吳重光

（北京化工大學，北京 100029）

【系列講座⑤“ITS 在化工職業(yè)教育中應(yīng)用系列軟件（4）”回顧】

多功能過程與控制實驗系統(tǒng)MPCE-2000 軟件，通過集成小型半實物過程系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)、高精度過程系統(tǒng)仿真模型和控制系統(tǒng)組態(tài)軟件（包括PID控制器單元、典型傳遞函數(shù)單元、多種控制閥特性、典型外作用函數(shù)、限幅器、算術(shù)運算器、選擇器、繼電器特性和隨機信號器等），實現(xiàn)了集多種教學和實驗功能于一身、真實感強、一機多用、無須物料、沒有產(chǎn)物和副產(chǎn)物、節(jié)能、安全、環(huán)保等理想實驗系統(tǒng)的要求，是智能教學實驗技術(shù)的一個創(chuàng)新。

在系列講座⑤“ITS 在化工職業(yè)教育中應(yīng)用系列軟件（4）”中，我們介紹了多功能過程與控制實驗系統(tǒng)MPCE-2000 軟件，本講將介紹現(xiàn)代化工智能型全流程仿真訓練技術(shù)。

半實物仿真系統(tǒng)是受到美國飛機駕駛員仿真訓練技術(shù)的啟發(fā)。優(yōu)點是使學生有工廠全真實的情境感受、操作位置和力度感受，適于控制室與現(xiàn)場操作人員團隊配合訓練。但是，涉及投資大、占地面積很大，同時容納的學生有限。另外，系統(tǒng)維護困難，對教師實踐經(jīng)驗要求高，智能化后有所改進。總體評價是，半實物仿真系統(tǒng)教學科技進步的意義大于實際推廣應(yīng)用的意義，建議職業(yè)院校權(quán)衡利弊謹慎立項。

1 現(xiàn)代化工仿真工廠的創(chuàng)新背景

1987年，北京化工大學仿真中心研究開發(fā)成功我國第一套計算機化工仿真培訓系統(tǒng)，并在北京燕山石化公司新進口裝置開車前的操作工培訓和裝置開車方案論證中發(fā)揮了特殊作用，榮獲中國石化總公司科技進步獎。30 多年來，國產(chǎn)化計算機仿真培訓系統(tǒng)已經(jīng)達到國際先進水平，并且在化工、石化、煉油企業(yè)、職業(yè)技術(shù)學院、本科院校廣泛應(yīng)用，取得了重大的社會經(jīng)濟效益。

隨著我國化工、石油化工和煉油企業(yè)的發(fā)展，裝置不斷大型化、復(fù)雜化，自動化水平普遍提高，對職業(yè)技術(shù)培訓提出了新的更高的要求。各類職業(yè)院校面臨著兩個主要的任務(wù)：第一，將學生培養(yǎng)成合格的技術(shù)工人，滿足現(xiàn)代企業(yè)的需要。由于化工、石化和煉油企業(yè)眾多，裝置種類繁雜，學生在分配時的選擇也多，因此要求學生畢業(yè)后的適應(yīng)性比較強。第二，學校和企業(yè)聯(lián)合，結(jié)合行業(yè)特色，建立中國一流的化工技術(shù)工人崗位培訓基地，滿足企業(yè)員工崗位再培訓的需要。實訓系統(tǒng)要體現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能安全、現(xiàn)代技術(shù)、信息技術(shù)于一體，實現(xiàn)綜合性技能培訓與技能考核于一身。

為達到上述目標，職業(yè)院校在培訓體系上，強調(diào)和企業(yè)聯(lián)辦，將企業(yè)的需求直接轉(zhuǎn)化成課程的設(shè)置安排；在培訓的硬件設(shè)施上，希望建立典型的、有代表性的、有較強適應(yīng)性的流程級、規(guī)?；瘜嵱栄b置，特別是要求仿真培訓系統(tǒng)不僅能夠模擬控制室內(nèi)的計算機控制系統(tǒng)（DCS）的操作，還應(yīng)模擬現(xiàn)場裝置的實際動手操作，也就是要解決操作人員對現(xiàn)場裝置的幾何空間概念的把握和對操作設(shè)備與部件的操作力度、動態(tài)時機的把握。其中，還必須包括控制室操作人員與現(xiàn)場操作人員的團隊配合及協(xié)調(diào)行動，這些訓練內(nèi)容對于復(fù)雜系統(tǒng)的開停車、非正常工況的處理、尤其是在事故緊急狀態(tài)時特別需要。

圖1 縮小型流程裝置

多年的計算機仿真培訓經(jīng)驗表明，對于沒有接觸過化工裝置現(xiàn)場的職業(yè)院校的學生，僅僅采用顯示屏畫面、鍵盤和鼠標形式的訓練，還是比較抽象，獲得的知識還是片面的，不完全的，尤其是缺乏團隊協(xié)作能力。

為了解決以上難題，國內(nèi)外的企業(yè)和職業(yè)技術(shù)學院已經(jīng)采用的技術(shù)有如下三種。

1.1 小型冷模裝置

將原裝置縮小若干倍，僅用實物模擬裝置的設(shè)備和管路外形，適當配合水的循環(huán)流動。由于沒有模擬工藝過程的物理化學現(xiàn)象，整個裝置無法進行動態(tài)的開停車、正常運行的監(jiān)控調(diào)整及事故處理。此種系統(tǒng)類似于化學反應(yīng)實驗的冷模實驗，因此稱為冷模裝置。此類裝置的優(yōu)點是能耗較小、需要一定的設(shè)備維護工作量，不會發(fā)生爆炸燃燒事故危險。小型冷模裝置在外形上雖然有了真實的幾何空間概念，但卻忽略了重要的物理化學現(xiàn)象及動態(tài)可操作性等模擬裝置的主要技術(shù)指標。由于系統(tǒng)的實用功能較差，相對投資較大，因此不是理想的選擇。

1.2 縮小型流程生產(chǎn)裝置

縮小型流程生產(chǎn)裝置將實際裝置尺寸縮小若干倍，盡量按照原裝置的原料和生產(chǎn)路線，用真實的物料生產(chǎn)真實的相同產(chǎn)品。這種裝置和實際大型裝置相同，學員面對的是全部、可以同時操控的設(shè)備實體，可以實現(xiàn)多人同時協(xié)同操作。圖1 是國外的縮小型流程裝置的實例。

此種系統(tǒng)看似比較理想，實際上卻存在著許多難以解決的問題，其致命的弱點是裝置縮小后，特別是縮小的比例較大時，其物理化學特性常常發(fā)生強非線性變化，尤其是動態(tài)特性會發(fā)生較大變化，難于做到與原裝置相一致。也就是說，其開車、停車與正常運行的操作規(guī)程、生產(chǎn)工藝條件、事故現(xiàn)象等都與原裝置或大型裝置不同。除此之外，更為實際問題是：此類裝置的設(shè)計研發(fā)可能比原裝置還復(fù)雜、建設(shè)投資高、運行費用高、能耗大、消耗物料、生產(chǎn)的產(chǎn)品往往比規(guī)?；b置成本高、存在爆炸燃燒事故危險和環(huán)境污染問題或隱患，需要專業(yè)人員大工作量的維護，無法實現(xiàn)即開即停等。

1.3 半實物仿真裝置

在吸取以上兩種模擬裝置優(yōu)點的基礎(chǔ)上，發(fā)揮計算機動態(tài)仿真的優(yōu)勢，形成了一種半實物仿真裝置。該系統(tǒng)采用實際規(guī)模的靜設(shè)備、控制系統(tǒng)和動設(shè)備；不用真實物料，采用水和低壓氮氣（用于隔離空氣中的氧氣，防止設(shè)備腐蝕）模擬流量、物位和壓力，用仿真模型校正；反應(yīng)動力學、傳質(zhì)與傳熱采用仿真模型，采用附加的控制系統(tǒng)和流程系統(tǒng)實現(xiàn)多種物理化學現(xiàn)象和事故現(xiàn)象。國內(nèi)規(guī)模最大的半實物仿真裝置是由北京化工大學仿真中心、北京東方仿真控制技術(shù)有限公司與北京燕山石化公司合作，于二十世紀九十年代初在燕山石化公司建成，如圖2 所示。由于采用了部分實物與部分仿真模型結(jié)合的方法，解決了縮小型流程裝置的設(shè)計研發(fā)難題，解決了安全環(huán)保問題，也解決了冷模裝置無法動態(tài)運行的問題。

圖2 半實物仿真裝置

但是，裝置采用水和低壓氮氣，要想模擬復(fù)雜的物理化學現(xiàn)象，比純數(shù)學模擬方法要困難得多，至少模擬現(xiàn)象的附屬控制設(shè)備必須大大增加。此類實訓裝置比實際裝置還要復(fù)雜。因此，投資大、占地面積大，運行時需要消耗電力、蒸汽、壓縮氮氣等，運行費用很高。一般學校難于承受，設(shè)備復(fù)雜導致維護費用高、無法即開即停等問題依然存在。

為了攻克這一難關(guān)，十多年來，借助于當代高科技的多種成果，在綜合了國內(nèi)外類似模擬裝置優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，一種全新的流程級實訓裝置已經(jīng)開發(fā)成功，其標志性的成果是北京化工大學仿真中心2004年研制成功的多功能過程與控制實驗系統(tǒng)MPCE-1000，這是半實物仿真工廠的前身和技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)代化工仿真工廠

流程級仿真工廠基于MPCE-1000 技術(shù)，區(qū)別是裝置規(guī)模大、設(shè)備管路呈三維空間分布。由小型化流程裝置、裝置模擬監(jiān)控系統(tǒng)、裝置工藝仿真軟件、計算機控制系統(tǒng)（DCS）仿真、實訓評價與管理系統(tǒng)、基于智能實時故障診斷軟件等部分組成。

2.1 全流程裝置

如圖3 所示，在金屬框架上安裝著由不銹鋼制的比例縮?。ǖ珔s能夠保持工業(yè)級大尺寸特性）的流程設(shè)備模型、管路、手動閥門、控制閥門，壓力（P）、流量（F）、溫度（T）、物位（L）、功率（N）、組成（A）和閥位（V）測控傳感器等。小型流程裝置是學生直接操作和運行過程系統(tǒng)的環(huán)境。本環(huán)境給學生以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此，本系統(tǒng)和真實系統(tǒng)的觀測界面完全一致。

工藝流程的選擇原則是，具有典型代表性的化工生產(chǎn)工藝，并具有典型控制方案的大型化工全流程裝置。為了達到這些要求，對選定的實際工藝流程進行適當改進，適當增加設(shè)備種類和工藝過程的類型，采用先進的設(shè)備與管路布局方法，適當修改設(shè)備的相對尺寸，克服等比例縮小后的不協(xié)調(diào)、不合理的部分。

圖3 全流程化工裝置

圖4 裝置模擬測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 裝置模擬測控系統(tǒng)

這是仿真裝置無物料運行的關(guān)鍵部分，通過模擬測控系統(tǒng)，可以使仿真裝置與仿真軟件聯(lián)合成一體，是仿真軟件與實物裝置的“橋梁”。一方面，測控系統(tǒng)需要把操作設(shè)備，例如：閥門的轉(zhuǎn)動變換為模擬電信號，采用計算機控制技術(shù)將現(xiàn)場操作點的模擬信號實時采集，并傳送到上位計算機的仿真模型中。另一方面，測控系統(tǒng)需要把仿真模型的運算結(jié)果通過轉(zhuǎn)換變成模擬電信號，并傳送到現(xiàn)場的各種儀表進行模擬與數(shù)字多種方式的實時顯示。所有此類功能全部采用先進的現(xiàn)場總線技術(shù)和實時監(jiān)控技術(shù)加以解決。裝置模擬測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

2.3 裝置仿真軟件

流程級仿真工廠的軟件系統(tǒng)包括裝置工藝仿真軟件、計算機控制系統(tǒng)（DCS）仿真、實訓評價與管理系統(tǒng)、基于SDG 智能實時故障診斷軟件以及仿真實時數(shù)據(jù)庫等部分組成。軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖5 所示。

由于該裝置是在“無物理化學過程”的狀態(tài)下運行的，裝置本身沒有任何真實進出物料，所有化工生產(chǎn)的工藝現(xiàn)象通過裝置工藝仿真軟件模擬來實現(xiàn)，并將這些模擬參數(shù)送至仿真DCS（部分參數(shù)還需送至現(xiàn)場儀表顯示），讓受訓者感受到的是一個完全“真實”的工業(yè)化工裝置在運行中。

獨立運行的仿真軟件包括工藝仿真軟件、操作評分軟件、運行管理軟件、與DCS 的接口通訊軟件、教師指令臺軟件和仿DCS 軟件。

圖5 軟件體系結(jié)構(gòu)

圖6 仿DCS 操作站

能否采用半實物仿真技術(shù)進行動態(tài)地操作實訓，動態(tài)數(shù)學模型是關(guān)鍵。為了高逼真地進行過程的開、停車、正常運行、故障狀態(tài)操作及控制，必須解決如下建模問題：

●動態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真系統(tǒng)的物理化學變化的規(guī)律，如反應(yīng)動力學特性、氣液平衡特性、流體力學特性等，這些特性常常是非線性的。

●動態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真系統(tǒng)的動態(tài)時間常數(shù)、慣性、時間滯后、多容高階特性。

●動態(tài)模型的求解速度應(yīng)達到實時要求、求解精度應(yīng)滿足實驗要求。

2.4 計算機控制系統(tǒng)（DCS）仿真

可以選擇使用化工常用典型的DCS 仿真系統(tǒng)，用于本裝置的控制與操作。仿DCS 類型包括TDCTPS、CS-3000、I/AAP70 系統(tǒng)，外加一個輔助操作臺進行事故報警及連鎖系統(tǒng)監(jiān)控。DCS 仿真軟件用于管理、調(diào)度仿DCS 操作軟件各部分，實現(xiàn)動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫、各類標準畫面、鍵盤操作、各種算法，以及通信的協(xié)調(diào)配合，完成DCS 操作站的顯示、操作等各種功能。仿DCS 操作控制軟件模擬的真實DCS 的畫面功能為菜單畫面、流程圖畫面、控制組畫面、報警畫面和細目畫面。仿真DCS 系統(tǒng)可以對控制方案、控制畫面、流程圖畫面、趨勢畫面和報警畫面進行軟件組態(tài)。仿DCS 操作站見圖6 所示。

2.5 實訓評價與管理系統(tǒng)

系統(tǒng)還包括培訓項目運行管理及事故設(shè)置軟件、操作評價軟件，主要滿足培訓的組織管理和操作評價問題。其中，操作評價軟件具有特殊的功能，可以通過組態(tài)方式修改和編輯。當實訓裝置運行時，軟件會自動跟蹤記錄、分析和評價操作員的操作方法和調(diào)控水平。這是國外同類軟件所沒有的重要功能。

以上五個部分通過小型實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)字通信協(xié)調(diào)運行，完成復(fù)雜的、高逼真度的半實物模擬實訓。五個部分采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線方式互聯(lián)，采用了先進的工業(yè)過程控制設(shè)計，具有模塊化、標準化、通用化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以方便地擴展或重新組合，具備軟件診斷功能。

2.6 智能化自解釋及安全訓練功能

采用動態(tài)仿真訓練器進行與安全有關(guān)的仿真訓練具有特殊效果。利用本仿真工廠可以訓練在實際工廠中無法進行的緊急事故狀態(tài)訓練，提高操作員在事故狀態(tài)下的緊急響應(yīng)能力、判斷能力、分析能力和操作、控制能力。統(tǒng)計規(guī)律表明，操作失誤所直接導致的事故在各種原因中排在第二位。通過仿真安全訓練預(yù)防事故是一種有效方法。

要做好農(nóng)村小學校的管理，管理者的知識結(jié)構(gòu)、人格修養(yǎng)、處事風格、能力水平等等都是重要的因素，這需要管理者做教育教學的標兵、做為人處事的楷模、做引領(lǐng)發(fā)展的智者。

圖7 智能化故障診斷和誤操作自解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除了訓練操作員之外，利用本仿真系統(tǒng)還可以提高安全分析技術(shù)人員的水平。由于石油化工廠危險性大，不允許進行真實的危險試驗，在仿真器上可以通過設(shè)定復(fù)雜的“劇情”試驗，了解過程潛在的危險，把握動態(tài)過程的前因后果。當過程很復(fù)雜時，人工很難記住事件的變化，不易深入推理分析。仿真器能提供趨勢記錄、工況記憶、工況重現(xiàn)等功能，可有效輔助危險分析。

為了使仿真訓練系統(tǒng)更有效，本仿真工廠具備智能化故障診斷和誤操作自解釋功能，可以通過我們專門開發(fā)的達到國際一流水平的基于人工智能技術(shù)的實時故障診斷軟件（國家“863”項目成果）與仿真工廠聯(lián)網(wǎng)，隨時將故障診斷結(jié)果自動記錄、自動顯示。智能化故障診斷和誤操作自解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。基于人工智能技術(shù)的實時故障診斷軟件在附加的一臺微機中運行，通過以太網(wǎng)與仿真工廠的控制系統(tǒng)實時通信。每一個采樣周期都可以通過高速推理機求解跟蹤運行的定性模型，自動識別和分析仿真工廠出現(xiàn)的報警、誤操作或其它原因所導致的故障根源因、不利后果和危險傳播的路徑（危險“劇情”）等重要信息。自動完成智能化故障診斷和誤操作自解釋功能。

3 現(xiàn)代化工仿真工廠的特點

通過將小型半實物流程裝置、微機控制系統(tǒng)與全數(shù)字仿真技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了集多種教學和實訓功能于一身、全工況可操作、真實感強、一機多用、無須物料、沒有產(chǎn)物和副產(chǎn)物、維修簡單、節(jié)能、安全、環(huán)保、投資省、見效快等理想實訓系統(tǒng)的要求，是過程工業(yè)實訓技術(shù)的一個新的飛躍。

現(xiàn)代化工仿真工廠裝置的特點總結(jié)如下：

⑴ 采用不銹鋼精密制造的縮小型全流程設(shè)備、精致的設(shè)備框架系統(tǒng)、管路、手動閥門、控制閥門、測控傳感器系統(tǒng)等，具有實際裝置的全部空間幾何三維分布實體概念。

⑵ 采用先進測控電子技術(shù)成果，現(xiàn)場總線和電子操作器等專有設(shè)備，所有操作點都可以全量程手動或自動調(diào)整，具有真實的操作力度和動態(tài)響應(yīng)。

⑶ 運用高精度仿真數(shù)學模型，可以不受約束地模擬實際裝置物理化學特性，全工況動態(tài)實時模擬裝置的開車、停車、正常運行調(diào)控、緊急停車和事故處理。

⑷ 控制系統(tǒng)（DCS）采用仿真DCS，其要求和真實DCS 一致，并有工業(yè)鍵盤，能夠給受訓者一個真實化工生產(chǎn)操作控制模式、方法與環(huán)境。

⑸ 具備運行培訓項目軟件、事故設(shè)置軟件和運行操作評價軟件，可以滿足培訓的自動評價、組織、全工況記錄和管理問題。

⑹ 所有動設(shè)備都處于空轉(zhuǎn)低負荷運行狀態(tài)，因此運行能耗很低，設(shè)備磨損小壽命長。

⑺ 不需要任何物料，節(jié)省費用、時間和人力，沒有腐蝕、污染和環(huán)境保護問題。

⑻ 危險工況和事故狀態(tài)由仿真模型模擬，不存在任何爆炸燃燒危險。

⑼ 設(shè)備大多是不銹鋼殼體，幾乎沒有維修工作量。

⑽ 可以通過計算機控制實施自動即開即停，工況凍結(jié)與繼續(xù)，這是其它實訓裝置所無法比擬的功能，也是最適合于實訓的功能。

⑾ 占地面積小，一般適合于職業(yè)技術(shù)學院的標準型新一代流程級實訓裝置；控制室占地約60 平米，裝置現(xiàn)場占地約180 平米。

⑿ 由于過程仿真模型是核心，全部變量具有可觀察性，與全實物工廠相比，實現(xiàn)ITS 具有先天優(yōu)勢。結(jié)合作者主持完成的國家高技術(shù)發(fā)展項目（863）“大型石化企業(yè)安全評估”的智能化計算機自動危險與可操作性分析（HAZOP）技術(shù)，可以升級為操作安全為內(nèi)容的實訓系統(tǒng)，同時也是在線智能化自解釋高級實訓系統(tǒng)。

結(jié)束語

作者的新書《知識圖譜建模與智能推理技術(shù)》即將由化學工業(yè)出版社出版。該書是本文所有關(guān)鍵技術(shù)的詳細展開論述，希望該書能夠成為人工智能應(yīng)用專業(yè)“拋磚引玉”之教材。該書的各章內(nèi)容如下：

第一章 前言

第二章 知識本體、信息標準化和領(lǐng)域知識本體

第三章 方法和任務(wù)知識本體

第四章 高效推理算法、圖論與網(wǎng)絡(luò)拓撲

第五章 基于符號有向圖SDG 的深度學習

第六章 知識圖譜建模與智能推理軟件AI3 的設(shè)計與開發(fā)

第七章 AI3 在智能教學中的應(yīng)用實踐

第八章 AI3 在過程工業(yè)中的應(yīng)用

第九章 結(jié)語

作者認為，人工智能系統(tǒng)開發(fā)者和使用者需要具備的基本素質(zhì)如下：

⑴ 有能力洞察人工智能技術(shù)的科技強國深遠意義。

⑵ 完全自覺自愿地、主動地在本職工作中探索和應(yīng)用人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)。

⑶ 人工智能和專家系統(tǒng)要求開發(fā)者和使用者有決心、有恒心、有克服困難的最大勇氣，并完成如下任務(wù)：

●完全采用計算機、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化和軟件程序化工作方式。

●善于接受和應(yīng)用本領(lǐng)域知識本體標準，并通過實際應(yīng)用修正和擴展知識本體標準。

●在實踐中快速成長為跨領(lǐng)域跨專業(yè)的專家，并且磨練成人工智能知識本體的建模能手。作為一個研發(fā)團隊，至少要掌握所研發(fā)領(lǐng)域?qū)I(yè)實踐知識、現(xiàn)代數(shù)學、系統(tǒng)仿真、圖論、網(wǎng)絡(luò)拓撲、評估理論、邏輯分析、概率論、過程控制、故障診斷、數(shù)據(jù)處理、最優(yōu)化、計算機科學和數(shù)值計算理論與技術(shù)，最好都是計算機編程高手。

●深度應(yīng)用新一代專家系統(tǒng)輔助解決各領(lǐng)域的智能識別、智能分析、智能決策和智能行動（控制）問題。

●發(fā)揮多專業(yè)技術(shù)人員的集體智慧，以團隊合作方式持久不斷地維護和發(fā)展領(lǐng)域知識本體模型知識庫。

●持久不斷地研發(fā)更加高效與實用的人機友好、知識表達和知識處理的人工智能軟件平臺。

人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力量。人工智能的發(fā)展需要整個國家和民族的創(chuàng)新進取來推動。作者深切地期待著，我國的職業(yè)技術(shù)學院和本科院校有能力培養(yǎng)出千千萬萬的合格的人工智能創(chuàng)新人才，為實現(xiàn)偉大的“中國夢”而奮斗！