虛擬現實技術設計鍋爐安全運行數字孿生系統

摘要： 為了解決鍋爐車間現場操作人員的突發重大安全事故處置能力不足的問題，以某卷煙廠鍋爐為研究對象，利用現場實際測量、 激光掃描等手段生成鍋爐設備及車間場景的三維數據，利用溫度、 壓力傳感器等獲取鍋爐運行數據，構建鍋爐虛擬模型； 在鍋爐虛擬模型中設計鍋爐安全運行數字孿生系統，利用虛擬現實技術，實現鍋爐運行中初起火災、 天然氣泄露、 蒸汽泄漏3種緊急情況的模擬處置。結果表明， 所設計的鍋爐安全運行數字孿生系統中初起火災、 天然氣泄露、 蒸汽泄露模擬處置3個功能模塊響應時長不超過1.5 s，小于所設置的期望響應時長，所設計的系統可用于鍋爐的預測性維護，保障鍋爐的安全運行。

關鍵詞： 鍋爐； 數字孿生； 虛擬現實； Unity 3D軟件

文章編號：1671-3559（2025）02-0286-05

中圖分類號： TP391.9

文獻標志碼： A

Design of Digital Twin System for Boiler Safe Operation Based on Virtual Reality Technology

WANG Jinfeng1a，b， ZHANG Jiaxiang1a， WANG Jing2， WANG Ruyue2，RUAN Wang2， WU Liqiang2， YI Dongjie1a

（1. a. Department of Mechanical Engineering， b. Baoding Key Laboratory of Advanced Design and Smart Manufacturing，North China Electric Power University （Baoding）， Baoding 071003， Hebei， China;

2. Baoding Cigarette Factory of Hebei Baisha Tobacco Co.， Ltd.， Baoding 071000， Hebei， China）

Abstract： To solve the problem of insufficient handling ability for sudden major safety accidents of on-site operators in boiler workshops， three-dimensional data of boiler equipment and workshop scenes were generated by using on-site actual measurement and laser scanning taking a boiler in a cigarette factory as the research object. Boiler operation data were obtained by using temperature and pressure sensors to build a boiler virtual model. A digital twin system for boiler safety operation was designed in the boiler virtual model. Virtual reality technology was used to simulate and handling of three emergency situations in boiler operation which are initial fire， natural gas leakage， and steam leakage. The results show that the response time of the three functional modules of initial fire， natural gas leakage， and steam leakage simulation handlinginthedesigneddigitaltwinsystemforboilersafetyoperationdoesnotexceed1.5 s，whichisless thantheexpectedresponsetimeset.Thedesignedsystemcanbeusedforpredictivemaintenanceofboilersandrealizesafeoperationofboilers.

Keywords： boiler; digital twin; virtual reality; Unity 3D software

在工業領域中，鍋爐產生蒸汽用于提供動力或加熱環節，是至關重要的設備。鍋爐的運行涉及高溫、高壓等危險因素^［1］，操作不正確或在緊急情況下處置不當可能導致嚴重的安全問題，甚至造成鍋爐設備損壞和人員傷亡^［2］，因此在鍋爐工作狀態下，須確保鍋爐安全運行及緊急情況下采取有效的處置方案。鍋爐安全問題包括高溫、高壓、腐蝕、 泄漏、爆炸等，這些問題都可能對人員和環境造成巨大危害^［3］。出現緊急情況時，操作人員應快速、準確地作決策，采取適當的措施以減小潛在危險。

本文中利用虛擬現實（virtual reality，VR）技術和數字孿生（digital twin，DT）技術設計鍋爐安全運行數字孿生系統，使操作人員能夠模擬鍋爐運行，并處置多種緊急情況，增強緊急情況處置能力，確保鍋爐的安全運行。

1 系統結構

VR技術提供了一種可高度沉浸的模擬環境，使用戶能夠與虛擬世界互動^［4］。VR技術與DT技術相結合，能夠實現對真實環境的高度精確模擬^［5］，在諸多領域中應用廣泛^［6-8］。

陶飛等^［9］提出的數字孿生系統包含物理層、 數據層、 仿真層、 應用層4個層級。 在此基礎上， 本文中結合某卷煙廠鍋爐安全運行的實際需求， 利用VR技術和DT技術設計鍋爐安全運行數字孿生系統結構， 如圖1所示。 該系統結構4個層級的主要組成部分如下： 1）物理層。 物理層涉及硬件設備和基礎設施的部署， 包括虛擬交互硬件、 鍋爐、 溫度傳感器、 壓力傳感器等。 2）數據層。 數據層用于存儲和管理各種數據， 包括鍋爐運行數據、 虛擬模型數據、 緊急情況數據。 這些數據存儲在各數據庫中， 供該系統實時訪問。 數據層還涉及溫度、 壓力等數據采集和傳輸， 以確保該系統的高性能和實時性。 3）仿真層。 仿真層是關鍵組成部分， 負責模擬鍋爐運行和緊急情況， 包括場景數字建模和渲染、 鍋爐虛擬模型^［10］、 緊急情況模擬。 4）應用層。 應用層包括用戶界面和應用程序邏輯，涵蓋用戶界面、緊急情況模擬處置。操作人員通過VR設備掌握鍋爐運行狀態，并模擬緊急情況處置流程。此外，應用層還包括性能分析工具，可以監控操作人員的行為決策，從而改進緊急情況處置流程。

2 系統功能

根據圖1所示的系統結構， 在搭建完成物理層和數據層后， 在仿真層和應用層詳細設計系統的整體功能。

所設計的鍋爐安全運行數字孿生系統的目的在于提供逼真的模擬環境， 增強操作人員的鍋爐運行安全意識和緊急情況處置能力， 因此系統設計須完成以下工作： 1）鍋爐虛擬模型構建。 高度精確的鍋爐虛擬模型包括各種關鍵組件、 傳感器， 用于模擬鍋爐運行狀態， 包括溫度、 壓力、 流量等關鍵參數。" 2）緊急情況模擬。 模擬各種緊急情況， 如初起火災、 天然氣泄漏、 蒸汽泄漏等^［11］。" 3）緊急情況處置。 支持操作人員與虛擬環境互動， 使用VR設備檢查鍋爐設備和觀察運行參數， 并采取必要的處置措施， 從而增強操作人員的緊急情況處置能力。

3 系統設計與實現

3.1 系統設計流程

所設計的鍋爐安全運行數字孿生系統應具備高沉浸性、交互性和仿真性^［12-13］。高沉浸性的VR環境使操作人員完全沉浸于虛擬世界，增加了緊急情況下的真實感和緊張感，更有助于模擬火災、 氣體泄漏等緊急情況。交互性使操作人員在虛擬環境中模擬鍋爐運行及處置緊急情況，提高和增強了決策反應速度和緊急情況處置能力。同時，該系統可以記錄操作人員的表現數據，幫助管理人員識別須改進的領域，不斷提高鍋爐運行的安全性，減小潛在的危險。

系統設計選取Maya軟件建模，采用3ds Max軟件實現模型渲染，最后通過Unity 3D軟件設計鍋爐安全運行數字孿生系統，設計流程如圖2所示。

3.2 鍋爐虛擬模型構建

3.2.1 物理模型

某卷煙廠鍋爐包括鍋爐殼體、 管道、 燃燒室等。通過現場實際測量、激光掃描等手段， 生成鍋爐設備及車間場景的三維數據，并導入Maya軟件中建立模型，所建模型導入3ds Max軟件中渲染。將某卷煙廠車間場景中所有三維數據的物理信息轉換為圖形數據，將圖形數據傳遞到光柵化階段，將三維數據轉化為二維像素，實現最終場景輸出。鍋爐虛擬模型的渲染流程如圖3所示。

3.2.2 數學模型

鍋爐及管道內流動氣體的動態模擬過程滿足以下連續性方程、 動量守恒方程、 能量守恒方程^［14］：

pt+xi（ρui）=0 ，（1）

t（ρui）+xj（ρuiuj）+pxi-τ_ijxj-τ^-1_ijxj=0 ，（2）

t（ρE）+xj（ρuiE+ujp）-xj（uiτ_ij+uiτ^-1_ij）+

xj（qj+q^-1j）=0 ，（3）

式中： p為氣體的壓強； t為氣體的流動時間； ρ為氣體的密度； ui、 uj分別為氣體在i、 j方向的傳輸速度； xi、 xj分別為氣體在i、 j方向的傳輸距離； τ_ij為黏性應力張量在i、 j方向的分量，描述了氣體在不同方向的內摩擦力或黏性力； E為氣體的單位質量總能量，通常包括內能、 動能和勢能； qj為氣體在j方向的熱流量通過上述公式將采用溫度、 壓力傳感器等獲取的相關數據用于鍋爐虛擬模型，操作人員通過該虛擬模型掌握鍋爐的實際運行狀態。

3.3 緊急情況模擬

根據相關國家標準、行業標準和企業標準中鍋爐運行中初起火災、 天然氣泄漏、 蒸汽泄漏3種緊急情況的安全操作規范和處置流程，在鍋爐虛擬模型中，通過動畫、 聲音、 文字提示等表現手段模擬3種緊急情況。

鍋爐運行中3種緊急情況的起因、 風險和緊急處置分述如下。 1）初起火災。①起因： 初起火災可能是由燃燒子系統故障、 燃料泄漏、 電氣故障或熱源點火等引發的。②風險： 初起火災可能迅速蔓延，引發大規模火災，危及鍋爐設備、 操作人員和環境的安全。③緊急處置： 在初起火災的情況下，啟動火災煙霧報警器與聲光報警器， 迅速切斷燃料供應， 使用滅火器具并快速、 安全地疏散操作人員。2）天然氣泄漏。①起因： 天然氣泄漏可能是由管道破裂、 閥門故障或操作失誤等引發的。②風險： 天然氣是易燃氣體，天然氣泄漏可能引發火災或爆炸，同時有致人窒息的風險。③緊急處置： 在天然氣泄漏的情況下，啟動氣體泄漏報警器與聲光報警器，迅速切斷氣源，通風危險區域，并快速、 安全地疏散操作人員，禁止使用電器設備，減少點火風險。3）蒸汽泄漏。①起因： 蒸汽泄漏可能是由管道或閥門故障、 高溫和高壓子系統失控等引發的。②風險： 蒸汽泄漏可能導致操作人員灼傷、 鍋爐設備損壞，造成嚴重危險。③緊急處置： 在蒸汽泄漏的情況下，啟動氣體泄漏報警器與聲光報警器，切斷蒸汽源，通知操作人員啟動緊急冷卻子系統，并快速、 安全地疏散操作人員。

在鍋爐天然氣泄漏及蒸汽泄漏模擬中，利用擴散方程描述氣體在空氣中的傳輸^［15］，即

ρgt=D2ρgx2 ，（4）

式中： ρg為氣體的質量濃度； D為擴散系數； x為氣體在某方向的傳輸距離。

同時，可以將天然氣近似為理想氣體，使用理想氣體定律描述氣體的狀態^［16］，根據氣體所處狀態的參數變化，判斷氣體泄漏情況^［17-18］，即

pV=nRT ，（5）

式中： V為氣體的體積； n為氣體的物質的量； R為氣體常數； T為氣體的熱力學溫度。

利用傳感器獲取緊急情況發生時的氣體溫度、 濃度等相關數據，利用上述公式模擬鍋爐虛擬模型的緊急情況。

3.4 緊急情況處置

在所設計的鍋爐安全運行數字孿生系統中，通過VR設備在虛擬場景中模擬緊急情況處置流程，真實展現初起火災、 天然氣泄漏、 蒸汽泄漏的現場情況。鍋爐運行中3種緊急情況處置流程如圖4所示。

根據上述3種緊急情況處理流程，利用Unity 3D軟件設計鍋爐安全運行數字孿生系統，該系統中初起火災、 天然氣泄露、 蒸汽泄露模擬處置3個功能模塊用于實現鍋爐運行中3種緊急情況的模擬處置。鍋爐電氣控制柜是鍋爐設備的重要組成部分，也是鍋爐設備最容易發生火災的重點監測部位。鍋爐電氣控制柜初起火災模擬處置如圖5所示。

為了保證所設計的鍋爐安全運行數字孿生系統對緊急情況模擬處理的高效性，該系統中各功能模塊的響應時間必須滿足鍋爐安全運行的基本要求。通過分析和計算鍋爐運行中突發緊急情況時操作人員及設備的平均反應時長，設置該系統的期望響應時長為2 s。響應時長取決于虛擬模型的精度、 計算資源的可用性以及軟件的性能等多種因素。經過運行測試，3個功能模塊運行穩定，實際響應時長如表1所示。 從表中可以看出， 該系統中3個功能模塊響應時長均未超過1.5 s， 小于所設置的期望響應時長。 應注意的是， 在該系統運行中，中央處理器（CPU）、 圖形處理單元（GPU）、 內存占用率均未超過85%，因此忽略了計算資源的可用性對響應時長的影響。

4 結語

針對某卷煙廠鍋爐運行中操作人員的突發重大安全事故緊急處置能力不足的問題，本文中設計了基于VR技術的鍋爐安全運行數字孿生系統，能準確模擬鍋爐運行中初起火災、 天然氣泄露、 蒸汽泄漏3種緊急情況，操作人員通過VR設備能模擬緊急情況處置流程，增強了突發重大安全事故處置能力。同時，所設計的鍋爐安全運行數字孿生系統實現了鍋爐運行數據的實時可視化監測和反饋，能自動預警鍋爐運行緊急情況，預測性維護鍋爐，從而保障鍋爐的安全運行。

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（責任編輯：王 耘）

基金項目： 國家自然科學基金項目（52071142）； 河北中煙工業有限責任公司青年人才項目（HBZY-BY2023A002）

第一作者簡介： 王進峰（1977—），男，山東榮成人。副教授，博士，研究方向為智能制造。E-mail： wjf266@163.com。

通信作者簡介： 王婧（1988—），女，河北保定人。工程師，碩士，研究方向為儀器儀表工程。E-mail： byzh307@163.com。