浅谈数字孪生工厂的工艺流程三维模拟技术

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　　摘要：随着数字化时代的到来，以虚拟现实技术为代表的数字化技术将会对石油石化行业产生重要的影响，运营单位对安全的要求也越来越高，同时油气田地面工程大部分设备必须连续作业，通常处于易燃易爆、高温高压的环境，如果想要进行人员上岗的培训、应急演练、紧急事故处理、正常调工况、开车等往往不能够直接实现，或者需要花费大量的代价或者冒很大的风险，所以本文融合虚拟现实技术与工艺流程仿真模拟技术相结合，研究了工艺流程的三维模拟技术。
　　关键词：虚拟现实展示技术;数字化集成系统;工艺流程三维模拟
　　中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0073-02
　　0 引言
　　随着数字化时代的到来，以虚拟现实技术为代表的数字化技术将会对石油石化行业产生重要的影响，业主对安全的要求也越来越高，油气田地面工程大部分设备必须连续作业，通常处于易燃易爆、高温高压的环境，如果想要进行人员上岗的培训、应急演练、紧急事故处理、正常调工况、开车等往往不能够直接实现，或者需要花费大量的代价或者冒很大的风险。
　　而仿真技术是以计算机和各种设备为工具，在相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关技术的基础上，建立并利用模型对相关系统进行实验研究的一项综合技术[1]。当前，为了进一步降低生产运营成本、提高安全运行水平，国内外油气企业纷纷采用仿真模拟技术优化工程的设计、运行。
　　实现工程的虚拟现实必须要有三维模型作为基础，目前油气田地面工程在设计阶段大部分采用三维的设计软件实施，融合虚拟现实技术与工艺流程仿真模拟技术，形成工艺流程三维模拟系统，通过该系统可以模拟各种工况和场景;同时完成高风险作业培训、人员上岗培训，开车试运行模拟仿真等，通过该技术将提高石油工程建设和运行的管理水平，为实现智慧油田提供技术支撑和保障。
　　1 工艺流程三维模拟概述
　　工艺流程三维模拟可分为三部分：虚拟现实展示系统、数据库系统及工艺流程模拟仿真系统，三者之间相互关联组成完整的系统。
　　（1）虚拟现实展示系统：实现工艺流程仿真系统的人机交互与信息呈现采用软件对设计阶段的三维模型进行格式转换，转换成通用格式，在转换过程中保证模型的完整性、数据的准确性。将模型导入到虚拟现实展示平台中，用户可以在系统中浏览查看各种设备的属性信息，同时读取计算产生的数据以及场景展示。
　　（2）工艺流程仿真模拟系统：整个平台的机理模型和数据来源，可以在控制指令的驱动下实现不同工况下运行参数的变动计算，根据工艺流程图在系统中进行创建和参数输入控制，并通过仿真软件实现动稳态的仿真计算模拟，计算完成后再通过数据库系统将结果反馈到虚拟展示系统中通过场景进行呈现。
　　（3）数据库系统：该数据库存储物理拓扑结构及动态数据表和指令参数，主要功能是连接虚拟现实展示平台和工艺流程仿真模拟软件，通过数据库完成数据的传递和指令的响应。
　　2 工艺流程仿真模拟
　　2.1 仿真模拟技术概述
　　工艺流程仿真模拟就是将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型表现，用计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型，得到有关化工过程性能的信息。根据模拟对象所要求的特性与时间的关系，工艺流程仿真模拟可分为稳态流程模拟和动态流程模拟。
　　稳态模拟的主要应用场合及功能包括：新装置设计，旧装置的改造，新工艺、新流程的开发研究，生产调优、疑难问题诊断，科学研究，以及作为动态模拟、实时优化的基础。
　　动态模拟可以对化学过程或精炼厂进行更好的设计、优化和操作，能够确定该工厂能够以一种安全和简单的操作方式来生产理想的产品，因此对实际生产更有指导意义。
　　2.2 模拟计算过程
　　本次以某三甘醇脱水项目为例，主要模拟计算过程如下：
　　（1）建立稳态模型：根据现场运行参数的部分数据，在HYSYS的Steady State下，建立三甘醇脱水的稳态模型。
　　（2）建立动态模型：在得到稳态模型各设备、环节的运行参数后，在Dynamic Code狀态下，建立各设备的动态模型。之后逐渐增加调节阀、安全阀、切断阀模型，最后增加控制逻辑。
　　（3）数据处理：以模拟得到的原始数据为基础，通过Excel表格处理有关数据，分析模型计算运行的合理性和科学性，分析完成后导入到中间数据库中进行存储，该数据作为三维模拟展示的基础数据。
　　3 三维虚拟展示
　　3.1 系统架构
　　工艺流程的三维模拟分为三层：三维可视化平台包含了图形引擎和物理引擎。图形引擎负责三维模型的渲染和展示;模型转换负责将源模型格式转换并轻量化为中间格式。仿真系统和实时数据库负责接入和读取仿真数据和实时数据。如图1所示。
　　3.2 模型转换
　　针对不同的模型格式实现该模型特定的解析器插件，解析管理器管理并根据输入的模型格式分配不同的源模型解析器实例。源模型解析后会在内存中形成统一的中间格式，中间格式在内存中保存了模型的几何结构信息。最后模型简化器会对模型的中间格式进行简化，然后存储在磁盘形成统一的模型格式。
　　3.3 图形引擎
　　采用的实时渲染的机制，相比于单独渲染出每一张图片再做成视频更需要运算资源，为了做到流畅且高质量的显示效果，渲染引擎主要做了以下几点优化：（1）高效视锥体裁剪算法;（2）相同材质的几何体合并渲染;（3）像素过小时剔除;（4）资源多线程异步加卸载。
　　3.4 三维虚拟展示实现方法
　　主要包括以下内容：
　　（1）数字孪生系统：三维虚拟展示平台作为数字孪生的承载系统，通过提供仿真系统与实时系统的切换以达到仿真系统与实际运营系统的映射。 　　（2）设备位号绑定：仿真系统和实时数据系统每一个点位需要保证相同的点位号，实现仿真系统与实时数据系统同时绑定到设备位号。
　　（3）读取仿真数据：仿真系统根据仿真过程生成时间序列的仿真数据。仿真数据每一列代表一个设备的一个数据点，每一行按照时间序列（秒）存储仿真数据。数据的导出格式为excel文件格式。
　　（4）仿真数据展示：工艺流程仿真系统的PID图与三维模型中的设备位号进行绑定，然后工艺流程仿真模拟系统生成仿真数据。在三维场景中实时的读取仿真数据，在三维场景中的特定设备上通过标牌窗口显示。
　　3.5 流程模拟三维展示
　　（1）高仿真三维模型制作：通过三维模型转换技术将S3D产生的三维模型和数据转换成可展示的格式，导入到展示软件中，在软件中可以进行模型的渲染、配色、定制、细化等操作，并且对周边环境、地理信息等进行参考，让模型更贴近现实。
　　（2）三维模型浏览漫游：通过软件的漫游功能，可以通过多种视角进行工厂漫游，同时也可以配置虚拟现实设备，实现VR的虚拟展示，该方式能够使用户沉浸在数字化工厂中，身临其境的感受数字化工厂以及工艺模拟数据展示。该功能能够为运营期组织人员培训、操作培训、应急演练等，大大节约成本。
　　（3）实现动态数据显示：标牌采用HTML格式进行展示，比如设备的工艺参数实时展示，可实现设备内部组件的设置、液位的变化、关键参数等动态展示，以便随时掌握该设备的运行状况（如图2）。
　　通过軟件定制开发，实现温度表、压力表的动态展示，通过虚拟表盘和数据列表的形式呈现给用户，让用户在虚拟环境中快速的获取有效信息。如图3所示。
　　4 结语
　　在数字孪生体中工艺流程三维模拟打破常规，通过技术手段将二维的计算和三维模型进行关联互动，并通过数据传递交互实现信息共享，数据递延，并借助虚拟现实技术进行沉浸式展示和体验，为工程运维期提供强大的技术支撑。
　　参考文献
　　[1] 杨明娣，陈广美.探析化工教学中仿真技术的应用[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
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