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1.应用技术简介
1.1 仿真技术

仿真（Simulation）是一个模型在时间域或空间域的运行和操作。仿真有助于人类对系统中相互作用的感知和系统中所发生事件的深入了解。

将仿真技术应用于对工程工业系统研究的行为成为过程工业系统仿真，过程工业系统仿真主要由三个部分组成：过程系统、数学模型、仿真机。三者之间形成两个关系：由过程工业系统到数学模型之间的关系，称为建模（Modeling）；由数学模型到仿真机之间的关系，称仿真（Simulation）。三部分关系如图如下：

图1：过程工业系统仿真组成和关系

1.2 虚拟现实技术

虚拟现实(VR，Virtual Reality)作为一种综合计算机图像技术、多媒体技术、传感技术、人机交互技术、网络技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。

虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、无限制地观察三维空间内的事物。使用者进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。
1.3 虚拟现实仿真培训系统

将虚拟现实技术引入到过程工业系统仿真中，利用仿真系统对员工操作技能和安全技能培训，进而形成了虚拟现实仿真培训系统（VRSimu）。

根据过程仿真系统的三个组成主要部分和两个关系，虚拟现实仿真培训系统可以简化成如下图示：

过程工业系统：是拟进行仿真的过程工业系统中的生产装置或仪器设备等；（过程工业系统主要包括石油炼制、石油化工、煤化工、冶金、污水处理、煤气、天然气加工、火力发电、核动力发电、造纸、食品加工、制药等工业系统。）
数学模型与建模：用于描述对象系统的数学表达式的集合称为数学模型，建模就是分析、推导和建立数学模型的方法与过程；
仿真机与仿真：仿真系统的软件和硬件有机结合构成仿真机，仿真就是依据数学模型开发仿真软件的方法与过程。

2.虚拟现实仿真培训系统介绍

采用虚拟现实（3D）软件技术开发，即现场操作的人机方式为三维立体图形化的软件界面及角色扮演操作方式，以装置平面布置图、施工图（带管线装配图）为基准，采用三维立体图形化的人机界面展示需要现场就地操作的内容，包括现场阀门、仪表和其他可操作设备等。此外，还包括现场安全设施，如防火堤、消防水炮、消防栓、灭火器材、防护器材等。

虚拟现实仿真通过构建与实际生产现场完全相同的三维立体视觉和听觉空间（设施的外形、尺寸、颜色、位置、距离、操作、动态变化视觉效果、音响效果等），为使用者提供了一个更加逼真和身临其境的虚拟空间，可以在其中以虚拟人的身份进行与现实中相同的行为操作并获得更直观和逼真的信息反馈。

根据实际装置中的人员属性（岗位划分、岗位人数、体征、服装、标志、装备、生命属性等）建立角色人物模型，实现其表观形象、行为动作、行为能力上与实际相符，同时建立人物与可操作部件和设备之间的交互式行为规则，实现虚拟人物的行为方式与规则与实际完全一致，包含虚拟人物在危险环境下的生命特征模拟，如在烧伤或中毒导致的生命值下降等，同时可实现多人联机协同操作。

虚拟现实仿真培训系统对于现场事故现象，如着火、泄露、冒烟等物理现象的表现也更直接和逼真，并能模拟因破损设备内部压力和破损程度不同而导致的火焰范围和幅度变化、因风力和风向不同而导致的火焰扩散方向和区域等细节。

除能进行开车、停车、正常操作等常规仿真训练外，虚拟现实仿真系统还能够进行装置安全应急预案的演练和校验，从而将仿真培训系统的应用范围向安全培训领域扩展。

3.虚拟现实仿真培训系统功能介绍

n 系统配置

风向，风力等级设置。器材、工具等的存放位置以及数量设定等。

n 培训角色选择

选择班长，内操，外操，班组安全员等几个角色进行操作，具体角色与人数以选择的应急预案为准，总人数不应超过8人。

n 模拟真实场景

将实际装置以虚拟现实方式模拟到计算机上，操作人员可在里面行走漫游，从而熟悉整个装置的流程，熟悉各重要设备的位置，形状，操作模式等。

n 虚拟人行为与操作

实现虚拟人物的走、跑、爬楼梯等，携带各种工具，开关阀门，操作机泵等动作行为。

n 观察者与观察站

除了正常操作站上的操作角色外，设置观察者，用于观察整个小组的操作情况。观察者所在的站对应为观察站。观察站可以从各个角度看其他人的操作。但本身不参与操作中。

n 虚拟人员属性

虚拟人员具备一定的属性（如生命属性和装备工具属性等）。

n 工况选择与培训项目

t 冷态开车；

t 正常停车；

t 常规事故处理；

t 正常操作调整；

t 应急预案仿真操作演练；

t 设置干扰（故障）的应急预案仿真操作演练。

n 联合模式与独立模式

t 联合模式：多角色多人多站协同操作，班组统一培训时采用此种模式。可同时设置多台DCS操作员站和现场操作员站，班组成员协同完成装置操作和事故处理训练。

t 独立模式：单人单站独立操作，一个人一台机器上模拟多个角色，独立完成所有角色的工艺操作和事故预案处理训练。

n 数学模型与算法实现（工艺过程、事故过程仿真）

符合内在原理的动态数学模型在后台运算，根据操作情况实时反映流量，压力等相关参数的变化，事故状态、根据事故处理情况反应事故状态随操作的变化与事故状态的蔓延变化。根据事故覆盖状态和操作人员位置计算人员属性状态等。

n 教师站管理软件

指令功能：选择设置各种培训项目，可以随时设置故障等。

控制功能：控制仿真系统的运行状态与节奏，快门记录与重演等。

监视功能：监视所有岗位的状态，收集并统计各岗位的成绩等。

n 操作评价与讲评功能

记录所有操作过程，依据操作原则，对整个操作过程给于综合性评价和指示。

根据后台评分规则，对小组和每个人的操作进行讲评，指出操作正确与不足的地方，以便取得更好的演练效果。

3、建设方式

虚拟现实仿真培训系统建设方式分为通用产品和定制开发两种模式。

通用产品模式：是根据公司多年仿真开发和服务经验制作的一系列具有普遍通用性的仿真软件，其特点是通用性强、价格低、周期短；其分为通用单元级虚拟现实（3D）仿真培训系统和通用装置级虚拟现实（3D）仿真培训系统两种类型。

定制开发模式：是指针对客户实际生产装置的处理量、工艺、设备、DCS、SIS（含ESD）、化工过程原理、质量及能量平衡、机械设备工作原理等，同时根据装置布局、设备尺寸和布局、管线尺寸和走向、人员配置、安全设备等进行1：1定制开发其虚拟现实仿真培训系统，其特点是针对性强、价格较高、工期较长（常规装置6-7个月，复杂装置需要9-10个月）。