、安全應急演練、操作訓練過程,并可控制、可記錄、可評價,達到與真實現場一致的行為狀態、故障現象、處置操作過程、處理結果、視覺和聽覺感受。建設虛擬仿真實訓室對高等教育質量的提升和實踐教學改革的深化,具有積極而又深遠的影響[8-9]。

通過虛擬仿真實踐教學平臺,可以實現的功能包括:

(1) 使不可視、不可及的作業場景可視；

(2) 使不可控、不可逆的場景重復和再現；

(3) 使高風險、高污染作業變得安全環保；

(4) 使高成本、高消耗作業更經濟；

(5) 使工業大場面、復雜作業情景可縮放；

(6) 解決高危、高風險等行業的實踐教學難題；

(7) 結合傳統實踐教學,彌補設備不足、場地不足、學生實習時間不足等教學難題。

2 虛擬仿真實踐教學系統的構成

虛擬仿真實踐教學依托虛擬現實、仿真裝備與多媒體等技術,融合多種互動硬件與數據庫,對生產工藝流程的各個真實環節進行虛擬仿真,通過虛擬仿真與現實相結合的教學特色,形成了特有的教學體系[10-12],如圖1所示。

該體系立足于國家高等工程教育要求和行業特色,在理論與實踐、虛擬與現實、教室與現場、教學與科研、校內與校外融合的基礎上,以仿真實踐實訓教學平臺為依托,按照基礎認知、虛擬現實仿真操作、虛實結合仿真操作、現場實踐實訓4個訓練層次,對生產過程進行認知和實踐,切實提高了學生的實踐能力與創新精神。

圖1 虛擬仿真實踐教學體系設計

系統建立了與生產過程一致的典型工藝流程仿真物理模型,再現生產現場的實際情況,通過改造部分硬件和配置相關儀表儀器、開發專用軟件,在管路無介質的前提下全真模擬,實現了各種工況的生產操作、故障處理、操作過程記錄和考核。

針對以上系統功能實現,可將系統劃分為硬件模塊(包括仿真閥門、儀表等)、基于機理建模的底層數據模擬模塊、控制模塊、三維視景仿真模塊及數據庫等5個模塊。

3 虛擬仿真實踐教學平臺集成技術框架設計

根據虛擬仿真實踐教學內容及技術需求,分析了系統各單元的功能及相互關系,將系統總體構架設計為6層,即流程對象層、仿真儀表層、控制層、數據服務層、支撐層、應用層,如圖2所示。

(1) 流程對象層。依托典型生產現場真實環境,使用微縮的現場生產設備和工藝模型,建立仿真生產流程訓練場地,將其作為培訓學生的操作對象。

(2) 仿真儀表層。對生產現場真實的儀表或閥門進行改造,將各工藝過程操作反饋到控制系統,在沒有真實物料的情況下,按照實際生產數據模擬現場儀表的顯示和操作。

(3) 控制層。充分利用網絡技術,將現場采集的信號傳至操控室,對信號進行處理，將信號轉變為計算機可接收的數據,建立控制邏輯,補全工藝中的過程控制內容,向數據服務層提供數據并將回傳的數據進行下發。

(4) 數據服務層。數據服務層為系統提供數據和資源服務。數據服務是根據實際生產數據建立數學模型,系統采集現場或軟件界面的操作動作,并依據數學模型進行后臺數值模擬運算,再將得出的參數下發到設備儀表或軟件界面,模擬真實儀表的顯示功能。數據還能跟蹤設備操作、驅動三維模型、實現真實設備運行。數據服務是系統的核心,現場培訓操作與仿真軟件系統的數據交互主要通過數據服務器實現。在數據服務層,還提供基礎信息、基礎知識資源、操作訓練資源和考核資源。

(5) 支撐層。支撐層是支撐整個應用的基礎,包括:①基于機理建模的底層數據模擬系統,根據實際生產數據建立數學模型,實現底層數據的模擬運算；②控制軟件,實現生產數據的采集與上傳,控制室參數實時監測、設備操作、遠程控制等功能；③三維視景仿真系統,實現場景3D模擬、漫游巡檢、生產操作、風險源點識別、故障模擬、應急演練等；④信息管理學習系統,實現信息的管理與理論學習功能；⑤數據庫系統,存儲和管理整個系統的數據。

(6) 應用層。主要是將操作訓練過程在計算機桌面上予以呈現,包括操作、數據、現象等,是管理人員、教師、學生進行人機交互的平臺。它也是管理調度平臺和教學平臺。

圖2 總體結構圖

4 系統實現的關鍵技術

仿真系統表現為硬件系統更直接、感觀更生動、更逼近真實,軟件系統操作簡單方便、數據模型更精確、系統功能更強大等特點。在系統無介質的情況下,軟硬件相互補充,使整個系統更加準確、逼真。

4.1 硬件系統的關鍵技術

建立與石油化工生產現場設備材質、結構、尺寸、外觀等方面一致的工藝系統,由于虛擬仿真系統沒有介質流動,無法通過物料提供傳感部件所需要的物性參數以還原現場真實狀況,所以需要對閥門、儀表進行改造。

(1) 閥門的改造。通過對不同類型的閥門(普通多圈閥門、90°開關閥門、電動閥門、氣動閥門、安全閥等)安裝開度計,采用不同的方法實現閥門信號的無級感知。

(2) 儀表的改造。根據現場工藝操作情況,通過系統仿真數學模型計算,利用DCS反饋信號作為數據來源進行儀表改造。改造后的儀表實現與實際現場操作相匹配的數值顯示,還原真實生產現場。

4.2 軟件系統的關鍵技術

虛擬仿真軟件主要包括控制軟件、底層數據模擬軟件、三維視景仿真軟件、信息管理學習軟件和數據庫系統,采用基于機理建模的底層數據模擬、數據驅動場景模型、基于組態模塊化的三維交互等關鍵技術。

4.2.1 基于機理建模的底層數據模擬技術

由于虛擬仿真系統無流動介質,在操作培訓過程中無法產生與現場一致的物理、化學參數,因而需要建立一套基于連續介質流動的數學模型。該數學模型應支持流體動力學、熱力學等的數據動態計算,通過感知現場操作,進行動態數值模擬,動態模擬工業現場不同時刻的各種流態以及數值變化；要與第三方軟件進行無縫對接,接收來自第三方軟件的閥門、泵等數據,經過數據模型仿真計算后,向第三方軟件傳送壓力、溫度、流量以及液位等仿真值,實現動靜態模型系統物理參數仿真,達到與現場基本一致的操作結果。

4.2.2 數據驅動場景模型技術

實物仿真教學培訓裝置雖然具備完整的生產現場操作環境,但無法表現一些故障及其機理。從教學角度出發,設置了3D同步跟蹤功能(見圖3),建立數據與場景模型的通信接口,通過實時感知系統參數的變化,并根據變化情況動態跟蹤操作產生的結果,如閥門轉動、設備故障、事故等,作為教學的重要輔助部分，使教學培訓更加直觀、形象,增強沉浸和現實感。三維場景除具備數據交互功能外,還具備漫游、快速定位、環境設置、速度設置、風險源識別等功能。

圖3 三維同步跟蹤界面

4.2.3 基于組態模塊化的三維交互技術

三維交互系統基于組態模塊化研究,主要包括三維交互操作系統、三維場景編輯系統和三維交互編輯系統。

三維實時仿真軟件虛擬場景與真實場景的布置及設備完全一致,具有離線教學、離線模擬操作的功能?，F場操作、離線操作與場景仿真保持同步,能夠展現各操作后的情景,不但形象逼真,而且配有音效。

(1) 三維交互操作系統。為了滿足不同生產崗位及不同情況的培訓需要,三維交互操作系統提供了3種培訓方式——單人單角色培訓、單人全角色培訓和多人多角色培訓。針對3種培訓方式,系統又提供了3種不同的模式——引導模式培訓、正常模式培訓和考核模式培訓。三維交互操作系統為學生的培訓提供了完善、高效、仿真的教學培訓平臺。

(2) 三維場景編輯系統。將工藝流程、閥門、人物、建筑等不同的模型組態化,可以根據不同三維環境,實現與生產現場一致的場景自主構建及編輯。

(3) 三維交互編輯系統?？梢愿鶕嶋H生產工藝和操作流程,實現不同工藝操作下三維交互流程的制作及修改,其操作系統界面如圖4所示。

圖4 三維交互編輯系統界面

5 結語

系統在管路無介質的條件下,充分考慮每個子系統的功能設計,通過軟硬件的無縫連接,全真模擬了石油化工工業生產過程。學生通過配置、連接、調節和使用虛擬仿真設備進行實踐實訓,實現了在生產現場難以實現的操作訓練,滿足了開放實訓、自主遠程實訓和師生互動交流的要求,強化了學生的工程實踐能力的培養,提升了實踐教學的信息化、智能化管理水平,取得了良好的應用效果。關于虛擬仿真技術的研究還在不斷深入,并會產生新理論和新技術。高校的實踐教學也要及時跟進,讓虛擬仿真技術在工程技術人才培養中發揮更大的作用。

References)

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[12] 趙能.虛擬仿真技術在建筑設計中的應用研究[D].長沙:長沙理工大學,2009.

Exploration and application of hardware and software technology of virtual simulation in practical teaching

Li Xiaodong, Qu Benquan, Chen Hui, Zhu Chuantong, Chen Yongsong, Han Junteng, Zhao Dongxu, Sun Yuanxiu, Liu Zhendong

(Oil Industry Training Center,China University of Petroleum (Huadong), Qingdao 266580,China)

The integrated technology about virtual simulation experimental teaching is introduced. The virtual simulation practical teaching system has a main line with learning, training, testing and evaluation. The productive process of petroleum industry is simulated based on control system, virtual reality, multimedia, database, network communication and so on. It is worth mentioning that the pipe is empty, but students can have the real operational feeling. The system provides the functions including teaching and practical training. All operations can be truly carried out without any consumption and waste. It has some advantages, such as easy maintenance, energy saving, safety and environmental protection. The production field and classroom are melt into the virtual simulation experimental teaching.

virtual simulation； integrated technology； practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.033

2016-10-14

李曉東(1962—),男,安徽合肥,學士,高級工程師,工業訓練中心常務副主任,主要研究方向為虛擬仿真技術的實踐教學應用.

TP391.9；G642.44

B

1002-4956(2017)3-0130-04