石化装置三维仿真实训系统研究

李 磊

(中国石化青岛安全工程研究院 山东 青岛 266100)

0 引 言

石油化工行业是国民经济发展的基础工业和支柱产业之一,但是石油化工企业生产危险性极大,极易发生事故。随着石油化工技术的迅速发展,石化从业人员工整体素质和水平对企业的生存和发展越来越重要。研究发现,85%以上的事故原因是由人的不安全行为引起的[1]。多年的事故统计表明,一件事故发生之前已经重复发生了上百次的不安全行为,大量的不安全行为增加了事故发生概率,如何行之有效地杜绝人的不安全行为一直困扰着石化企业[2-3]。为降低不安全行为发生率,亟需建立一种面向石化装置高效率、可复用的员工培训方法和系统。

国外科研单位较早开展了三维技术在安全仿真演练方面的应用探索。英国Colt Virtual Reality公司设计了一套功能强大的Vegas系统,其采用三维图形的方式模拟了在火灾时的人员疏散状况,模拟场景与真实情况具有较高的相似度,该系统还可进行消防人员灭火救援,及对地铁、港口等典型建筑物发生火灾救援演练。CFAI等公司共同研制了“F.L.R.E.S”软件,并在火灾源模拟以及消防演练中得到了较多的应用。英国诺丁汉大学的课题组在化工安全领域投入了较大的精力,并根据其实际的业务需要构建了SafeVR系统,使其能够有效地应用到化工安全培训领域中,用户可以对不同类型的险情进行定义,并根据具体的险情选择正确的处理方式。挪威Christian Michelsen研究院为Statoil和Norsk Hydro公司研究项目“为石油、天然气和过程工业提高安全性”(Improved Safety for the Oil,Gas,and Process Industry)中将可视化技术、险情模拟等有效地结合,并对操作人员进行高效培训,从而提升企业的安全生产水平。比利时Vrcontext公司为Shell的Bonga海上采油项目建立了三维物理模型和虚拟事故场景。Eon Reality公司与Exxon Mobil、BP、Saudi Armco等石化企业合作,利用先进的虚拟现实技术为企业开发了标准化操作培训及隐患治理等方面的研究工作。

石化装置的工艺操作与应急处置操作业务专业性较强,现有培训方式多为教材式讲解学习,培训手段单一,培训效率及效果普遍不高[4]。另一方面石化装置事故发生概率较小,受训者对事故异常应急处置普遍认知不足。将石化装置工艺操作和开/停工操作业务内容进行梳理,借助计算机及虚拟仿真技术,开发一套知识学习与考核相结合的三维仿真实训系统,真实还原生产装置现实场景、工艺生产过程、设备工作原理,参训人员再根据工作岗位操作规程做出正确的操作和处置,能够直观、全面、可反复训练,从而达到增强员工安全意识、提升安全技能,强化应急处置能力、提高培训效率目的。

1 三维仿真实训系统整体设计

根据石化装置培训业务需求,将三维仿真实训系统设计为四个子模块,如图1所示,分别是:用于石化装置基础数据组织优化和管理、三维数字化模型显示和操作的三维数字化工厂子模块;用于装置工艺流程、开/停工、应急处置三维动态模拟的工艺流程仿真子模块;用于典型石化设备信息检索、设备结构和工艺原理仿真的设备三维仿真子模块;用于交互式工艺流程、开/停工和应急处置模拟考核的交互式考核子模块。

图1 系统整体结构

(a) UV正向 (b) UV反向图3 流体贴图效果设置

系统架构设计层面,根据基础数据、三维引擎、石化业务分离的原则,根据将系统的架构分为四层结构,分别是数据层、渲染与控制层、业务层和应用展示层。四层结构设计保持了系统的高内聚低耦合性,系统在统一的数据基础上根据石化装置特点,在业务层和应用展示层表现出不同。

业务流程方面通过建立石油石化企业地理信息、环境信息、生产装置、设备、应急物资、消防力量等企业设施的三维数字化工厂模型,基于自开发自封装的石化三维实时培训引擎,开发石化装置培训课程,实现工艺流程模拟、开/停工操作模拟、应急处置模拟、重点设备结构和原理的三维实时培训与交互考核。

2 关键技术

2.1 工艺流程可编辑逻辑控制

工艺流程实训课程的编辑开发不完全依赖于固定模型、固定脚本,根据工艺流程仿真子模块的业务结构,将其逻辑控制进行抽象,利用插件式逻辑控制方法,基于外部配置文件,实现逻辑控制可扩展、可编辑设计,使其逻辑结构清晰、扩展性强,并实现配置文件的权限内自由读写功能。

外部配置文件采用可扩展标记语言[5-6]格式文件对工艺流程的相关参数进行控制,并且能在系统运行过程中进行读写,编辑的课程方案与操作系统、编程语言的开发平台都无关,能够实现不同系统之间的数据交互的特点。外部可编辑工艺流程逻辑控制文件如图2所示。实现的工艺流程逻辑控制包括:(1) 利用外部脚本可保存、调整单体管线的工艺流程动画播放启动、关闭、暂停、速度、方向等参数及纹理属性;(2) 根据PID图可设置管线之间的先后播放顺序,调整管线之间的连接关系,包括前后、分裂、合并等逻辑关系;(3) 设置管线播放期间的触发事件,包括视点相机跳转、UI显示、模型高亮等。

2.2 基于UV液体流动仿真模拟

工艺流程液体流动仿真以不同的颜色和流动纹理外观表示管道中不同流体的种类,流经关键位置时,会触发闪动的高亮提示和视点切换,直观地对工艺流程进行展示。

UV控制是以动态修改物体贴图UV坐标的方式,使物体表面贴图产生动态变化,使用者通常用其渲染水的流动、背景动画等变化场景。

UV控制主要应用于工艺操作部分的管线流动效果的展示。由于管道数量众多并且有复杂的支线管道,使得系统开发工作量很大。针对这一部分工作,采用了基于UV坐标的Fluid插件来实现系统基本功能。Fluid插件是通过脚本来控制物体的贴图UV坐标,通过设置各物体贴图移动的起始时间和时间间隔来实现各段管道的无缝衔接。

2.3 三维模型优化技术

2.3.1三维模型构建优化技术

三维模型在Unity3D使用开发过程中,由于显示场景内容的变化会引起物体的多边形数量增多现象,会导致加载速率降低,影响系统整体性能。通过采用多边形减面算法,在保证模型质量的同时,减少软件运行期间的多边形面数来降低模型的复杂度,简化模型有效避免了对软件运行速率的影响。该算法可以较好地保证模型的几何特性的正确反映,实现高逼真的、实时的、高鲁棒性的建模技术。

模型简化领域大多数比较好的技术都类似于Hoppe的渐进网格算法的改进和变形[7-8]。该算法通过重复地使用一个简单的边坍塌操作来降低模型的复杂度。要产生效果比较好的低面模型,算法的难点在于需要正确地选择坍塌的边,能够在坍塌的时候最小程度地影响模型的视觉变化。本文采用的坍塌边理论优化算法能够在Unity3D软件运行阶段减少多边形面数的方法,同时可以保证生成的低面模型的质量。算法公式如下:

nnormal)÷2}}

(1)

式中:Tu为包含顶点u的三角形的集合;Tuv为同时包含顶点u和顶点v的三角形的集合;fnormal、nnormal为三角形法线。

可以看到,该算法在决定哪一条边坍塌的时候,对于面的曲率和大小做了平衡。

2.3.2三维空间的物体交互优化技术

三维场景需要和工艺仿真模型进行实时数据交互,因此在虚拟仿真系统中,处理物体交互问题时不但要确定是否发生碰撞和碰撞发生的位置,而且要解决实时性和精确性的问题。

本文提出一种层次包围盒交互算法对三维空间中的物体交互进行优化。层次包围盒法的核心思想是用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象。在进行物体交互时首先进行包围盒之间的相交测试。如果包围盒相交,再进行几何对象之间精确的物体交互,适用于复杂环境中的物体交互。通常,可以通过代价函数Ttotal来对不同包围盒的优劣进行分析:

Ttotal=Nb×Cb+Np×Cp+Nu×Cu+Nv×Cv+Cd

(2)

式中:Ttotal为对几何体相交测试的总代价;Nb为参与相交测试的包围盒对数;Cb为一对包围盒相交测试的代价;Np为参与相交测试的几何元素对数;Cp为一对几何元素相交测试的代价;Nu为包围对象移动后需要更新节点的包围盒个数;Cu为更新一个移动后的包围盒所需代价;Nv为包围盒旋转后需要更新的包围盒个数;Cv为更新一个包围盒旋转后需要的代价;Cd为对象发生变形后更新节点的包围盒所需代价。

3 系统功能实现与应用效果

3.1 三维数字化工厂模块

3.1.1三维数字模型构建

三维数字化模型包括石化企业地理信息、环境信息模型,以及石化装置、设备、应急物资、消防力量的设备、管线、监测点的立体层次的所有模型[9-11],其构建过程根据CAD图纸,按照实际和虚拟1∶1的尺寸比例搭建框架模型,并结合现场照片,利用3DS Max软件渲染出最终三维数字化模型。

3.1.2三维实训引擎开发

在VC.NET编译环境下,应用OpenGL开放式图形库实现石化装置三维实训系统引擎开发,并封装成ActiveX控件嵌入网络浏览器。三维实时培训系统引擎是系统的基础,负责实现、组织与管理三维数字化工厂的中三维模型[12-13],用于表现渲染用于仿真实训的三维数字化装置场景(效果如图4所示),实现系统中三维可视化、数据库管理、培训场景编辑、三维自由游历、信息查询等各种基础应用,同时提供三维实时培训系统二次开发的接口与工具。

图4 三维数字化装置效果

3.2 工艺流程仿真模块

工艺流程仿真模块能准确表达常规操作、应急操作后的工艺动态变化过程,实现工艺流程、开/停工及应急处置实时仿真模拟。针对实训针对装置内物料流向和流经设备的顺序,通过工艺流程的基本编辑(管线编辑与管线成组)、效果调整(选择贴图、选择介质颜色)、播放控制(时间序列动态控制)、播放效果提升(视点插入功能)等过程,实现虚拟现实技术对物料流动效果工艺流程的三维动态仿真模拟。

用心讲好国土故事（李风） ............................................................................................................................1-57

工艺流程与开停工仿真基础数据主要分为位置数据、颜色数据、贴图数据与控制信息。在绘制渲染过程中,首先使用CG Shader绘制三维效果,再使用视点信息、控制信息来控制管线流动及展示效果,最终工艺流程以三维渲染方式及视点转到效果展现出来。按照工艺流程仿真模拟逻辑顺序,工艺流程的仿真经过以下五个步骤,仿真实现时序如图5所示。

图5 工艺流程仿真时序

(1) 单向流程编辑。基于SHP数据的拓扑分析,通过菜单与鼠标双击操作为用户提供通过选择首位坐标构建单向流程的功能。

(2) 复杂流程编辑。将单向流程编辑的结果进行由数据向节点的转化,用户通过对话框操作,选择预合并的单向管线,从而根据坐标匹配,合成复杂多项管线的功能。

(3) 绘制控制效果。绘制控制效果向用户提供了通过对话框选择贴图路径从而加载不同贴图的功能。用户可以根据不同的展示需求,选择不同的贴图来展示三维流动效果。

(4) 流程视点插入。流程视点插入功能是通过在工艺流程暂停之时,获取当前工艺流程位置,并将此位置与固定视点相互关联,从而在下次播放之时可以进行位置判断,触发视点转到。

(5) 流程播放控制。工艺流程播放控制主要包含开始播放、预览、暂停、继续、停止等操作,这些操作通过控制工艺流程的按帧控制位置实现,增加工艺流程的可观赏性,并可以在播放过程中主动添加音视频。工艺流程仿真实现效果如图6所示。

图6 工艺流程模拟效果

3.3 设备三维仿真模块

设备三维仿真模块从装置基础数据库中获得模型及材质数据,对模型或材质进行上传、下载、浏览、管理、删除,也可以对模型相应的档案资料进行上传、查看、删除等,同时,拥有超级管理员权限的用户还可以对所有的权限进行管理。设备三维仿真模块主要功能:

(2) 设备基础信息三维展示。通过网络端ActiveX控件对三维模型进行浏览,实现模型进行拖动、缩放、剖切操作,在浏览过程中参加培训人员可开启半透模式、线框模式、旋转模式。

三维场景中可对装置中的典型设备进行快速定位与信息检索[14-16],检索方式有名称索引、流程图、信息列表及三维设备点击等多种方式,设备的基础信息仅包含设备位号、型号等文字类属性信息,不包含文档类内容。

(3) 设备结构和原理三维模拟。在设备三维结构模型基础上,利用3DS Max制作工艺原理视频,通过三维引擎对其内外部构造、设备结构剖析及工艺原理以三维可视化仿真的形式进行展示。设备结构剖析效果如图7所示,设备工艺原理展示效果如图8所示。

图7 设备结构模拟

图8 设备工艺原理模拟

3.4 交互式考核模块

参考培训人员通过操作虚拟角色,采用第一人称或第三人称视角的方式漫游整个场景,以主动参与的方式对三维装置三维生产场景中的关键设备设施进行交互控制,仿真操作模拟工艺流程,实现对装置工艺流程和开/停工操作的交互式考核。系统结构如图9所示。

图9 系统结构简图

可以看到,系统运行的核心是仿真服务器上运行的工艺仿真模型和应急处置模型等,三维服务器提供了仿真培训中不同角色与仿真服务器进行数据交互的通道。

工艺流程考核以局部工艺流程图为参照,实现二维流程图与三维操作之间的联动显示,以第一人称视角为准心表示当前视点所在的位置,并按网页端提供的实际操作步骤或大纲提示的内容进行相应状态的集成:通过阀门管理接口控制视点转到相应的阀门,并进行操作,通过触发器控制视点转到当前到达设备,并提供进行高亮、闪烁(红、绿)、半透接口等各种显示方式。

开/停工操作考核有单人及多人协作两种模式,所有参加培训人员通过控制各自的虚拟角色,以主动参与的方式(开关泵、开关阀门等)共同完成开停车操作的全部过程。开停工操作培训考核主要以外操操作为主,操作过程中涉及内操的内容将以文字、图片的方式进行简要说明。系统采用对场景模型进行交互控制、对关键知识点进行答题等方式,达到对开停工操作关键步骤、关键工艺状态及参数等内容进行考核的目的。考核成绩由系统进行记录并保存在基础数据库中,考核过程应具有多样性,系统可以对误操作、漏操作等异常操作进行判断与处理并展示可能出现的后果。

工艺考核时序如图10所示,工艺考核需要经过以下三个步骤。首先,用户开启考核之后,选择当前要操作的阀门。其次,在选中的阀门上方绘制阀门控制界面,通过对阀门界面的操作控制阀门的开启度,开启度正确,工艺流程被开启渲染。用户需要顺序选择所有阀门,对工艺过程中所有阀门进行开启、关闭操作。操作过程中,对不明确阀门位置的情况,允许帮助提示。最后,对考核试题进行回答,回答正确,考核结束。工艺流程交互式考核效果如图11所示。

图10 工艺考核时序

图11 工艺流程交互式考核

4 结 语

通过基于虚拟现实技术石化装置三维仿真实训技术研究,利用虚拟现实技术逼真地展示石化企业三维数字化工厂的生产场景,可模拟石化装置与生产现场一致的仿真场景,模拟生产工艺的各个操作环节,以及模拟不当操作可能带来的事故后果。同时系统对时空、内容、设备、角色等进行虚拟,创造一个开放化、互动式的培训与考核环境,受训员工能够在逼真、趣味性强而且安全的虚拟环境中方便地取得更多专业技能。石化装置三维仿真实训是一种可复用、高效率、低成本的新型柔性培训模式,满足信息时代人员培训的新要求,无论是在应用范围(广度、空间)、时间选择(宽度、时间),还是在培训的难易程度和绩效评价(深度、效度)上都有着其他培训方式所无法比拟的优越性。