石化裝置三維仿真實訓系統(tǒng)研究

李 磊

(中國石化青島安全工程研究院 山東 青島 266100)

0 引 言

石油化工行業(yè)是國民經濟發(fā)展的基礎工業(yè)和支柱產業(yè)之一,但是石油化工企業(yè)生產危險性極大,極易發(fā)生事故。隨著石油化工技術的迅速發(fā)展,石化從業(yè)人員工整體素質和水平對企業(yè)的生存和發(fā)展越來越重要。研究發(fā)現,85%以上的事故原因是由人的不安全行為引起的[1]。多年的事故統(tǒng)計表明,一件事故發(fā)生之前已經重復發(fā)生了上百次的不安全行為,大量的不安全行為增加了事故發(fā)生概率,如何行之有效地杜絕人的不安全行為一直困擾著石化企業(yè)[2-3]。為降低不安全行為發(fā)生率,亟需建立一種面向石化裝置高效率、可復用的員工培訓方法和系統(tǒng)。

國外科研單位較早開展了三維技術在安全仿真演練方面的應用探索。英國Colt Virtual Reality公司設計了一套功能強大的Vegas系統(tǒng),其采用三維圖形的方式模擬了在火災時的人員疏散狀況,模擬場景與真實情況具有較高的相似度,該系統(tǒng)還可進行消防人員滅火救援,及對地鐵、港口等典型建筑物發(fā)生火災救援演練。CFAI等公司共同研制了“F.L.R.E.S”軟件,并在火災源模擬以及消防演練中得到了較多的應用。英國諾丁漢大學的課題組在化工安全領域投入了較大的精力,并根據其實際的業(yè)務需要構建了SafeVR系統(tǒng),使其能夠有效地應用到化工安全培訓領域中,用戶可以對不同類型的險情進行定義,并根據具體的險情選擇正確的處理方式。挪威Christian Michelsen研究院為Statoil和Norsk Hydro公司研究項目“為石油、天然氣和過程工業(yè)提高安全性”(Improved Safety for the Oil,Gas,and Process Industry)中將可視化技術、險情模擬等有效地結合,并對操作人員進行高效培訓,從而提升企業(yè)的安全生產水平。比利時Vrcontext公司為Shell的Bonga海上采油項目建立了三維物理模型和虛擬事故場景。Eon Reality公司與Exxon Mobil、BP、Saudi Armco等石化企業(yè)合作,利用先進的虛擬現實技術為企業(yè)開發(fā)了標準化操作培訓及隱患治理等方面的研究工作。

石化裝置的工藝操作與應急處置操作業(yè)務專業(yè)性較強,現有培訓方式多為教材式講解學習,培訓手段單一,培訓效率及效果普遍不高[4]。另一方面石化裝置事故發(fā)生概率較小,受訓者對事故異常應急處置普遍認知不足。將石化裝置工藝操作和開/停工操作業(yè)務內容進行梳理,借助計算機及虛擬仿真技術,開發(fā)一套知識學習與考核相結合的三維仿真實訓系統(tǒng),真實還原生產裝置現實場景、工藝生產過程、設備工作原理,參訓人員再根據工作崗位操作規(guī)程做出正確的操作和處置,能夠直觀、全面、可反復訓練,從而達到增強員工安全意識、提升安全技能,強化應急處置能力、提高培訓效率目的。

1 三維仿真實訓系統(tǒng)整體設計

根據石化裝置培訓業(yè)務需求,將三維仿真實訓系統(tǒng)設計為四個子模塊,如圖1所示,分別是:用于石化裝置基礎數據組織優(yōu)化和管理、三維數字化模型顯示和操作的三維數字化工廠子模塊;用于裝置工藝流程、開/停工、應急處置三維動態(tài)模擬的工藝流程仿真子模塊;用于典型石化設備信息檢索、設備結構和工藝原理仿真的設備三維仿真子模塊;用于交互式工藝流程、開/停工和應急處置模擬考核的交互式考核子模塊。

圖1 系統(tǒng)整體結構

(a) UV正向 (b) UV反向圖3 流體貼圖效果設置

系統(tǒng)架構設計層面,根據基礎數據、三維引擎、石化業(yè)務分離的原則,根據將系統(tǒng)的架構分為四層結構,分別是數據層、渲染與控制層、業(yè)務層和應用展示層。四層結構設計保持了系統(tǒng)的高內聚低耦合性,系統(tǒng)在統(tǒng)一的數據基礎上根據石化裝置特點,在業(yè)務層和應用展示層表現出不同。

業(yè)務流程方面通過建立石油石化企業(yè)地理信息、環(huán)境信息、生產裝置、設備、應急物資、消防力量等企業(yè)設施的三維數字化工廠模型,基于自開發(fā)自封裝的石化三維實時培訓引擎,開發(fā)石化裝置培訓課程,實現工藝流程模擬、開/停工操作模擬、應急處置模擬、重點設備結構和原理的三維實時培訓與交互考核。

2 關鍵技術

2.1 工藝流程可編輯邏輯控制

工藝流程實訓課程的編輯開發(fā)不完全依賴于固定模型、固定腳本,根據工藝流程仿真子模塊的業(yè)務結構,將其邏輯控制進行抽象,利用插件式邏輯控制方法,基于外部配置文件,實現邏輯控制可擴展、可編輯設計,使其邏輯結構清晰、擴展性強,并實現配置文件的權限內自由讀寫功能。

外部配置文件采用可擴展標記語言[5-6]格式文件對工藝流程的相關參數進行控制,并且能在系統(tǒng)運行過程中進行讀寫,編輯的課程方案與操作系統(tǒng)、編程語言的開發(fā)平臺都無關,能夠實現不同系統(tǒng)之間的數據交互的特點。外部可編輯工藝流程邏輯控制文件如圖2所示。實現的工藝流程邏輯控制包括:(1) 利用外部腳本可保存、調整單體管線的工藝流程動畫播放啟動、關閉、暫停、速度、方向等參數及紋理屬性;(2) 根據PID圖可設置管線之間的先后播放順序,調整管線之間的連接關系,包括前后、分裂、合并等邏輯關系;(3) 設置管線播放期間的觸發(fā)事件,包括視點相機跳轉、UI顯示、模型高亮等。

2.2 基于UV液體流動仿真模擬

工藝流程液體流動仿真以不同的顏色和流動紋理外觀表示管道中不同流體的種類,流經關鍵位置時,會觸發(fā)閃動的高亮提示和視點切換,直觀地對工藝流程進行展示。

UV控制是以動態(tài)修改物體貼圖UV坐標的方式,使物體表面貼圖產生動態(tài)變化,使用者通常用其渲染水的流動、背景動畫等變化場景。

UV控制主要應用于工藝操作部分的管線流動效果的展示。由于管道數量眾多并且有復雜的支線管道,使得系統(tǒng)開發(fā)工作量很大。針對這一部分工作,采用了基于UV坐標的Fluid插件來實現系統(tǒng)基本功能。Fluid插件是通過腳本來控制物體的貼圖UV坐標,通過設置各物體貼圖移動的起始時間和時間間隔來實現各段管道的無縫銜接。

2.3 三維模型優(yōu)化技術

2.3.1三維模型構建優(yōu)化技術

三維模型在Unity3D使用開發(fā)過程中,由于顯示場景內容的變化會引起物體的多邊形數量增多現象,會導致加載速率降低,影響系統(tǒng)整體性能。通過采用多邊形減面算法,在保證模型質量的同時,減少軟件運行期間的多邊形面數來降低模型的復雜度,簡化模型有效避免了對軟件運行速率的影響。該算法可以較好地保證模型的幾何特性的正確反映,實現高逼真的、實時的、高魯棒性的建模技術。

模型簡化領域大多數比較好的技術都類似于Hoppe的漸進網格算法的改進和變形[7-8]。該算法通過重復地使用一個簡單的邊坍塌操作來降低模型的復雜度。要產生效果比較好的低面模型,算法的難點在于需要正確地選擇坍塌的邊,能夠在坍塌的時候最小程度地影響模型的視覺變化。本文采用的坍塌邊理論優(yōu)化算法能夠在Unity3D軟件運行階段減少多邊形面數的方法,同時可以保證生成的低面模型的質量。算法公式如下:

nnormal)÷2}}

(1)

式中:Tu為包含頂點u的三角形的集合;Tuv為同時包含頂點u和頂點v的三角形的集合;fnormal、nnormal為三角形法線。

可以看到,該算法在決定哪一條邊坍塌的時候,對于面的曲率和大小做了平衡。

2.3.2三維空間的物體交互優(yōu)化技術

三維場景需要和工藝仿真模型進行實時數據交互,因此在虛擬仿真系統(tǒng)中,處理物體交互問題時不但要確定是否發(fā)生碰撞和碰撞發(fā)生的位置,而且要解決實時性和精確性的問題。

本文提出一種層次包圍盒交互算法對三維空間中的物體交互進行優(yōu)化。層次包圍盒法的核心思想是用體積略大而幾何特性簡單的包圍盒來近似地描述復雜的幾何對象。在進行物體交互時首先進行包圍盒之間的相交測試。如果包圍盒相交,再進行幾何對象之間精確的物體交互,適用于復雜環(huán)境中的物體交互。通常,可以通過代價函數Ttotal來對不同包圍盒的優(yōu)劣進行分析:

Ttotal=Nb×Cb+Np×Cp+Nu×Cu+Nv×Cv+Cd

(2)

式中:Ttotal為對幾何體相交測試的總代價;Nb為參與相交測試的包圍盒對數;Cb為一對包圍盒相交測試的代價;Np為參與相交測試的幾何元素對數;Cp為一對幾何元素相交測試的代價;Nu為包圍對象移動后需要更新節(jié)點的包圍盒個數;Cu為更新一個移動后的包圍盒所需代價;Nv為包圍盒旋轉后需要更新的包圍盒個數;Cv為更新一個包圍盒旋轉后需要的代價;Cd為對象發(fā)生變形后更新節(jié)點的包圍盒所需代價。

3 系統(tǒng)功能實現與應用效果

3.1 三維數字化工廠模塊

3.1.1三維數字模型構建

三維數字化模型包括石化企業(yè)地理信息、環(huán)境信息模型,以及石化裝置、設備、應急物資、消防力量的設備、管線、監(jiān)測點的立體層次的所有模型[9-11],其構建過程根據CAD圖紙,按照實際和虛擬1∶1的尺寸比例搭建框架模型,并結合現場照片,利用3DS Max軟件渲染出最終三維數字化模型。

3.1.2三維實訓引擎開發(fā)

在VC.NET編譯環(huán)境下,應用OpenGL開放式圖形庫實現石化裝置三維實訓系統(tǒng)引擎開發(fā),并封裝成ActiveX控件嵌入網絡瀏覽器。三維實時培訓系統(tǒng)引擎是系統(tǒng)的基礎,負責實現、組織與管理三維數字化工廠的中三維模型[12-13],用于表現渲染用于仿真實訓的三維數字化裝置場景(效果如圖4所示),實現系統(tǒng)中三維可視化、數據庫管理、培訓場景編輯、三維自由游歷、信息查詢等各種基礎應用,同時提供三維實時培訓系統(tǒng)二次開發(fā)的接口與工具。

圖4 三維數字化裝置效果

3.2 工藝流程仿真模塊

工藝流程仿真模塊能準確表達常規(guī)操作、應急操作后的工藝動態(tài)變化過程,實現工藝流程、開/停工及應急處置實時仿真模擬。針對實訓針對裝置內物料流向和流經設備的順序,通過工藝流程的基本編輯(管線編輯與管線成組)、效果調整(選擇貼圖、選擇介質顏色)、播放控制(時間序列動態(tài)控制)、播放效果提升(視點插入功能)等過程,實現虛擬現實技術對物料流動效果工藝流程的三維動態(tài)仿真模擬。

用心講好國土故事（李風） ............................................................................................................................1-57

工藝流程與開停工仿真基礎數據主要分為位置數據、顏色數據、貼圖數據與控制信息。在繪制渲染過程中,首先使用CG Shader繪制三維效果,再使用視點信息、控制信息來控制管線流動及展示效果,最終工藝流程以三維渲染方式及視點轉到效果展現出來。按照工藝流程仿真模擬邏輯順序,工藝流程的仿真經過以下五個步驟,仿真實現時序如圖5所示。

圖5 工藝流程仿真時序

(1) 單向流程編輯。基于SHP數據的拓撲分析,通過菜單與鼠標雙擊操作為用戶提供通過選擇首位坐標構建單向流程的功能。

(2) 復雜流程編輯。將單向流程編輯的結果進行由數據向節(jié)點的轉化,用戶通過對話框操作,選擇預合并的單向管線,從而根據坐標匹配,合成復雜多項管線的功能。

(3) 繪制控制效果。繪制控制效果向用戶提供了通過對話框選擇貼圖路徑從而加載不同貼圖的功能。用戶可以根據不同的展示需求,選擇不同的貼圖來展示三維流動效果。

(4) 流程視點插入。流程視點插入功能是通過在工藝流程暫停之時,獲取當前工藝流程位置,并將此位置與固定視點相互關聯(lián),從而在下次播放之時可以進行位置判斷,觸發(fā)視點轉到。

(5) 流程播放控制。工藝流程播放控制主要包含開始播放、預覽、暫停、繼續(xù)、停止等操作,這些操作通過控制工藝流程的按幀控制位置實現,增加工藝流程的可觀賞性,并可以在播放過程中主動添加音視頻。工藝流程仿真實現效果如圖6所示。

圖6 工藝流程模擬效果

3.3 設備三維仿真模塊

設備三維仿真模塊從裝置基礎數據庫中獲得模型及材質數據,對模型或材質進行上傳、下載、瀏覽、管理、刪除,也可以對模型相應的檔案資料進行上傳、查看、刪除等,同時,擁有超級管理員權限的用戶還可以對所有的權限進行管理。設備三維仿真模塊主要功能:

(2) 設備基礎信息三維展示。通過網絡端ActiveX控件對三維模型進行瀏覽,實現模型進行拖動、縮放、剖切操作,在瀏覽過程中參加培訓人員可開啟半透模式、線框模式、旋轉模式。

三維場景中可對裝置中的典型設備進行快速定位與信息檢索[14-16],檢索方式有名稱索引、流程圖、信息列表及三維設備點擊等多種方式,設備的基礎信息僅包含設備位號、型號等文字類屬性信息,不包含文檔類內容。

(3) 設備結構和原理三維模擬。在設備三維結構模型基礎上,利用3DS Max制作工藝原理視頻,通過三維引擎對其內外部構造、設備結構剖析及工藝原理以三維可視化仿真的形式進行展示。設備結構剖析效果如圖7所示,設備工藝原理展示效果如圖8所示。

圖7 設備結構模擬

圖8 設備工藝原理模擬

3.4 交互式考核模塊

參考培訓人員通過操作虛擬角色,采用第一人稱或第三人稱視角的方式漫游整個場景,以主動參與的方式對三維裝置三維生產場景中的關鍵設備設施進行交互控制,仿真操作模擬工藝流程,實現對裝置工藝流程和開/停工操作的交互式考核。系統(tǒng)結構如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)結構簡圖

可以看到,系統(tǒng)運行的核心是仿真服務器上運行的工藝仿真模型和應急處置模型等,三維服務器提供了仿真培訓中不同角色與仿真服務器進行數據交互的通道。

工藝流程考核以局部工藝流程圖為參照,實現二維流程圖與三維操作之間的聯(lián)動顯示,以第一人稱視角為準心表示當前視點所在的位置,并按網頁端提供的實際操作步驟或大綱提示的內容進行相應狀態(tài)的集成:通過閥門管理接口控制視點轉到相應的閥門,并進行操作,通過觸發(fā)器控制視點轉到當前到達設備,并提供進行高亮、閃爍(紅、綠)、半透接口等各種顯示方式。

開/停工操作考核有單人及多人協(xié)作兩種模式,所有參加培訓人員通過控制各自的虛擬角色,以主動參與的方式(開關泵、開關閥門等)共同完成開停車操作的全部過程。開停工操作培訓考核主要以外操操作為主,操作過程中涉及內操的內容將以文字、圖片的方式進行簡要說明。系統(tǒng)采用對場景模型進行交互控制、對關鍵知識點進行答題等方式,達到對開停工操作關鍵步驟、關鍵工藝狀態(tài)及參數等內容進行考核的目的。考核成績由系統(tǒng)進行記錄并保存在基礎數據庫中,考核過程應具有多樣性,系統(tǒng)可以對誤操作、漏操作等異常操作進行判斷與處理并展示可能出現的后果。

工藝考核時序如圖10所示,工藝考核需要經過以下三個步驟。首先,用戶開啟考核之后,選擇當前要操作的閥門。其次,在選中的閥門上方繪制閥門控制界面,通過對閥門界面的操作控制閥門的開啟度,開啟度正確,工藝流程被開啟渲染。用戶需要順序選擇所有閥門,對工藝過程中所有閥門進行開啟、關閉操作。操作過程中,對不明確閥門位置的情況,允許幫助提示。最后,對考核試題進行回答,回答正確,考核結束。工藝流程交互式考核效果如圖11所示。

圖10 工藝考核時序

圖11 工藝流程交互式考核

4 結 語

通過基于虛擬現實技術石化裝置三維仿真實訓技術研究,利用虛擬現實技術逼真地展示石化企業(yè)三維數字化工廠的生產場景,可模擬石化裝置與生產現場一致的仿真場景,模擬生產工藝的各個操作環(huán)節(jié),以及模擬不當操作可能帶來的事故后果。同時系統(tǒng)對時空、內容、設備、角色等進行虛擬,創(chuàng)造一個開放化、互動式的培訓與考核環(huán)境,受訓員工能夠在逼真、趣味性強而且安全的虛擬環(huán)境中方便地取得更多專業(yè)技能。石化裝置三維仿真實訓是一種可復用、高效率、低成本的新型柔性培訓模式,滿足信息時代人員培訓的新要求,無論是在應用范圍(廣度、空間)、時間選擇(寬度、時間),還是在培訓的難易程度和績效評價(深度、效度)上都有著其他培訓方式所無法比擬的優(yōu)越性。