CN101872161A - 一种基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法，包括以下步骤：1)建立虚拟现实系统、动态仿真系统和数据库系统；2)在虚拟现实系统中设定重点装置运行与动态参数控制指令，将这些指令写入数据库系统，同时动态仿真系统监听数据库系统中这些指令；3)当监听到运行指令时，读取数据库系统中的重点装置的初始仿真参数，进行动态仿真，将仿真结果写入数据库系统；4)在数据库系统中读取仿真结果，在虚拟现实系统中呈现重点装置的生产数据变化过程，并实时控制。本发明利用可视化技术呈现并控制生产运行的变化过程，为生产运行的实时监控提供有效的信息支持，有助于流程工业过程控制层的仿真与预测，提高企业的运作效益。

Description

一种基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法。

背景技术

流程工业的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，通过计算机仿真手段对系统模型进行充分的仿真运行和仿真实验，模拟实际系统的运行过程，对仿真过程在虚拟的三维场景中观察和输出数据的统计分析，用以推断所研究系统或所设计系统的真实参数与性能。在虚拟现实技术的支持下，仿真运行过程中建模人员和决策人员不仅能得到各种重要的仿真数据，而且可以看到相应的三维仿真动画，从而提供了对系统运行的直观性和逼真性，有助于他们理解和认识所研究系统的本质和动态规律。用户可以在虚拟环境中漫游，将感受到的信息经过大脑的思考和分析，形成自己想要的动作或策略，通过输入界面反馈给系统，实现与系统的交互和控制系统运行的功能。

但是在现有的流程工业过程控制技术中，主要是二维的控制图，很少涉及三维环境的交互控制。反映实时数据变化的仿真系统和反映工业场景的虚拟现实系统难以有效结合，不能发挥更大的协同作用。

发明内容

本发明提供一种基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法，可以进行流程工业的生产过程交互控制。通过虚拟现实系统与数据库系统、动态仿真系统的相互之间指令与数据的连接来对生产过程实时监控，并将生产统计数据、成本控制、物料平衡和能源管理等数据信息利用虚拟现实技术进行动态呈现，达到人机交互控制的效果。

本发明的基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法，其特征包括以下步骤：

1)

a、建立工厂中的各个装置的三维模型，得到虚拟现实系统；

可以利用3DS MAX或其他现有三维设计软件对厂区的各类生产装置建立三维模型，调用三维场景，使用户在浏览场景的同时能够观察各类装置设备的参数属性，所述的装置一般大部分连续作业，即为流程工业，如连续生产的化工厂等企业。

b、建立反映流程工业装置生产运行机理模型的动态仿真系统，用于模拟工厂重点装置的过程控制；

所述的重点装置是根据需要指定的，动态仿真系统能够在控制指令驱动下实现不同生产扰动方式下的装置运行参数变化过程，为企业过程控制层的实时运行提供支持，体现出良好的交互性。

装置的动态仿真系统，描述了装置生产运行的机理模型，建立装置工艺参数的控制变量与操纵变量的输入输出关系，能够在给定输入变量(如装置的进料量与工艺操作条件)与生产扰动信息(如进出物料的波动，工艺操作条件的变化)，计算装置的生产运行输出变量的变化结果，包括装置的温度、压力、料位、流量、出料侧线、测量仪表与控制阀门信息等。

c、建立数据库系统；

通过数据库系统可以实现虚拟现实系统、动态仿真系统之间指令与数据的交互。

数据库系统通过静态数据表存储虚拟现实系统中各类装置以及相互连接关系与属性；

数据库系统通过动态数据表存储动态仿真系统的运行数据，例如初始仿真参数、仿真运行模拟时间、生产过程扰动、控制参数、装置与罐、管道与侧线等指令与数据，还包括装置生产运行实时工艺参数，如温度、压力、料位、流量、测量仪表与控制阀门等。

动态仿真系统与虚拟现实系统之间的交互指令也存储在数据库系统的动态数据表中。

2)通过虚拟现实系统的人机交互界面，设定动态仿真系统是否运行的指令，将该指令写入数据库系统，同时动态仿真系统监听数据库系统中该指令；

例如可以设置Start标志位来控制动态仿真系统是否运行。将这些指令与Start标志位写入数据库系统。同时动态仿真系统不断监听数据库系统中的指令与Start标志位。如果Start＝1，转步骤3；如果Start＝2，继续监听。

3)当动态仿真系统监听到数据库系统中的运行指令时，读取数据库系统中的重点装置的初始仿真参数，包括不同的干扰方式与过程控制参数等，对重点装置进行动态仿真，将仿真结果写入数据库系统。

仿真结果主要是涉及到重点装置的生产运行数据(包括装置的温度、压力、料位、流量、其它工艺参数)。

4)虚拟现实系统动态加载重点装置三维模型结点并在数据库系统中读取仿真结果，在虚拟现实系统的人机交互界面中利用纹理贴图动态呈现重点装置生产运行变化过程与物流信息，并据此对重点装置实时控制。

利用纹理贴图动态可以呈现重点装置如反应器、再生器、进出侧线等生产运行变化过程与物流信息，然后利用仪表盘刻度与数字呈现测量仪表与控制阀门的数据，表现重点装置的PCS(Process Control System)层实时控制信息。

所述的纹理贴图的步骤如下：

首先计算当前仿真时刻参数(温度、压力、料位、流量)在其最大值与最小值之间对应的百分比，然后利用百分比计算当前时刻参数对应的纹理图片。其中温度(或压力)在最大值与最小值对应的纹理图片颜色已知，料位在最大值与最小值对应的纹理图片高度已知。具体过程如下：

${\mathrm{PR}}_{\mathrm{Li}}=\frac{L_i-L_{\min }}{L_{\max }-L_{\min }}\×100\%---\left(1\right)$

${\mathrm{PR}}_{\mathrm{Ti}}=\frac{T_i-T_{\min }}{T_{\max }-T_{\min }}\×100\%---\left(2\right)$

${\mathrm{PR}}_{\mathrm{Pi}}=\frac{P_i-P_{\min }}{P_{\max }-P_{\min }}\×100\%---\left(3\right)$

TX_Li＝TX_Lmin-(TX_Lmin-TX_Lmax)×PR_Li    (4)

TX_Ti＝TX_Tmin-(TX_Tmin-TX_Tmax)×PR_Ti    (5)

TX_Pi＝TX_Pmin-(TX_Pmin-TX_Pmax)×PR_Pi    (6)

其中：

L_i、L_max、L_min分别表示料位当前时刻值、最大值、最小值；

T_i、T_max、T_min分别表示温度当前时刻值、最大值、最小值；

P_i、P_max、P_min分别表示压力当前时刻值、最大值、最小值；

PR_Li、PR_Ti、PR_Pi分别表示料位、温度、压力当前时刻百分比；

TX_Li、TX_Lmax、TX_Lmin分别表示料位当前时刻纹理高度、最大纹理高度、最小纹理高度；

TX_Ti、TX_Tmax、TX_Tmin分别表示温度当前时刻纹理颜色、最大纹理颜色、最小纹理颜色；

TX_Pi、TX_Pmax、TX_Pmin分别表示压力当前时刻纹理颜色、最大纹理颜色、最小纹理颜色。

关于反应器内部空间颜色的变化，将RGB转换为HSL过程如下(设RGB 3个参数中最大值为MAX，最小值为MIN)：

$S=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{if\; L}=0\mathrm{or\; MAX}=\mathrm{MIN}\\ \frac{\mathrm{MAX}-\mathrm{MIN}}{\mathrm{MAX}+\mathrm{MIN}},\mathrm{if}0<L\&le;\frac{1}{2}\\ \frac{\mathrm{MAX}-\mathrm{MIN}}{2-(\mathrm{MAX}+\mathrm{MIN})},\mathrm{ifL}>\frac{1}{2}\end{array}\right.---\left(8\right)$

$L=\frac{1}{2}(\mathrm{MAX}+\mathrm{MIN})---\left(9\right)$

其中RGB分别表示红、绿、蓝，HSL分别表示色调、饱和度、亮度。

本发明中虚拟现实系统、数据库系统、动态仿真系统三者之间相互联系地组成有机整体。各个子系统可以自由交互数据信息来实现整个仿真平台的集成与协作。其中数据库系统为仿真平台的枢纽，连接虚拟现实三维场景系统与动态仿真系统。用户通过虚拟现实三维场景系统人机交互界面将生产调度与控制指令写入数据库，与此同时动态仿真系统读取数据库中的指令，运行相应的仿真模型，产生模拟实际生产运行情况的仿真数据，写入数据库。此时虚拟现实三维场景系统读取数据库中的生产仿真数据，在虚拟环境中呈现这些数据信息的变化来达到模拟实际的生产过程。用户可以观察由于控制指令的变化而引起生产运行的变化，从而为其做出正确的科学决策提供有效的帮助。

本发明的有益效果：

1)将虚拟现实技术与系统仿真技术相结合，建立了虚拟现实系统，可以在虚拟厂区环境中漫游，增强了现实，使用户获得沉浸感并熟悉厂区环境。

2)企业生产过程的信息呈现。在虚拟环境中动态呈现装置由于不同干扰方式与过程控制参数的改变而引起过程变量的变化过程。通过生动形象地再现或模拟工厂一段时间内的生产情况，为生产运行的实时监控和特殊工况的模拟提供有效的决策支持。

3)人机交互控制。可以在虚拟现实系统上设置指令参数控制仿真模型的运行，读取仿真数据，呈现并控制生产运行的变化过程。

附图说明

图1是本发明的基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法流程图；

图2是本发明方法的原理结构图；

图3是炼油厂催化裂化装置控制参数设置界面；

图4是炼油厂催化裂化装置演示效果设置界面；

图5是炼油厂催化裂化装置再生器料位一段时间内变化数据；

图6是炼油厂催化裂化装置再生器温度一段时间内变化数据；

图7是炼油厂催化裂化装置再生器压力一段时间内变化数据；

图8是炼油厂催化裂化装置相关阀门开度一段时间内变化数据；

其中，MVpi-1、MVpi-2、MVpi-3、MVpi-4、MVpi-5、MVpi-6、MVpi-7、MVpi-8分别表示阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、阀6、阀7、阀8的开度变化数据。

图9是炼油厂催化裂化装置动态模拟温度与料位的显示界面；

图10是炼油厂催化裂化装置动态模拟压力与料位的显示界面；

图11是炼油厂催化裂化装置动态模拟控制阀门开度显示界面。

具体实施方式

图1是本发明的基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法流程图。

该方法过程如下：

首先在虚拟现实三维场景系统中利用3DS MAX对炼油厂涉及到的反应器、再生器、测量仪表、控制阀门、进出侧线等建立三维模型，然后建立装置模拟运行的动态模型，通过虚拟现实人机交互界面设置不同的生产运行干扰方式、控制参数、仿真起始与终止时刻，将生产控制指令写入数据库。接下来动态仿真系统读取指令参数，运行仿真模型，将这些模型涉及到的生产运行数据(包括装置的温度、压力、料位、流量等)写入数据库相应的表中。最后，虚拟现实系统读取仿真结果，利用虚拟现实纹理贴图技术动态呈现炼油厂生产运行变化过程。

图2是本发明方法的原理结构图。

虚拟现实技术的沉浸性、交互性和想象性决定了它适于再现具体的事物信息。在虚拟现实仿真平台上进行催化裂化装置的动态模拟，可以通过反应器与再生器内部反应颗粒的升降表示料位的变化过程，容器内部红色(或蓝色)深浅表示温度(或压力)的变化过程，红色(或蓝色)深，则温度(或压力)高。

在虚拟现实系统中可以设置过程指令与参数，控制动态仿真模型，模拟实际过程生产运行情况，有助于企业决策人员对生产过程的分析预测，提高决策的效率。如图3所示，为催化裂化装置参数设置界面，可以设置不同的干扰方式(包括生产负荷变化、再生器含氧量变化、反应器与再生器的压力与料位变化等)，可以设置不同干扰大小与时间、设置不同控制系统的参数。如图4所示，为催化裂化装置效果设置界面，可以选择仿真产生的数据、温度与压力显示、装置是否剖面显示、测量仪表是否显示、装置外壳的透明度等。

某一仿真过程(仿真时间为3500s，干扰方式为生产负荷降低25％)产生的催化裂化装置第一再生器RG1(第二再生器RG2与反应器SS类似)的料位、温度、压力变化仿真数据分别如附图5，6，7所示；相关控制阀门开度变化数据如附图8所示。附图8中，MVpi-1、MVpi-2、MVpi-3、MVpi-4、MVpi-5、MVpi-6、MVpi-7、MVpi-8分别表示阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、阀6、阀7、阀8的开度变化数据。

将仿真产生的模拟并且指导实际生产过程的数据在虚拟现实系统中动态呈现。附图9为温度显示画面，容器内部红色程度不同反映了温度的变化(红色越浅，温度越低；红色越深，温度越高)，仪表盘指针刻度与数字显示温度实时信息。附图10为压力显示画面，容器内部蓝色程度不同反映了压力的变化(蓝色越浅，压力越低；蓝色越深，压力越高)，仪表盘指针刻度与数字显示压力实时信息。容器内部颗粒的升降反映了容器内部的料位高低。附图11为阀门监控界面，刻度显示阀门开度实时信息。

通过虚拟现实系统的信息呈现与人机交互两大特性，生动形象地再现炼油企业过程控制层(PCS)的动态仿真，为生产运行的实时监控和特殊工况的模拟提供有效的信息决策支持。利用动态仿真与控制方法，可以为炼油企业过程控制层解决很多生产实际问题：模拟由于不同干扰方式引起的各个过程控制参数变化情况；完成生产方案选择、生产参数确定等工艺设计问题；根据被控对象动态模型的输入输出关系，设计合理的控制器；对现有生产流程进行动态建模，分析和预测过程系统的安全状况；监控生产运行各个测量参数与控制阀门的实时信息。

Claims (3)

1.一种基于虚拟现实的流程工业重点装置交互控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)

a、建立流程工业中的各个装置的三维模型，得到虚拟现实系统；

b、建立流程工业装置生产运行的动态机理模型，得到动态仿真系统，用于模拟重点装置的过程控制；

c、建立数据库系统，用于实现虚拟现实系统、动态仿真系统之间指令与数据的交互；

2)通过虚拟现实系统的人机交互界面，设定重点装置动态仿真系统运行与过程控制的参数指令，将这些指令写入数据库系统，同时动态仿真系统监听数据库系统中这些参数指令；

3)当动态仿真系统监听到数据库系统中的运行指令时，读取数据库系统中的重点装置的初始仿真参数，进行动态仿真，将重点装置的生产运行仿真结果写入数据库系统；

4)虚拟现实系统动态加载重点装置各个三维模型结点并在数据库系统中读取仿真结果，在虚拟现实系统的人机交互界面中利用纹理贴图动态呈现重点装置生产运行变化过程与物流信息，利用仪表盘刻度与数字呈现测量仪表与控制阀门的数据，并据此对重点装置实时控制。

2.如权利要求1所述的流程工业重点装置交互控制方法，其特征在于，所述的数据库系统通过静态数据表存储虚拟现实系统中各类装置以及相互连接关系与属性；所述的数据库系统通过动态数据表存储动态仿真系统的运行结果数据，包括装置的温度、压力、料位、流量等工艺参数，动态仿真系统与虚拟现实系统之间的交互指令存储在数据库系统的动态数据表中。

3.如权利要求1所述的流程工业重点装置交互控制方法，其特征在于，步骤4)中所述的纹理贴图的步骤如下：

计算当前时刻重点装置各个工艺参数在其最大值与最小值之间对应的百分比，然后利用百分比计算当前时刻参数对应的纹理图片，PR_Li、PR_Ti、PR_Pi分别表示料位、温度、压力当前时刻百分比：

${\mathrm{PR}}_{\mathrm{Li}}=\frac{L_i-L_{\min }}{L_{\max }-L_{\min }}\&times;100\%$

${\mathrm{PR}}_{\mathrm{Ti}}=\frac{T_i-T_{\min }}{T_{\max }-T_{\min }}\&times;100\%$

${\mathrm{PR}}_{\mathrm{Pi}}=\frac{P_i-P_{\min }}{P_{\max }-P_{\min }}\&times;100\%$

TX_Li＝TX_Lmin-(TX_Lmin-TX_Lmax)×PR_Li

TX_Ti＝TX_Tmin-(TX_Tmin-TX_Tmax)×PR_Ti

TX_Pi＝TX_Pmin-(TX_Pmin-TX_Pmax)×PR_Pi

其中：

L_i、L_max、L_min分别表示料位当前时刻值、最大值、最小值；

T_i、T_max、T_min分别表示温度当前时刻值、最大值、最小值；

P_i、P_max、P_min分别表示压力当前时刻值、最大值、最小值；

TX_Li、TX_Lmax、TX_Lmin分别表示料位当前时刻纹理高度、最大纹理高度、最小纹理高度；

TX_Ti、TX_Tmax、TX_Tmin分别表示温度当前时刻纹理颜色、最大纹理颜色、最小纹理颜色；

TX_Pi、TX_Pmax、TX_Pmin分别表示压力当前时刻纹理颜色、最大纹理颜色、最小纹理颜色。

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