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计算机虚拟现实仿真培训系统的发展综述
2010年8月30日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:王家见 (化工部劳动保护干部培训中心)
          吴重光 沈承壮(北京化工学院)

    编者按:计算机仿真培训系统, 是随着计算机技术的发展而出现的新控术领域。特别是80年代以来,过程工业训练仿真器己选人商品化阶段,具有很高的使用价值 根据目前的技术水平, 可以说. 只要过程工业需要 复杂的和不同规摸的仿真训练系统都能研制成功。它可以根据“机理 进行全工况模型仿真 能描述上千个事件与故障 这无疑是现代工业培养能适应高技术需要的管理和操作人员的连径和手段本刊发表“计算机体真培训系统的发展” 一文. 目的在于提高我们对这一新技木领域的认识 并使这一植术能在亿工系统有一个较快的发展。计算机佑耍培训系统的建立与发展必将更有效地保证安奎生产

    计算机仿真培训系统的意义

    计算机仿真培训系统 就是操作人员脱离实际生产现场.在仿真训练器上进行技术培讽。它是近年来随着计算机技术的发展而出现的新技术领域 它是控制工程、系统工程、模型理论、数字仿真、计算机软硬件工程等多学科研究的综合体现,具有较高的应用价值。利硝仿真洲练嚣,可以使操作人员在正常或紧急的操作条件, 均能在不冒任何风险的前提下, 达到对过程进行操作练习的目的, 而且此种训练可以反复进行,直到熟练为止。目前, 世界上公认实时动态仿真器是训练评价学员操作水平以及对复杂系统进行工程设计的最佳工具。

    化工企业生产过程趋向高度集成化、复杂化、连续化、操作工艺条件愈来愈严格,产品产量、原料供应和能耗都极为可观, 生产自动化程度日趋提高 这些特点, 对操作工人、现场技术人员. 管理人员和仪表工人提出了更高的要求, 需要他们具有熟练的操作技能和处理事故的应变能力、经验。但由于经济上,特别是安全方面的限制, 一般不允许操作工人直接在生产装置训练。因此, 过去那种师傅带徒弟,现场观察、常年跟班的老办法, 已远远跟不上现代生产的需要。另外, 由于控制水平的提高 重大事故往往一年甚至几年也不出现一次, 乃至正常的开停车也不会经常避到。因此, 一旦发生事故苗头或需要开停车对,势必形成一种 紧要关头 的气氛,使正常的培训极为困难 即使是有经验的操作人员. 其排除事故隐患, 正确开停车的能力,也将由于长时间缺乏应变实践而大大降低。利用仿真训练器对新老操作工人进行培训,定期再培训,可使他们在短期内积累丰富的实际操作经验, 这实属一种高效的强化训练方法。

    仿真培训系统还是一种最经济的培训系和用仿真培 『I器可节省真实生产过程所诮耗的贵重化工原料和A日量。此外,现在的仿真器已不仅仅停留在只仿真对象的动态特性上,同时还加进了对实际控制系统的模拟。于是,仿造的调节器,手操器等代替真实的调节仪表, 降低了仿真器的造价。另, 由于目前的仿真器硬件均设计为通用的,所以,现在的投资实际是为今后作了投资。

    国内外计算机仿真训练概况

    早在本世纪4O年代, 随着计算机仿真的兴起和应用.仿真培训也逐渐发展起来。其发展过程大致经历了三个阶段, 即由使甩模拟计算机到使甩混合计算机,最后使用数字计算机。早期由于数字计算机的处理能力和计算速度比较慢,而模拟计算机速度比较快, 可以满足实时仿真的要求, 因此, 早期的仿真培训系统多采用模拟计算机。混合计算机则克服了模拟计算机处理逻辑关系上的弱点, 因而更适台作仿真训练用 随着数字计算机的不断发展,其计算速度不断提高, 实时仿真的问题已经解决,加之兼有计算精度高和运用灵活等特点 因而,4O多年来, 计算机仿真培训系统,作为一个新兴科学.得到了迅猛发展。

    仿真训练器主要用于以下三个方面,其一是军事领域。由于实际需要 军用仿真器诞生最早,特别是二次世界太战后,发展极为迅速;其二是过程工业领域。包括石油炼制工业、石油化学工业, 化学工业、纸浆和造纸工业, 核电站和水电站工业等 过程工业仿真器起步较晚, 水世纪6 0年代才开始出现,但是近1 0年来, 随着现代化学工业的飞速发展,过程工业 练仿真器的应甩范围已极为广泛;其三是博弈仿真器,即训练决策能力的仿真器,主要用于经济和战争等领域。

    60年代初期,FssozI程公司和美国石油公司开发了便携式仿真器,用于过程操作及控制训练。1968年美国Audy公司推出了ModellSOl型过程训练仿真器,美国Cormody练系统公司也推出了过程操作训练仿真器。Exxon公司的模拟仿真训练工作可追朔到1963年,美国钢铁公司也在积极探索仿真训练装置的应用。许多小型的表达一个或两个控制回路的过程仿真器相继问世, 如Foxboro公司推出的便携式仿真器。

    60年代开发的仿真训练装置大多以电模拟机为主。由于实验手段、建立模型的技术和计算机能力的限制,复杂过程的动态特性, 一般“黑箱” 模型仿真器所能设置的的事件与故障也只有几十个, 因此,仿真训练装置所模拟的对象仅是中小规模或单元操作等简单系统。

    79年代, 全数字计算机特剐是工业控制机和小型计算机技术的发展, 以及数字仿真技术、数字模型技术不断实用化, 计算机仿真训练在水电站和核电站领域取得了突破性进展。7O年代初期,美国有4家核电站设备设计与制造公司, 先后建成了各自的核电站研究理仿真器和培训器。加拿大多伦多的Ontario H~dro机构向蒙特利尔市的CAE订购5套核电站仿真训练器,其中第一套使用了4套VAXⅡ1780机组成网络,软件用FORTRAN语言编写,仿真器包括主控制表盘及辅助表盘。西欧各国, 如法国、德国、西班牙等国也自行研制了用于训练核电站操作人员和运行人员的仿真器。美国的PEC钠冷却核反应堆1978年投运了l1.8万千瓦核反应堆的训练仿真器。1977年到1979年美国MHI机构开发了蒸汽透平多段压缩机训练仿真器.模型包括压缩过程和制冷过程 压缩过程最大可分为5段,美目Foxboro公司1979年开发了液化天然气运输船处理系统的训练仿真器 1979年美国深康公司为埃及、沙特阿拉伯等第三世界国家开发了炼油和乙烯装置的训练仿真器7O年代计算机训练仿真器在火电站和核电站领域内全面普及应用C103。专门研制过程训练仿真器的公司相继成立,这一时期模型的逼真度与准确度达到了相当商的水平。特别是核电站的训练仿真器, 已能描述几百乃至上千个事件与故障, 计算机与控制仪表模拟装置的信号达上千路 同时,训练仿真器在石油化工领域开始实用化。

    80年代,全世界虽然数美国使用过程训练仿真器最多、水平最高,但其它国家也有很大发展,并有迅速赶上之势。如英国的ICI公司就专门有一批人研制训练仿真器。由于在工业中应用效果很好.他们的工作愈搞规模愈大。法国、加拿大、苏联等国研制核电站仿真器的历史也很长.特别是法国的核电站仿真器水平较高, 近期成功地用VAXⅡ/780与FPS一164组成的仿真系统进行了超凤凰130万千瓦快中子增殖堆核电站的正常瞬态特性研究, 日本不但使用仿真训练器的工业公司很多.也研制出了压缩机、核电站训练仿真器,特别是目前生产集散型仪表的厂家,都在积极开发以石油化工为对象的训练仿真系统.无论是在硬件还是在软件方面都达到了相当高的水平。

    1981年以后, 际上过程工业训练仿真器进入商品化时代。主要原因是全数字电子计算机速度 、容量和性能大为提高,亿位超级小型机出现.大规模集成电路普及化,使计算机接口小型化, 性能可靠、价格低,促进了数字仿真技术、数字模型技术和计算机控制技术的迅速发展。今天 可以说, 只要过程工业需要, 任何复杂、任何规模的仿真训练系统都能研制成功,从技术水平上,已经从 黑箱” 模型发展到以”机理” 为主f由全工况模型仿真, 仿真程序已能描述上千十事件与故障. 计算机与控制室接口的信号交换数达到了100O0个, 在仿真训练领域几乎应用了电子计算机的所有精华 近年来出现的并行式微型计算机.使仿真训练更上一层楼。由于采用了微型机cPu并行式结构可以用中小型计算机的造价,达到亿次,秒巨型机的效果, 这就为大系统、全工况实时仿真提供了较理想的计算机。其中80年代初具有代表性的机种是美国的AD-10仿真计算机, 由美国应用动态国际(ADI)公司研制.此种机器大部分用于航天航空军事部门。羹国的Singer Link公司将其用于核电站训练仿真, 印第安纳标准石油公司用于石油化工过程仿真。

    1979年美国三里岛事故后.仿真器作为操作人员训练工具以及对核电站安全分析、运行分析和操作规程制订方面重要作用的认识提高到了一个新的高度。目前.核电站的操作工人几乎每周都要在全工况训练系统上进行强化训练, 以便保持操作人员的熟练程度始终处于最佳状态。

    当今, 就炼油、石油化工、化学工业等领域而言. 例如, 原油蒸馏装置、催化裂化装置、铂重整装置、大型台成氨装置、醋酸纤维素.对苯二甲酸装置 液化天然气装置、污水处理装置、公用工程装置、造纸过程中的连续蒸煮器、纸张漂白、液体蒸发器 化学试剂回收装置等都有商品化的培训系统出售。

    国内在仿真训练方面起步较晚, 与国际先进水平相比.还有较大差距,但从70年代以后加快了发展速度。在国防部门,北京航空航天大学经过多年奋斗, 完成了我国第一个飞行仿真系统的研制任务: ;清华大学完成了不针对特定工厂 通用2 O万千瓦火力发电厂的仿真培讲系统.并获国家科学进步一等奖, 国防科技大学研制成功亿次银河仿真计算机, 以VAXⅡ/780作主控机. 采用多个CPU并行结构. 达到了美国AD-10计算机水平。微型计算机的推广应用为仿真训练器的开发研制创造了条件. 一些小型火炮、战车,海战,歼击机飞行视景系统,作战指挥员训练系统相继开发成功, 计算机仿真训练的概念为工业部门所接受 电力系统以600"-,700万美元引进了美国深康公司电站全工况培训系统。化工部投资100多万美元,从美国Audy公司引进了两套培训系统,一套用于沪州天然气化工厂, 另一套用于山西鹿城合成氨厂,以上 I选项目还处于软件开发阶段.尚未投入使用。我国石油化学工业仿真训练技术. 近几年已取得重大进展。北京化工学院仿真中心于1985年首次在1BM PCIXT机上开发成功便携式仿真讲练器,可以仿真透平压缩机控制系统,间歇反应器操作,热交换操作以及PID控制, 泵特性测试实验、氨吸收实验, 流体阻力实验等, 已成功应用予大学本科生的工艺及自动化专业仿真实验教学中,并用于四川化工厂的工人培。1987年4月与燕山石化公司合作,在石油化工领域, 国内首次实现了在引进装置开车前针对真实工业装置~ -120万吨,年催化裂化烟机会热发电仿真培训系统[I].这套系统为该项目培训了200多人次操作工人 电工和仪表工人 为烟机余热发电冷试成功.一次开车并圈发电成功以及制订或修订开车方案,探索最佳开车方案等方面都发挥了重要作用。随后相继开发了大型乙烯、中型合成氨, 大型合成氨 炼油厂等其中的工段或单元操作仿真培训系统 并相继通过中国石化总公司和化工部等部门的鉴定。

    计算机仿真培训系统的前景和展望随着我国四个现代化事业的飞速发展,工业部门工人队伍不断扩大,工艺设备和自动化程度不断提高.特别是从国外 f进的许多太型石油化工装置.对新老工人都提出了更高的要求 町以预料 这些部f1对仿真培训系统的需求,将会愈加迫切,必将推动仿真培训系统的开发研究水平的提高和应用。

    仿真培训系统发展趋势:

    1. 沿着两个分支发展,其一是超大型化, 复杂系统的巨型培训系统。如用于大型核电站全工况精密仿真. 同家级铁路运输系统,超大城市交通指挥管理系统等。其二是微型化、方便化、大众化、价廉、实用的仿真培训器 如单元操作,教学实验仿真器等。

    2.将仿真培训与操作优化,企业管理结台起来的综合发展方向。

    3. 学员操作场所转向大尺寸、彩色,三维立体、运动画面及键盘操作环境,卿向TDC集散型仪表终端靠拢。

    4. 研制更为通用, 价廉、高速度、高效率的仿真专用计算机.降低培训仿真器成本,提高性能。

    5. 组建职业仿真培 中心.开辟一条现代化职工技术培训道路。

    6. 运用计算机发展的新技术, 开发出智嚣化、自学习、自适应,随机决策自动化教学系统.加强教师指令台的智能. 构成全自动学习机。

   

标签:仿真培训
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