CN102930773A - 一种石化装置三维实时培训方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石化装置三维实时培训系统，其包括：三维数字化智能工厂模块，基础数据平台模块，三维培训引擎子系统模块，三维实时培训系统应用子模块。本发明基于虚拟现实技术开发了石化装置三维实时培训系统，企业员工可以在石化企业数字化智能工厂的环境中熟悉并操作各种复杂设备，基于虚拟现实技术的石化装置三维实时培训系统具有其独特的优势，提高了培训的质量和效率，具有广泛的应用前景。

Description

一种石化装置三维实时培训方法及系统

技术领域

本发明属于计算机技术领域，特别涉及一种基于虚拟现实技术和计算机数值模拟技术的石化装置三维实时培训系统。

背景技术

随着石油炼制与石油化工技术的迅速发展，石油化工企业对员工培训的要求也起来越高。建立健全多渠道多层次的员工培训体系，科学地做好员工培训工作，是提高企业员工素质的重要环节。为此，本发明以三维数字化智能工厂为载体，开发了一种基于严肃游戏形式的三维实时培训系统，丰富了员工培训体系，充分发挥培训环节在提高职工素质中的作用。

在石油化工生产中，每一个生产或操作环节都可能存在安全隐患，一旦发生事故后果不堪设想。并且，不是每个生产环节都可以亲眼看到，在传统培训模式下，企业员工在培训中所得到的只能是枯燥的理论知识。传统培训模式一般通过邀请专家学者担任培训讲师，定时、定点进行集中授课，这种方式存在着内容枯燥、真实感差、针对性低、无重复性等局限性。尤其对于危险作业或不具备试验条件的高级培训，传统的培训方式更是难以实现。传统培训模式的局限性制约了人们所期望的培训质量和培训效率，满足不了现代社会的需求。

近年来发展成熟的三维虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术利用三维建模技术、计算机图形技术等高新技术手段，能够在计算机上构建一个逼真的三维虚拟培训场景，并且借助鼠标、键盘、数据手套、三维定位跟踪器等输入设备，能够对虚拟的三维实体进行交互式操作。这种虚拟现实技术在医疗、娱乐等领域有广泛的应用，但是在石化企业员工三维实时培训方面国内还尚未应用。

利用虚拟现实技术可以逼真的展示石化企业三维数字化工厂的模型，三维数字化企业员工教育培训课程，模拟不同形式的生产、事故场景，并提供多种形式的三维实时培训与考核的方式，提高了员工培训的兴趣性，增加了培训的质量和效率，本发明就是基于上述需求所产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种石化装置三维实时培训系统，通过基于三维建模技术、计算机图形技术等手段，利用MicroStation、3ds max等三维数字模型构建软件建立三维智能工厂；在VC.NET编译环境下，应用OpenGL实现了三维引擎的开发，并封装成ActiveX控件，开发了基于B/S结构的三维实时培训系统，实现石化装置工艺流程动态模拟、交互式开停工操作模拟、重点设备结构和原理、培训题库的三维模拟等功能，通过三维技术模拟真实的场景，加强员工培训时的交互性，使员工对工厂及事故场景真实感受加强，实现网络上的不同用户已登录到服务器上，进行分布式的三维实时培训与考核。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种石化装置三维实时培训系统，其包括：

三维数字化智能工厂模块，其用于准确逼真的模拟显示三维培训虚拟场景；

基础数据平台模块，其用于将石化企业装置、设备信息传递给三维数字化智能工厂模块，实现三维场景和基础数据的关联；

三维培训引擎子系统模块，其负责实现、组织与管理三维数字化智能工厂模块的中三维模型，用于表现渲染三维培训场景，实现石化企业三维实时培训的各种应用，提供三维实时培训系统二次开发的接口与工具，该三维培训引擎子系统模块可以实现培训场景三维可视化、场景修改、自由游历、信息查询的功能；

三维实时培训系统应用子模块，其用于实现石化企业员工三维实时培训与考核。

其中，基础数据平台模块包括企业基础信息数据子模块、实时运行数据子模块和监测监控数据子模块。

其中，三维培训引擎子系统模块是基于VC.NET编译环境和OpenGL图形库开发的。

其中，三维实时培训系统应用子模块包括基础信息管理子模块、三维基础应用子模块、工艺流程培训子模块、开停工培训子模块、DCS模拟培训子模块、装置设备培训子模块和应急预案子模块；

所述基础信息管理子模块用于石化装置二维文本数据、三维图形数据、实时运行数据、地理信息数据的组织、优化和管理；

所述三维基础应用子模块用于石化装置三维图形的显示、三维漫游；

所述工艺流程培训子模块用于石化装置工艺流程动态模拟；

所述开停工培训子模块用于交互式开停工操作模拟；

DCS模拟培训子模块用于装置日常生产DCS操作的模拟；

所述装置设备培训子模块用于典型石化装置工作原理、结构三维模拟与培训；

所述应急预案子模块用于石化企业应急预案三维数字化模拟。

本发明还提供了一种石化装置三维实时培训系统，其包括：

三维数字化智能工厂模块，其用于准确逼真的模拟三维培训虚拟场景；

基础数据平台模块，其用于将石化企业装置、设备信息传递给三维数字化智能工厂模块，实现三维场景和基础数据的关联；

三维培训引擎子系统模块，其负责现实、组织与管理三维数字化智能工厂的中三维模型，用于表现渲染三维培训场景，实现石化企业三维实时培训的各种应用，提供三维实时培训系统二次开发的接口与工具，该三维培训引擎子系统模块可以实现培训场景三维可视化、场景修改、自由游历、信息查询的功能；

三维实时培训系统应用子模块，其用于实现石化企业员工三维实时培训与考核；

基础数据平台模块包括企业基础信息数据子模块、实时运行数据子模块和监测监控数据子模块；

三维实时培训系统应用子模块包括用于石化装置二维文本数据、三维图形数据、实时运行数据、地理信息数据的组织、优化和管理的基础信息管理子模块，用于装置三维图形的显示、三维漫游的三维基础应用子模块，用于石化装置工艺流程动态模拟的工艺流程培训子模块，用于交互式开停工操作模拟的开停工培训子模块，用于装置日常生产DCS操作的模拟的DCS模拟培训子模块，用于典型石化设备工作原理、设备结构三维模拟与培训的装置设备培训子模块和用于石化企业应急预案三维数字化模拟的应急预案子模块。

本发明还提供了采用上述石化装置三维实时培训系统进行实时培训的方法，其包括：

第一步，根据需要选择三维实时培训系统应用子模块中的各个子模块；

第二步，系统根据所选择的各个子模块从基础数据平台选择相应的数据，并反馈给三维数字化智能工厂模块；

第三步，三维数字化智能工厂模块根据反馈的数据模拟三维培训虚拟场景并将获得的信息传送给三维培训引擎子系统模块；

第四步，三维培训引擎子系统模块根据获得的信息显示三维培训场景，并且可以根据需要对场景进行修改，查询。

本发明还提供了上述石化装置三维实时培训系统在石化企业事故模拟培训过程中的应用。

本发明有益的技术效果在于：

本发明基于虚拟现实技术开发了石化装置三维实时培训系统，企业员工可以在石化企业数字化智能工厂的环境中熟悉并操作各种复杂设备。

本发明的石化装置三维实时培训系统能满足信息时代技能培训不断变化的要求，是一种高水平、高效率、低费用的新型柔性培训模式，它使得人员培训无论是在应用范围（广度、空间）、时间选择（宽度、时间）、还是在培训的难易程度和绩效评价（深度、效度）上都有着其它培训方式所无法比拟的优越性。

利用三维实时培训系统对员工进行培训，根据所要培训的内容进行相应的虚拟处理，员工无论是在知识学习、能力创新，还是在经验积累、技能训练等方面都可以收到意想不到的效果。

石化装置三维实时培训系统可以对时空、内容、设备、角色等进行虚拟，创造一个人性化的学习环境，使受训员工能够在亲切、自然、趣味性足而且安全的虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。

基于虚拟现实技术的石化装置三维实时培训系统具有其独特的优势，提高了培训的质量和效率，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明石化装置三维实时培训系统总体流程框架图；

图2为工艺流程培训子模块界面图；

图3为开停工培训子模块界面图；

图4A和图4B为培训形式示意图；

图5三维实时培训系统界面。

具体实施方式

本发明是基于虚拟现实技术、计算机图形学技术、计算机网络技术，在自主研发的基础上建立一套高扩展性的石化三维实时培训引擎，从而构建石化企业员工三维实时培训的系统平台。

本发明通过石化三维实时培训引擎，建立了石油石化企业生产装置、设备、应急物资、消防力量等企业设施的三维数字化智能工厂，实现了装置工艺流程、开工操作、停工操作、DCS操作模拟、重点设备结构和原理、培训题库的三维实时培训，它具有真实性、互动性、开放性、超时空性可操作性、对应性、趣味性等特点。

本发明提供的石化装置三维实时培训系统，其包括：

三维数字化智能工厂模块，其用于准确逼真的模拟三维培训虚拟场景；

基础数据平台模块，其用于将石化企业装置、设备信息传递给三维数字化智能工厂模块，实现三维场景和基础数据的关联；

三维培训引擎子系统模块，其负责现实、组织与管理三维数字化智能工厂的中三维模型，用于表现渲染三维培训场景，实现石化企业三维实时培训的各种应用，提供三维实时培训系统二次开发的接口与工具，该三维培训引擎子系统模块可以实现培训场景三维可视化、场景修改、自由游历、信息查询的功能；

三维实时培训系统应用子模块，其用于实现石化企业员工三维实时培训与考核。

三维数字化智能工厂模块是包括石化企业工厂、装置、设备、管线、监测点的立体层次的三维数字化模型，其是根据CAD图纸，按照1：1的比例构建，并结合现场照片，利用Microstation和3Ds max三维软件搭建的三维培训虚拟场景。

基础数据平台模块包括企业基础信息数据子模块、实时运行数据子模块和监测监控数据子模块。

三维培训引擎子系统模块是基于VC.NET编译环境和OpenGL图形库开发。

三维实时培训系统应用子模块包括基础信息管理子模块、三维基础应用子模块、工艺流程培训子模块、开停工培训子模块、DCS模拟培训子模块、装置设备培训子模块、应急预案子模块。

所述基础信息管理子模块用于石化装置二维文本数据、三维图形数据、实时运行数据、地理信息数据的组织、优化和管理；所述三维基础应用子模块用于石化装置三维图形的显示、三维漫游；所述工艺流程培训子模块用于石化装置工艺流程动态模拟；所述开停工培训子模块用于交互式开停工操作模拟；所述DCS模拟培训子模块用于装置日常生产DCS操作的模拟；所述装置设备培训子模块用于典型石化装置工作原理、结构三维模拟与培训；所述应急预案子模块用于石化企业应急预案三维数字化模拟。

本发明中基础信息管理子模块是基于Java和Oracle软件实现其功能，三维基础应用子模块、工艺流程培训子模块、开停工培训子模块、DCS模拟培训子模块、应急预案子模块是基于VC.NET和OpenGL开发的三维培训引擎子系统模块实现。

在石化装置三维实时培训系统里，员工以第一人称或第三人称的方式主动式的参与工艺流程、开工操作、停工操作、DCS操作模拟、重点设备结构和原理、培训题库等多形式的培训与考核，可用于学习、考核和回顾三个学习环节。

本发明还提供了一种石化装置三维实时培训系统，其包括：

三维数字化智能工厂模块，其用于准确逼真的模拟三维培训虚拟场景；

基础数据平台模块，其用于将石化企业装置、设备信息传递给三维数字化智能工厂模块，实现三维场景和基础数据的关联；

三维培训引擎子系统模块，其负责现实、组织与管理三维数字化智能工厂的中三维模型，用于表现渲染三维培训场景，实现石化企业三维实时培训的各种应用，提供三维实时培训系统二次开发的接口与工具，该三维培训引擎子系统模块可以实现培训场景三维可视化、场景修改、自由游历、信息查询的功能；

三维实时培训系统应用子模块，其用于实现石化企业员工三维实时培训与考核；

基础数据平台模块包括企业基础信息数据子模块、实时运行数据子模块和监测监控数据子模块；

三维实时培训系统应用子模块包括用于石化装置二维文本数据、三维图形数据、实时运行数据、地理信息数据的组织、优化和管理的基础信息管理子模块，用于装置三维图形的显示、三维漫游的三维基础应用子模块，用于石化装置工艺流程动态模拟的工艺流程培训子模块，用于交互式开停工操作模拟的开停工培训子模块，用于装置日常生产DCS操作的模拟的DCS模拟培训子模块，用于典型石化设备工作原理、设备结构三维模拟与培训的装置设备培训子模块，用于石化企业应急预案三维数字化模拟的应急预案子模块。

三维数字化智能工厂模块是包括石化企业工厂、装置、设备、管线、监测点的立体层次的三维数字化模型，其是根据CAD图纸，按照1：1的比例构建，并结合现场照片，利用Microstation和3Ds max三维软件搭建的三维培训虚拟场景。

本发明还提供了采用上述石化装置三维实时培训系统进行实时培训的方法，其包括：

第一步，根据需要选择三维实时培训系统应用子模块中的各个子模块；

第二步，系统根据所选择的各个子模块从基础数据平台选择相应的数据，并反馈给三维数字化智能工厂模块；

第三步，三维数字化智能工厂模块根据反馈的数据模拟三维培训虚拟场景并将获得的信息传送给三维培训引擎子系统模块；

第四步，三维培训引擎子系统模块根据获得的信息显示三维培训场景，并且可以根据需要对场景进行修改，查询。

以下采用实施例和附图详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

本实施例建立了石化装置三维实时培训系统，其包括：三维数字化智能工厂模块，基础数据平台模块，三维培训引擎子系统模块，三维实时培训系统应用子模块，基础数据平台模块包括企业基础信息数据子模块、实时运行数据子模块和监测监控数据子模块，三维实时培训系统应用子模块包括用于石化装置二维文本数据、三维图形数据、实时运行数据、地理信息数据的组织、优化和管理的基础信息管理子模块，用于装置三维图形的显示、三维漫游的三维基础应用子模块，用于石化装置工艺流程动态模拟的工艺流程培训子模块，用于交互式开停工操作模拟的开停工培训子模块，用于装置日常生产DCS操作的模拟的DCS模拟培训子模块，用于典型石化设备工作原理、设备结构三维模拟与培训的装置设备培训子模块，用于石化企业应急预案三维数字化模拟的应急预案子模块。

如图2所示，工艺流程培训子模块根据常减压装置PID图，工艺流程培训分为轻烃、初馏、常压、减压共四课，每课内部根据设备区域又分为不同的子章节。

如图3所示，开停工培训子模块根据开工和停工的步骤，每一步是一个章节。培训形式如图4所示，为员工主动式的参与虚拟场景的各种操作。

DCS模拟培训子模块实现DCS仿真与三维实时培训界面的联动。DCS仿真画面与实际装置完全一致。仿霍尼维尔GUS系统和真实DCS系统完全一致，包括仪表画面、细目画面、控制组画面、趋势组画面、PID调节、报警、控制方案等，都和实际一致。操作人员可以通过仿真操作熟悉霍尼维尔DCS系统。

装置设备培训子模块用于实现重点炼油设备内外部结构讲解及工作原理的培训。

实施例2采用本发明的石化装置三维实时培训系统进行培训的流程(以常减压装置三维操作培训为例)：

1.三维实时培训系统登录

打开IE浏览器，进入系统，如图5所示，进入系统后，三维实时培训系统分为功能选择菜单、三维显示与操作区域、次级操作与文本介绍区域四部分，功能选择菜单分为五部分：装置介绍、设备管理、数据监控、在线学习、在线训练，基于这五部分，实现本发明中三维基础应用子模块、工艺流程培训子模块、开停工培训子模块、DCS模拟培训子模块、装置设备培训子模块、应急预案子模块六个培训模块的培训功能，三维显示与操作区域是三维数字化智能工厂模块和三维实时培训系统应用子模块对三维场景模拟显示以及进行修改，次级操作与文本介绍区域用于介绍装置基本信息、显示培训科目和大纲等内容的显示，如图2、图3和图5的左半部分文字所示。

2.三维基础应用子模块

进入装置培训界面后，在“功能选择菜单”中点击“装置介绍”可在三维显示与操作区域进行装置三维基础应用培训的培训，培训主要内容为装置的场景了解和熟悉，可能过系统看到装置结构、形状、设备和管线的分布情况等。

3.工艺流程培训

如图2所示，在“功能选择菜单”中点击“在线学习”图标，操作界面左侧为显示出相应的培训课程，在“次级操作与文本介绍区域”中选择一个“生产工艺”学习科目，点“学习”选项卡，在“选择章节”栏中选择要学习的章节，最后点击“开始学习”按钮，系统开始介绍并演示相应部分的课程。点“考核”选项卡，在“选择章节”栏中选择要学习的章节，最后点击“开始学习”按钮，系统开始进行培训的考核。

4.开停工操作模拟

如图3所示，在“功能选择菜单”中点击“在线学习”图标，操作界面左侧为显示出相应的培训课程，在“次级操作与文本介绍区域”中选择一个开/停工学习科目，点“学习”选项卡，在“选择章节”栏中选择要学习的章节，最后点击“开始学习”按钮，系统开始介绍并演示相应部分的课程。点“考核”选项卡，在“选择章节”栏中选择要学习的章节，最后点击“开始学习”按钮，系统开始进行培训的考核。

在开停工操作模拟的考核环节，培训人员可选择模拟生产角色，根据生产角色在生产中的实际任务，以第一人称的方式进行交互式的选答题、开关阀门等交互式模拟操作。

5.DCS模拟培训子模块

在“功能选择菜单”中点击“在线训练”，操作界面左侧为显示出相应的培训课程，在“次级操作与文本介绍区域”中选择一个开/停工学习科目，，在“请输入IP地址”栏中输入与之配合的DCS操作机的IP地址，后点击开始训练按钮。实现三维场景和的DCS仿真的互动培训，如三维场景中开、关阀门等操作可以数值变化的形式反应在DCS仿真中，DCS仿真中的开、关阀门等操作则以颜色变化的方式反应三维系统中。

6.装置设备培训子模块

在“功能选择菜单”中点击“设备管理”，系统进行设备培训模块。

1）设备信息的培训

次级操作与文本介绍区域”中选择“设备查询”，点击搜索按钮，在左侧列表中点击相应设备或在三维操作界面中选中某一设备，即可完成相应设备的查询工作。在查询显示的设备中，点击某一设备，可查询设备的各种属性数据，实现设备信息的培训。

2）设备结构和原理的培训

在“次级操作与文本介绍区域”中选择“设备剖析”，再在出现的列表中选择相应设备，即可浏览该设备的剖析三维模拟视频。

7.应急预案子模块

在“功能选择菜单”中点击“在线学习”图标，操作界面左侧为显示出相应的培训课程，在“次级操作与文本介绍区域”中选择一个“应急预案”学习科目，点“学习”选项卡，在“选择章节”栏中选择要学习预案，最后点击“开始学习”按钮，系统开始介绍并演示相应部分的课程。点“考核”选项卡，在“选择章节”栏中选择要学习的章节，最后点击“开始学习”按钮，系统开始进行培训的考核。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种石化装置三维实时培训系统，其特征在于，包括：

三维数字化智能工厂模块，其用于准确逼真的模拟三维培训虚拟场景；

基础数据平台模块，其用于将石化企业装置、设备信息传递给三维数字化智能工厂模块，实现三维场景和基础数据的关联；

三维培训引擎子系统模块，其负责现实、组织与管理三维数字化智能工厂的中三维模型，用于表现渲染三维培训场景，实现石化企业三维实时培训的各种应用，提供三维实时培训系统二次开发的接口与工具，该三维培训引擎子系统模块可以实现培训场景三维可视化、场景修改、自由游历、信息查询的功能；

三维实时培训系统应用子模块，其用于实现石化企业员工三维实时培训与考核。

2.如权利要求1所述的石化装置三维实时培训系统，其特征在于：所述基础数据平台模块包括企业基础信息数据子模块、实时运行数据子模块和监测监控数据子模块。

3.根据权利要求1或2所述的石化装置三维实时培训系统，其特征在于：所述三维培训引擎子系统模块是基于VC.NET编译环境和OpenGL图形库开发的。

4.根据权利要求1至3所述的石化装置三维实时培训系统，其特征在于：三维实时培训系统应用子模块包括基础信息管理子模块、三维基础应用子模块、工艺流程培训子模块、开停工培训子模块、DCS模拟培训子模块、装置设备培训子模块和应急预案子模块；

所述基础信息管理子模块用于石化装置二维文本数据、三维图形数据、实时运行数据、地理信息数据的组织、优化和管理；

所述三维基础应用子模块用于石化装置三维图形的显示、三维漫游；

所述工艺流程培训子模块用于石化装置工艺流程动态模拟；

所述开停工培训子模块用于交互式开停工操作模拟；

DCS模拟培训子模块用于装置日常生产DCS操作的模拟；

所述装置设备培训子模块用于典型石化装置工作原理、结构三维模拟与培训；

应急预案子模块用于石化企业应急预案三维数字化模拟。

5.一种石化装置三维实时培训系统，其特征在于，包括：

三维数字化智能工厂模块，其用于准确逼真的模拟三维培训虚拟场景；

基础数据平台模块，其用于将石化企业装置、设备信息传递给三维数字化智能工厂模块，实现三维场景和基础数据的关联；

三维培训引擎子系统模块，其负责现实、组织与管理三维数字化智能工厂的中三维模型，用于表现渲染三维培训场景，实现石化企业三维实时培训的各种应用，提供三维实时培训系统二次开发的接口与工具，该三维培训引擎子系统模块可以实现培训场景三维可视化、场景修改、自由游历、信息查询的功能；

三维实时培训系统应用子模块，其用于实现石化企业员工三维实时培训与考核；

基础数据平台模块包括企业基础信息数据子模块、实时运行数据子模块和监测监控数据子模块；

三维实时培训系统应用子模块包括用于石化装置二维文本数据、三维图形数据、实时运行数据、地理信息数据的组织、优化和管理的基础信息管理子模块，用于装置三维图形的显示、三维漫游的三维基础应用子模块，用于石化装置工艺流程动态模拟的工艺流程培训子模块，用于交互式开停工操作模拟的开停工培训子模块，用于装置日常生产DCS操作的模拟的DCS模拟培训子模块，用于典型石化设备工作原理、设备结构三维模拟与培训的装置设备培训子模块，用于石化企业应急预案三维数字化模拟的应急预案子模块。

6.采用权利要求1至5任一项所述的石化装置三维实时培训系统进行实时培训的方法，其特征在于，包括：

第一步，根据需要选择三维实时培训系统应用子模块中的各个子模块；

第二步，系统根据所选择的各个子模块从基础数据平台选择相应的数据，并反馈给三维数字化智能工厂模块；

第三步，三维数字化智能工厂模块根据反馈的数据模拟三维培训虚拟场景并将获得的信息传送给三维培训引擎子系统模块；

第四步，三维培训引擎子系统模块根据获得的信息显示三维场景，并且可以根据需要对场景进行修改，查询。

7.权利要求1至5所述的石化装置三维实时培训系统在石化企业事故模拟培训过程中的应用。

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