李其銳

摘要：隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的數(shù)字化技術(shù)將會(huì)對(duì)石油石化行業(yè)產(chǎn)生重要的影響，運(yùn)營(yíng)單位對(duì)安全的要求也越來(lái)越高，同時(shí)油氣田地面工程大部分設(shè)備必須連續(xù)作業(yè)，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環(huán)境，如果想要進(jìn)行人員上崗的培訓(xùn)、應(yīng)急演練、緊急事故處理、正常調(diào)工況、開(kāi)車(chē)等往往不能夠直接實(shí)現(xiàn)，或者需要花費(fèi)大量的代價(jià)或者冒很大的風(fēng)險(xiǎn)，所以本文融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與工藝流程仿真模擬技術(shù)相結(jié)合，研究了工藝流程的三維模擬技術(shù)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)展示技術(shù);數(shù)字化集成系統(tǒng);工藝流程三維模擬

中圖分類號(hào)：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0073-02

0 引言

隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的數(shù)字化技術(shù)將會(huì)對(duì)石油石化行業(yè)產(chǎn)生重要的影響，業(yè)主對(duì)安全的要求也越來(lái)越高，油氣田地面工程大部分設(shè)備必須連續(xù)作業(yè)，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環(huán)境，如果想要進(jìn)行人員上崗的培訓(xùn)、應(yīng)急演練、緊急事故處理、正常調(diào)工況、開(kāi)車(chē)等往往不能夠直接實(shí)現(xiàn)，或者需要花費(fèi)大量的代價(jià)或者冒很大的風(fēng)險(xiǎn)。

而仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)和各種設(shè)備為工具，在相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立并利用模型對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一項(xiàng)綜合技術(shù)[1]。當(dāng)前，為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本、提高安全運(yùn)行水平，國(guó)內(nèi)外油氣企業(yè)紛紛采用仿真模擬技術(shù)優(yōu)化工程的設(shè)計(jì)、運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)工程的虛擬現(xiàn)實(shí)必須要有三維模型作為基礎(chǔ)，目前油氣田地面工程在設(shè)計(jì)階段大部分采用三維的設(shè)計(jì)軟件實(shí)施，融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與工藝流程仿真模擬技術(shù)，形成工藝流程三維模擬系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以模擬各種工況和場(chǎng)景;同時(shí)完成高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)培訓(xùn)、人員上崗培訓(xùn)，開(kāi)車(chē)試運(yùn)行模擬仿真等，通過(guò)該技術(shù)將提高石油工程建設(shè)和運(yùn)行的管理水平，為實(shí)現(xiàn)智慧油田提供技術(shù)支撐和保障。

1 工藝流程三維模擬概述

工藝流程三維模擬可分為三部分：虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及工藝流程模擬仿真系統(tǒng)，三者之間相互關(guān)聯(lián)組成完整的系統(tǒng)。

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)工藝流程仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互與信息呈現(xiàn)采用軟件對(duì)設(shè)計(jì)階段的三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成通用格式，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保證模型的完整性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)展示平臺(tái)中，用戶可以在系統(tǒng)中瀏覽查看各種設(shè)備的屬性信息，同時(shí)讀取計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及場(chǎng)景展示。

（2）工藝流程仿真模擬系統(tǒng)：整個(gè)平臺(tái)的機(jī)理模型和數(shù)據(jù)來(lái)源，可以在控制指令的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)不同工況下運(yùn)行參數(shù)的變動(dòng)計(jì)算，根據(jù)工藝流程圖在系統(tǒng)中進(jìn)行創(chuàng)建和參數(shù)輸入控制，并通過(guò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)的仿真計(jì)算模擬，計(jì)算完成后再通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將結(jié)果反饋到虛擬展示系統(tǒng)中通過(guò)場(chǎng)景進(jìn)行呈現(xiàn)。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：該數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表和指令參數(shù)，主要功能是連接虛擬現(xiàn)實(shí)展示平臺(tái)和工藝流程仿真模擬軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)的傳遞和指令的響應(yīng)。

2 工藝流程仿真模擬

2.1 仿真模擬技術(shù)概述

工藝流程仿真模擬就是將一個(gè)由許多單元過(guò)程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)求解描述整個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，得到有關(guān)化工過(guò)程性能的信息。根據(jù)模擬對(duì)象所要求的特性與時(shí)間的關(guān)系，工藝流程仿真模擬可分為穩(wěn)態(tài)流程模擬和動(dòng)態(tài)流程模擬。

穩(wěn)態(tài)模擬的主要應(yīng)用場(chǎng)合及功能包括：新裝置設(shè)計(jì)，舊裝置的改造，新工藝、新流程的開(kāi)發(fā)研究，生產(chǎn)調(diào)優(yōu)、疑難問(wèn)題診斷，科學(xué)研究，以及作為動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

動(dòng)態(tài)模擬可以對(duì)化學(xué)過(guò)程或精煉廠進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和操作，能夠確定該工廠能夠以一種安全和簡(jiǎn)單的操作方式來(lái)生產(chǎn)理想的產(chǎn)品，因此對(duì)實(shí)際生產(chǎn)更有指導(dǎo)意義。

2.2 模擬計(jì)算過(guò)程

本次以某三甘醇脫水項(xiàng)目為例，主要模擬計(jì)算過(guò)程如下：

（1）建立穩(wěn)態(tài)模型：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，在HYSYS的Steady State下，建立三甘醇脫水的穩(wěn)態(tài)模型。

（2）建立動(dòng)態(tài)模型：在得到穩(wěn)態(tài)模型各設(shè)備、環(huán)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)后，在Dynamic Code狀態(tài)下，建立各設(shè)備的動(dòng)態(tài)模型。之后逐漸增加調(diào)節(jié)閥、安全閥、切斷閥模型，最后增加控制邏輯。

（3）數(shù)據(jù)處理：以模擬得到的原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)Excel表格處理有關(guān)數(shù)據(jù)，分析模型計(jì)算運(yùn)行的合理性和科學(xué)性，分析完成后導(dǎo)入到中間數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，該數(shù)據(jù)作為三維模擬展示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 三維虛擬展示

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

工藝流程的三維模擬分為三層：三維可視化平臺(tái)包含了圖形引擎和物理引擎。圖形引擎負(fù)責(zé)三維模型的渲染和展示;模型轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)將源模型格式轉(zhuǎn)換并輕量化為中間格式。仿真系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)接入和讀取仿真數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如圖1所示。

3.2 模型轉(zhuǎn)換

針對(duì)不同的模型格式實(shí)現(xiàn)該模型特定的解析器插件，解析管理器管理并根據(jù)輸入的模型格式分配不同的源模型解析器實(shí)例。源模型解析后會(huì)在內(nèi)存中形成統(tǒng)一的中間格式，中間格式在內(nèi)存中保存了模型的幾何結(jié)構(gòu)信息。最后模型簡(jiǎn)化器會(huì)對(duì)模型的中間格式進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后存儲(chǔ)在磁盤(pán)形成統(tǒng)一的模型格式。

3.3 圖形引擎

采用的實(shí)時(shí)渲染的機(jī)制，相比于單獨(dú)渲染出每一張圖片再做成視頻更需要運(yùn)算資源，為了做到流暢且高質(zhì)量的顯示效果，渲染引擎主要做了以下幾點(diǎn)優(yōu)化：（1）高效視錐體裁剪算法;（2）相同材質(zhì)的幾何體合并渲染;（3）像素過(guò)小時(shí)剔除;（4）資源多線程異步加卸載。

3.4 三維虛擬展示實(shí)現(xiàn)方法

主要包括以下內(nèi)容：

（1）數(shù)字孿生系統(tǒng)：三維虛擬展示平臺(tái)作為數(shù)字孿生的承載系統(tǒng)，通過(guò)提供仿真系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)的切換以達(dá)到仿真系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的映射。

（2）設(shè)備位號(hào)綁定：仿真系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)每一個(gè)點(diǎn)位需要保證相同的點(diǎn)位號(hào)，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)同時(shí)綁定到設(shè)備位號(hào)。

（3）讀取仿真數(shù)據(jù)：仿真系統(tǒng)根據(jù)仿真過(guò)程生成時(shí)間序列的仿真數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)每一列代表一個(gè)設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每一行按照時(shí)間序列（秒）存儲(chǔ)仿真數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的導(dǎo)出格式為excel文件格式。

（4）仿真數(shù)據(jù)展示：工藝流程仿真系統(tǒng)的PID圖與三維模型中的設(shè)備位號(hào)進(jìn)行綁定，然后工藝流程仿真模擬系統(tǒng)生成仿真數(shù)據(jù)。在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)的讀取仿真數(shù)據(jù)，在三維場(chǎng)景中的特定設(shè)備上通過(guò)標(biāo)牌窗口顯示。

3.5 流程模擬三維展示

（1）高仿真三維模型制作：通過(guò)三維模型轉(zhuǎn)換技術(shù)將S3D產(chǎn)生的三維模型和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可展示的格式，導(dǎo)入到展示軟件中，在軟件中可以進(jìn)行模型的渲染、配色、定制、細(xì)化等操作，并且對(duì)周邊環(huán)境、地理信息等進(jìn)行參考，讓模型更貼近現(xiàn)實(shí)。

（2）三維模型瀏覽漫游：通過(guò)軟件的漫游功能，可以通過(guò)多種視角進(jìn)行工廠漫游，同時(shí)也可以配置虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)VR的虛擬展示，該方式能夠使用戶沉浸在數(shù)字化工廠中，身臨其境的感受數(shù)字化工廠以及工藝模擬數(shù)據(jù)展示。該功能能夠?yàn)檫\(yùn)營(yíng)期組織人員培訓(xùn)、操作培訓(xùn)、應(yīng)急演練等，大大節(jié)約成本。

（3）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示：標(biāo)牌采用HTML格式進(jìn)行展示，比如設(shè)備的工藝參數(shù)實(shí)時(shí)展示，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部組件的設(shè)置、液位的變化、關(guān)鍵參數(shù)等動(dòng)態(tài)展示，以便隨時(shí)掌握該設(shè)備的運(yùn)行狀況（如圖2）。

通過(guò)軟件定制開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)溫度表、壓力表的動(dòng)態(tài)展示，通過(guò)虛擬表盤(pán)和數(shù)據(jù)列表的形式呈現(xiàn)給用戶，讓用戶在虛擬環(huán)境中快速的獲取有效信息。如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在數(shù)字孿生體中工藝流程三維模擬打破常規(guī)，通過(guò)技術(shù)手段將二維的計(jì)算和三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)互動(dòng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞交互實(shí)現(xiàn)信息共享，數(shù)據(jù)遞延，并借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行沉浸式展示和體驗(yàn)，為工程運(yùn)維期提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊明娣，陳廣美.探析化工教學(xué)中仿真技術(shù)的應(yīng)用[J].化工管理，2014（32）：145.

Abstract：With the advent of the digital era， the digital technology represented by virtual reality technology will have an important impact on the petroleum and petrochemical industry， and the operating units have higher and higher requirements for safety. At the same time， most of the equipment of oil and gas field surface engineering must be operated continuously， which is usually in the environment of inflammable， explosive， high temperature and high pressure. If you want to train the personnel， you should Emergency drill， emergency treatment， normal condition adjustment， start-up and so on are often not directly realized， or need to spend a lot of cost or take a lot of risk， so this paper combines virtual reality technology with process simulation technology， and studies the three-dimensional simulation technology of process.

Key words：virtual reality display technology;digital integrated system;3D simulation of technological process