肖亞蘇，俞永江，李 楠，康 權(quán)，王金燕

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

我國海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，市場需求空間巨大，大型裝置不斷涌現(xiàn)，但大部分由國外主導(dǎo)承建，國內(nèi)缺乏加工制造和運(yùn)行維護(hù)實(shí)踐，技能型員工短缺問題日益凸顯。國務(wù)院辦公廳[2012]13號(hào)文《關(guān)于加快海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》提出要強(qiáng)化海水淡化宣傳培訓(xùn)，提高在崗人員的專業(yè)素質(zhì)和技能水平以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展需求。但海水淡化領(lǐng)域一直沿襲理論教學(xué)、書面考核和見習(xí)值班等傳統(tǒng)培訓(xùn)模式，存在培訓(xùn)周期長、業(yè)務(wù)針對(duì)性差、誤操作風(fēng)險(xiǎn)高等問題。因此，現(xiàn)有培訓(xùn)水平與國家大力發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)步驟不協(xié)調(diào)[1-2]。

本文針對(duì)上述問題，借鑒民航、高鐵、核電等高端領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn)[3]，研制了一套面向低溫多效蒸餾MED（multi-effect distillation）海水淡化過程控制的全數(shù)字仿真平臺(tái)，用于研究模擬仿真核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海水淡化虛擬現(xiàn)實(shí)場景下的操作與控制，具備崗前培訓(xùn)、在崗培訓(xùn)、事故預(yù)演和技能鑒定等功能，對(duì)提高培訓(xùn)質(zhì)量和效率、改善裝置運(yùn)行水平、填補(bǔ)海水淡化領(lǐng)域仿真培訓(xùn)研究空白等方面具有十分重要的意義。

1 仿真培訓(xùn)現(xiàn)狀

仿真技術(shù)是綜合采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)和分布交互式仿真等先進(jìn)技術(shù)，建立一個(gè)與實(shí)際裝置運(yùn)行狀況相同或相似的仿真環(huán)境，參訓(xùn)人員在其中接受訓(xùn)練，增強(qiáng)其對(duì)實(shí)際系統(tǒng)操作的控制能力和對(duì)事故的判斷處理能力。近年來，針對(duì)復(fù)雜大系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)需要，仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一系列新的仿真技術(shù)，如：面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)、分布式交互仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)、建模與仿真的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)（VV&A）技術(shù)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真培訓(xùn)將是今后主流發(fā)展方向[4]。

仿真培訓(xùn)具有不受客觀條件限制、有效避免誤操作可能造成的設(shè)備損壞或人身傷害、培訓(xùn)周期短及培訓(xùn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、航空航天、電力等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但海水淡化領(lǐng)域仍處于空白。隨著我國海水淡化產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，研制出大型MED裝置虛擬操作環(huán)境，對(duì)提高從業(yè)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和操作水平，促進(jìn)海水淡化產(chǎn)業(yè)升級(jí)等方面至關(guān)重要。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

低溫多效蒸餾海水淡化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要包含DCS控制仿真、大型裝置虛擬樣機(jī)和管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)3部分，框架如圖1所示。

圖1 平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Platform frame structure

平臺(tái)設(shè)計(jì)采用局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要由教師站、學(xué)員站及投影儀等硬件設(shè)備組成，為減少開發(fā)成本，精簡了專用仿真鍵盤和觸屏。教師站利用LABVIEW軟件開發(fā)DCS工藝監(jiān)控流程，具備PID參數(shù)優(yōu)化和故障考核設(shè)置等功能；學(xué)員站利用三維軟件對(duì)裝置進(jìn)行三維建模，開發(fā)人機(jī)交互技術(shù)，具備虛擬場景下的操作與控制。教師站和學(xué)員站之間采用TCP/IP通訊，實(shí)現(xiàn)過程控制仿真與虛擬樣機(jī)間的數(shù)據(jù)交換。

3 平臺(tái)的研制

3.1 DCS過程控制仿真

針對(duì)低溫多效蒸餾海水淡化工藝特點(diǎn)和控制要求，根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡，建立了蒸發(fā)器、冷凝器和閃蒸罐的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)控制模型（液位、流量、溫度等）進(jìn)行離散化處理[5-6]。采用單回路PID控制系統(tǒng)，以LABVIEW作為圖形化界面開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)完成裝置DCS過程控制仿真系統(tǒng)。

3.1.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

過程控制仿真軟件由線程調(diào)度模塊、數(shù)學(xué)模型模塊、教師指令模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、通信模塊、DCS操作員模塊和現(xiàn)場操作模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software module structure

3.1.2 數(shù)學(xué)模型建立

過程控制仿真系統(tǒng)中的液位是通過水泵的轉(zhuǎn)速來控制，根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理建立液位控制系統(tǒng)模型[7]。設(shè)水箱的液位為h，進(jìn)入水箱的流量為Q1，水泵的流量為Q2。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料守恒有：

其中，A為水箱的橫截面積。設(shè)ΔQ=Q1-Q2，則過程傳遞函數(shù)為

過程控制仿真系統(tǒng)中的流量同樣是通過泵的轉(zhuǎn)速來控制。在同樣的管路條件下，泵的轉(zhuǎn)速降低，流量也相應(yīng)降低。轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系為

過程控制仿真系統(tǒng)中的溫度是通過控制消除過熱泵的轉(zhuǎn)速來控制。噴射泵制冷系統(tǒng)的模型是慣性環(huán)節(jié)加延時(shí)環(huán)節(jié)。為滿足仿真的快速性，控制模型簡化為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。

3.1.3 離散化處理

上述MED過程控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型都是連續(xù)的，仿真時(shí)要把連續(xù)的數(shù)學(xué)模型離散化。本文采用雙線性變換法來實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的離散化。雙線性變換法即：

其中，T0為采樣時(shí)間，本文中指仿真時(shí)間。對(duì)液位控制對(duì)象進(jìn)行離散化得：

對(duì)流量控制對(duì)象離散化得：

對(duì)溫度控制對(duì)象簡化后，其數(shù)學(xué)模型形式與流量控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型類似，對(duì)其離散化得：

3.2 大型裝置虛擬操作環(huán)境構(gòu)建

本文采用Open Scene Graph三維圖形引擎設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大型裝置虛擬操作環(huán)境構(gòu)建。圖3為按照1∶1比例實(shí)現(xiàn)的MED裝置三維重現(xiàn)。為提高管路辨識(shí)度，圖中采用不同顏色來標(biāo)示進(jìn)料水系統(tǒng)、產(chǎn)品水系統(tǒng)、濃鹽水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)及加藥系統(tǒng)等。

圖3 大型MED裝置三維模型Fig.3 3D model of MED device

3.2.1 開發(fā)平臺(tái)選取

在三維軟件開發(fā)方面，用于研究型的VR系統(tǒng)大多采用 WTK、Multigen Vega、OpenGVS等軟件包進(jìn)行開發(fā)，但效率低難度大。本文借鑒當(dāng)前場景繪制、圖形硬件、分布式仿真和軟件設(shè)計(jì)模式的新進(jìn)展，采用Open Scene Graph作為三維場景渲染引擎，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了分布式可擴(kuò)展的虛擬環(huán)境開發(fā)框架?；谠撻_發(fā)框架，在實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境高效開發(fā)的同時(shí)，依托分布交互式仿真支撐環(huán)境解決虛擬環(huán)境的時(shí)空一致性問題。

3.2.2 框架結(jié)構(gòu)研究

在虛擬環(huán)境框架結(jié)構(gòu)方面，綜合集成HLA/RTI作為分布式仿真支撐工具，虛擬場景生成和繪制工具作為渲染引擎，沉浸式交互設(shè)備作為人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 虛擬環(huán)境框架結(jié)構(gòu)Fig.4 Virtual environment framework structure

3.2.3 功能及優(yōu)點(diǎn)

虛擬環(huán)境框架結(jié)構(gòu)的功能和優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）虛擬場景的結(jié)構(gòu)與組織管理，即對(duì)不同功能、不同性質(zhì)的仿真實(shí)體進(jìn)行分類并統(tǒng)一組織與管理，提供關(guān)于各種對(duì)象創(chuàng)建、刪除、定位等服務(wù)；

（2）仿真對(duì)象的分布式交互與調(diào)度，即支持HLA的各種時(shí)間管理策略，提供回調(diào)與事件通知機(jī)制，使整個(gè)聯(lián)邦范圍內(nèi)的對(duì)象按給定的時(shí)序和消息傳遞關(guān)系進(jìn)行工作；

（3）集成沉浸式人機(jī)交互設(shè)備和接口，并利用事件驅(qū)動(dòng)和回調(diào)機(jī)制與場景對(duì)象組織、仿真對(duì)象管理功能集成。

3.3 管理評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)

3.3.1 評(píng)價(jià)方法

本文主要采用了模糊評(píng)估法和層次分析法。模糊評(píng)估法：利用模糊評(píng)估方法，明確因素集與被擇集，然后建立每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素評(píng)價(jià)矩陣，求得模糊評(píng)價(jià)集合，最后對(duì)集合進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算得到評(píng)價(jià)結(jié)果；層次分析法訓(xùn)練過程分為若干步驟，明確評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，將參訓(xùn)者操作情況與每個(gè)步驟標(biāo)準(zhǔn)操作對(duì)比，根據(jù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則給予一定分?jǐn)?shù)，最后將所有步驟得到的分?jǐn)?shù)加權(quán)運(yùn)算得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.3.2 培訓(xùn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

低溫多效蒸餾仿真系統(tǒng)中包含著多種多樣的流程，將一些全局指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）操作人員熟練程度：所有的操作均有時(shí)間上的要求，每一項(xiàng)操作任務(wù)均有一個(gè)時(shí)間范圍限定，完成任務(wù)的時(shí)間越短或者單位工作量越大說明操作人員操作越熟練。

（2）操作正確程度：不同過程控制對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作容忍程度是不同的，但是出現(xiàn)誤操作的次數(shù)越少越好。因此通過比較錯(cuò)誤操作的總次數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作集合中的動(dòng)作總數(shù)基本上可以衡量參訓(xùn)人員的操作正確度。

（3）處理問題的能力：提高參訓(xùn)人員解決故障的能力是仿真系統(tǒng)的一個(gè)重要目標(biāo)，衡量處理問題的水平可以通過恢復(fù)到正常狀態(tài)的用時(shí)和處理問題動(dòng)作的正確程度兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行衡量。

（4）是否完成訓(xùn)練指標(biāo)：完成訓(xùn)練規(guī)定的任務(wù)是進(jìn)行訓(xùn)練仿真最基本的要求，因此是否完成訓(xùn)練指標(biāo)也是一個(gè)重要的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

以上4個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)，基本上可以從全局過程對(duì)低溫多效蒸餾仿真培訓(xùn)操作進(jìn)行評(píng)估。

3.3.3 考試成績計(jì)算

考試總成績可用下式計(jì)算：

式中：Y為考試總成績；Yi為各分項(xiàng)考試成績，分別代表各個(gè)步驟的得分；ωi為權(quán)系數(shù)。

各分項(xiàng)考試成績可用下式計(jì)算：

式中：Yj為分項(xiàng)考試中扣除分?jǐn)?shù)；k為扣分項(xiàng)個(gè)數(shù)；iYi為各分項(xiàng)考試成績，滿分為100分。

4 應(yīng)用實(shí)踐

作為國內(nèi)首套面向低溫多效蒸餾海水淡化的仿真培訓(xùn)平臺(tái)（如圖5所示），綜合了流程演示、虛擬操作、故障設(shè)置、事故演練及培訓(xùn)考核等功能，可廣泛用于教學(xué)培訓(xùn)和技能鑒定等領(lǐng)域，也可為國內(nèi)外海水淡化技術(shù)合作提供理想的交流渠道。

圖5 仿真培訓(xùn)平臺(tái)Fig.5 Simulation training platform

該平臺(tái)研制完成后，已連續(xù)4年用于商務(wù)部組織的發(fā)展中國家海水淡化管理研修班的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，培訓(xùn)對(duì)象涵蓋非洲、中東、拉美等30多個(gè)國家，規(guī)模達(dá)百余人次；同時(shí)，還用于某海水淡化公司海外工程項(xiàng)目的現(xiàn)場調(diào)試和人員培訓(xùn)指導(dǎo)，對(duì)提高培訓(xùn)效率、避免誤操作以及確保裝置穩(wěn)定運(yùn)行等方面起到了很好的支撐作用。

5 結(jié)語

仿真培訓(xùn)平臺(tái)作為強(qiáng)化海水淡化宣傳培訓(xùn)和提升工程運(yùn)行維護(hù)水平的重要手段，綜合采用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式交互仿真等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型MED裝置的工藝過程仿真和三維重現(xiàn)，時(shí)空一致性、交互操作的實(shí)時(shí)性和靈活性、仿真模型的真實(shí)性等指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，在國家職能部門、科研院所、海水淡化企業(yè)等領(lǐng)域具有很好的推廣價(jià)值。

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