工业企业可视化锅炉仿真培训系统设计与实现

乔辉　刘莹　游冰　郑玄

摘要：为解决卷烟厂动力车间锅炉维修培训中普遍存在着的培训形式枯燥单一、缺乏交互性等问题，以典型的WNS型燃气锅炉为例，设计并实现了一个基于建筑信息模型（BIM）技术和虚拟现实（VR）技术的卷烟厂动力车间可视化锅炉维修培训系统。研究设计了系统总体架构，阐述了平台系统组成并进行了系统业务流程设计。使用BIM设计软件Revit构建动力车间场景模型，使用Solidworks构建WNS型燃气锅炉设备模型，利用3D MAX软件进行模型美化和轻量化处理，在Unity3D软件中进行交互逻辑编程。实践应用表明，该培训系统能够满足对卷烟厂动力车间员工进行锅炉日常操作和维修保养模拟培训的要求，培训效果也得到显著提高。

关键词：虚拟现实;WNS型燃气锅炉;模型美化和轻量化处理;模拟培训

中图分类号：TP391.9  文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）04-0031-05

Design and Implement of the Visual Simulation Training System

for Boilers in Industrial Enterprises

QIAO Hui， LIU Ying， YOU Bing， ZHENG Xuan

（Industrial and Intelligent Center， SIPPR Engineering Group CO.， Ltd，  Zhengzhou 450007， China）

Abstract：At present， the current training forms of boiler maintenance training in the power plant of the cigarette factory are boring and lack of  interactivity.In this paper， a visual simulation training system based on Building Information Model technology （BIM） and Virtual Reality （VR） technology for boilers in the power plant of cigarette factories was designed and implemented ， taking a typical WNS gas boiler as example. The overall architecture of the system was designed， and the composition of the platform system was explained and the system business process was designed. BIM design software Revit was used to build the power plant scene model， the WNS gas boiler equipment model was built with Solidworks， the 3D MAX software was used for model beautification and lightweight processing， and programmer interactive logic was implemented in Unity3D software. The practical application shows that the visual boiler simulation training system of the cigarette factory designed in this paper can meet the requirements of boiler daily operation and maintenance simulation training for the power plant staff of the cigarette factory， and improve the training effect.

Keywords：Virtual Reality; WNS gas boiler; model beautification and lightweight processing; simulation training

鍋炉作为一种危险性大、技术含量高、应用范围非常广泛的复杂系统，要求锅炉操作人员和管理人员不仅具备良好的技术水平，还需要很高的操作熟练程度[1]。卷烟厂动力车间总管全厂能源供给，地位十分重要。锅炉是动力车间中的主要供能设备，设备操作要求高，维护保养人员数量多。但是，国内卷烟厂动力车间操作人员的教育培训工作普遍没有及时跟进[2]。设备操作人员是最接近设备的人，他们充分掌握着设备的各种运行习性和运行规律，对设备运行的优劣起着至关重要的作用。所以，如何利用最新先进技术，提高操作人员的职业素养和技能水平对于提高卷烟厂动力车间设备精益管理水平至关重要。

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）作为一种新型的计算机仿真系统，使用计算机生成一种虚拟环境，通过多种虚拟现实设备，使用户可以沉浸到一个虚拟环境中，和虚拟环境中的物体进行交互，产生身临其境的感觉[3]。

建筑信息模型技术（Building Information Modeling，BIM）已经广泛应用于卷烟厂建设中[4]，并结合VR技术开始在卷烟厂设施运维方面进行探索[5]。本文将BIM技术和VR技术应用到动力车间锅炉的虚拟维修培训中，设计并实现了一套面向卷烟厂动力车间的可视化锅炉仿真培训系统（以下简称培训系统）。然后基于某卷烟厂动力车间BIM模型构建真实全尺寸动力车间环境，对锅炉内部结构模型按照真实尺寸进行部件级建模，并对模型进行渲染，保证模拟培训场景和员工实际工作环境保持一致。通过佩戴穿戴式虚拟现实设备，受训人员可以从任何角度观察车间及锅炉的全部构造，沉浸式体验锅炉设备运行原理和操作过程。

1 培训系统总体架构设计

培训系统重点以动力车间常用的WNS型燃气锅炉为研究对象，通过组件级建模构建锅炉内部结构，支持受训人员进行动力车间可视化漫游巡视及锅炉维护保养模拟操作，同时会对模拟操作结果进行分析评估。该系统可模拟卷烟厂动力车间实际作业环境，还可对操作人员的操作进行评估，从而提高培训效率，增强培训效果，降低实际作业过程中发生误操作的风险概率。

1.1 系统组成

系统功能模块包括：

1）场景渲染（包括动力车间虚拟场景、WNS虚拟锅炉）;

2）虚拟车间巡视（包括动力车间虚拟空间室内漫游、视角切换）;

3）

虚拟操作界面（包括WNS型燃气锅炉结构展示、原理展示、设备操作、检修保养、事故处理）;

4）后台数据库（包括锅炉拆装结构数据、作业流程数据、日志、用户信息）。

用户通过VR交互设备向系统传递操作命令，系统根据当前状态判断用户操作意图，执行操作命令，系统执行运算后将执行结果反馈给用户。系统交互流程如图1所示。

1.2 开发及运行环境

培训系统基于Unity3D 5.6.4版本进行开发，三维建模软件采用Revit，模型处理软件采用3D MAX，开发语言采用C#语言，发布平台是Win10系统。系统运行环境软件包括：培训平台，后台数据库和VR资源库等。硬件包括HTC VIVEVR头戴式设备、高性能电脑、显示大屏、定位器三角支架辅助设备等，培训系统通过HTC VIVE设备进行交互操作和可视化内容展示。

2 培训系统详细设计

2.1 设备建模

为满足在虚拟现实环境中进行动力车间锅炉设备模拟仿真培训的要求，本文把WNS型燃气锅炉设备建模分为几何建模、结构建模和流程建模3部分，分别满足可视化展示、结构拆解、运行模拟和维修保养虚拟交互模拟的要求。几何建模主要包括设备的物理特性建模，比如形状、尺寸、材质等;结构建模主要包括进行爆炸图变化的锅炉组件结构建模;流程建模主要包括正常作业、维护保养、异常事故处理交互流程建模。WNS设备几何模型、结构模型和交互流程模型（以开炉为例）分别如图2、图3、表1所示。

2.2 场景建模

本文选用BIM设计软件Revit作为动力车间场景建模软件，选用3D MAX作为模型美化和轻量化处理软件，选用Unity3D作为场景环境处理软件，建模流程如图4所示。

首先，根据某卷烟厂动力车间实际竣工图纸，构建动力车间设计模型，包括建筑、结构、管道等专业模型，如图5所示。

在完成设计模型构建后，现场采集模型素材，如门窗、外墙、内墙、管道等;将设计模型导入到3D MAX软件中，利用减面插件进行轻量化处理，然后利用现场拍摄的材质照片对模型进行纹理贴图渲染，如图6所示。

最后，将动力车间环境模型与锅炉设备模型在Unity3D软件中进行合并，设置天空盒、太阳光和室内光等环境要素，进行烘焙渲染，固化光影效果，最终完成动力车间场景模型构建，如图7所示。

2.3 系统功能设计

如图8所示，培训系统主要包括动力车间展示、锅炉结构拆解、锅炉燃烧过程、锅炉水循环、锅炉开炉停炉、锅炉维修保养和锅炉事故处理7个模块。

动力车间展示可以让用户在虚拟场景中任意移动，对动力车间的结构和设施进行浏览。

锅炉结构拆解提供锅炉手动拆装和自动拆装两种模式，并对锅炉各个结构功能进行描述，引导用户学习锅炉的结构组成。

锅炉燃烧过程展示锅炉内部结构，使用火焰和蒸汽等特效直观演示锅炉三回程的燃烧过程。

锅炉水循环展示锅炉内部上升管和下降管中，不同状态的水循环过程。

锅炉开炉停炉，按照锅炉正常开炉停炉操作流程，按照步骤引导用户操作，使用动画和特效等方式，当用户操作之后给予反馈，设置操作指示面板，当前步骤操作完成之后提示下一步操作，直到操作流程結束。

锅炉维修保养，按照维修周期划分为不同的维修模块，用户自主选择需要学习的维修保养模块进行学习。

锅炉事故处理模拟了锅炉发生缺水事故时的事故现象和事故处理流程。

3 培训系统实现及应用

3.1 虚拟操作交互开发技术路线

培训系统对动力车间锅炉结构拆解、运行原理、日常操作、维修保养和事故处理过程进行仿真模拟。如图9所示，本文基于Redis构建本地数据库，利用C#语言定义数据访问接口，基于JSON语言定义传递数据结构，通过C#语言和JavaScript语言编写业务交互脚本，实现动力车间虚拟场景与仿真培训系统的交互连接。

3.2 虚拟操作交互功能实现

根据上文2.3所述，培训系统主要包括动力车间展示、锅炉结构拆解、锅炉燃烧过程、锅炉水循环、锅炉开炉停炉、锅炉维修保养和锅炉事故处理7个模块。如图10所示，本文设计了漫游模块和仿真模块实现虚拟操作交互主要功能，其中漫游模块包括角色控制和视角切换，仿真模块包括锅炉拆解过程仿真、锅炉燃烧过程仿真、锅炉水循环过程仿真、锅炉作业过程仿真。

场景漫游模块如图11所示，在地面设置传送点，用户移动到传送点即可实现场景切换。在动力车间虚拟场景中用户可以自由切换视角，可以从任何角度查看动力车间内部环境和锅炉设备模型。

锅炉结构拆解模块如图12所示，将锅炉按照拆解组装工艺要求，使用XML文件配置零件自动拆解顺序和拆解移动坐标，用户可随时修改拆解流程。

锅炉燃烧过程模块如图13所示，根据锅炉内部燃烧过程原理[6]，将锅炉内部分为3个回程，使用动画和特效等方式进行演示，用户在操作面板上自主选择需要观看学习的回程，点击相应的按钮，即可对锅炉内部工作原理进行学习。

锅炉水循环过程如图14所示，按照锅炉内部工作时，自然循环锅炉的工作原理[7]，将锅炉内部水分为上升管和下降管，使用户直观地观察锅炉内部水循环过程。

锅炉作业操作模块如图15所示，包括开炉停炉、维修保养和故障处理模块，系统内部规定固定的操作流程[8]，用户必须按照正确的操作流程操作才能进行下一步操作，防止用户误操作，保证学习的正确性。

4 结束语

近年来，仿真培训广泛应用于航空、轨道交通[9]等行业，本文结合工业企业动力车间锅炉维修培训现状和实际生产作业需求，提出将BIM技术和VR技术应用到锅炉维修培训中，使受训人员可以在与实际工作环境基本一致的虚拟培训场景中进行模拟训练，增强了模拟培训场景的真实性，提高了受训人员对虚拟培训的认可度，因此有效提升了培训效果。同时，本文所设计的系统属于可交互软件系统，发布之后的产品，操作人员可以无限制地重复使用，并且可以有针对性地进行学习。通过在企业实际项目中进行应用实践，本文所设计的系统可以极大地降低培训成本，提高操作人员的学习积极性，减少学员学习时间，提高学员培训效率。

参考文献：

[1]徐通模，金定安，温龙. 锅炉燃烧设备[M].西安：西安交通大学出版社，1990.

[2] 刘龙涛. 动力车间精益设备管理模式实践[J]. 设备管理与维修， 2017（11）：7-8.

[3]赵蔚， 段红. 虚拟现实软件研究[J]. 计算机技术与发展， 2012， 22（2）：229-233.

[4] 范波. 卷烟厂建设中的BIM技术的应用[J]. 绿色环保建材， 2018， 141（11）：166，168.

[5]薛训明， 汪飞， 叶为全， 等. 基于虚拟现实的BIM在设施管理中的应用研究[J]. 电脑知识与技术， 2016（6）：257-259.

[6]馮俊凯，沈幼庭. 锅炉原理及计算[M].2版.北京：科技出版社， 1992.

[7]朱建宁， 周玉铭， 张晓鹏，等. 中低压自然循环锅炉水动力计算中的多解问题[J]. 动力工程学报， 1998（5）：36-39.

[8]林宗虎，张永照. 锅炉手册[M].北京：机械工业出版社，1994.

[9]冯永岗， 严云富. 基于三层C/S架构的地铁OCC环控调度仿真培训系统的设计[J]. 成都工业学院学报， 2013， 16（1）：31-33.

收稿日期：2019-04-28

第一作者简介：乔辉（1987—），男，高级工程师，硕士，研究方向：虚拟现实技术，电子邮箱：johnxiao2005@sina.com。