董博愷 張東勝 馮國陽 盧 浩

(北京化工大學 機電工程學院， 北京 100029)

引 言

罐區(qū)是化工企業(yè)重要的工藝單元，其存儲的物料量大、種類多且大多為危險化學品，一旦發(fā)生火災爆炸，非常容易觸發(fā)多米諾事故[1]，造成慘重損失。2010年6月29日，中石油遼陽石化在原油儲罐清理作業(yè)時，作業(yè)人員使用非防爆照明燈引起爆燃事故，造成3人死亡、7人受傷[2]。2010年7月16日，中石油國際儲運有限公司在卸油作業(yè)中出現(xiàn)操作失誤，引起原油罐區(qū)輸油管道爆炸，造成重大經(jīng)濟損失，并導致超過50 km2的海域被污染[3]。由上可見，作業(yè)人員的誤操作可能引發(fā)嚴重事故，因此做好罐區(qū)作業(yè)人員的安全培訓對于保障罐區(qū)生產(chǎn)運行安全具有重要意義。

罐區(qū)作業(yè)人員傳統(tǒng)的培訓方式主要為理論培訓和實地參觀。理論培訓基于文字圖片，較為枯燥乏味，受訓者體驗度差，無法直觀了解操作流程；實地參觀具有一定的危險性，并且無法實際操作設備，培訓效果往往不能達到預期的目的[4]。 基于模擬的培訓(simulation based training，SBT)是指通過建立實際設備的虛擬模型，使用戶在安全的虛擬環(huán)境中學習設備的操作和控制的過程[5]，其克服了傳統(tǒng)培訓的弊端，具有成本低廉、安全可控的特點，已被廣泛應用于過程工業(yè)、航空航天和軍事等諸多領域。Ahn等[6]的研究表明，基于模擬的培訓相較于傳統(tǒng)的講授培訓能提高作業(yè)人員對培訓內容的理解和掌握程度，證實了該種培訓方式的有效性。近年來,國內外學者圍繞基于模擬的培訓進行了一些研究。侯立華等[7]介紹了利用面向對象技術實現(xiàn)化工流程虛擬仿真的方法，并采用該方法設計了化工流程虛擬仿真系統(tǒng)；Sankar等[8]以某500兆瓦反應堆為原型，開發(fā)了一套核電站反應堆操作模擬培訓系統(tǒng)，使得操作人員的培訓效果大幅提高；張浩等[9]結合3D建模和人機交互技術建立虛擬工場，通過模擬企業(yè)實際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了工藝操作流程的仿真培訓；Novolipetsk Steel公司結合其實際工藝特點，開發(fā)了高爐車間工藝仿真培訓系統(tǒng)，用于車間員工的操作技術培訓與考核[10]；馮國陽[11]構建了罐區(qū)三維模型，應用虛擬現(xiàn)實技術對設備物理關系和交互操作進行仿真，結合對罐區(qū)的作業(yè)危害分析設計后果場景，搭建了罐區(qū)作業(yè)仿真系統(tǒng)的框架，但流程模型有待完善，事故場景仍需豐富，并且系統(tǒng)較為依賴虛擬現(xiàn)實硬件設備。

當前所研究的仿真培訓系統(tǒng)大多強調流程仿真訓練，注重設備操作方式的培訓，鮮有關注設備工藝流程的風險及與之相應的安全培訓。對于此種情況本文以罐區(qū)作業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)模型為基礎，應用Unity3D引擎開發(fā)可直接在PC上操作的仿真訓練系統(tǒng)，在流程仿真訓練的基礎上引入事故觸發(fā)機制與后果場景展示，相較于原系統(tǒng)改善了設備工藝模型，豐富了事故場景并優(yōu)化了觸發(fā)條件，提高了系統(tǒng)的適用性和可操作性，能夠使用戶在使用過程中了解作業(yè)流程風險，提高作業(yè)安全意識。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)總體結構

本文建立的罐區(qū)作業(yè)仿真系統(tǒng)采用三層C/S體系結構，如圖1所示，結構說明如下。

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 General structure of the system

(1)數(shù)據(jù)層包括參考的真實罐區(qū)工藝參數(shù)、操作條件及系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)等內容，是仿真系統(tǒng)各功能實現(xiàn)的基礎。

(2)功能層負責仿真系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)，由基本功能、仿真功能、輔助功能三大模塊組成。基本功能包括場景管理、場景漫游和角色控制，是仿真功能和輔助功能的支撐；仿真功能是仿真系統(tǒng)的核心，包括基于運算的罐區(qū)作業(yè)流程仿真、生產(chǎn)監(jiān)控仿真及事故后果展示；輔助功能是系統(tǒng)功能的進一步完善，包括操作日志、報警記錄和評分功能。

(3)表現(xiàn)層是仿真系統(tǒng)功能的外在表現(xiàn)，包括系統(tǒng)界面、場景展示和人機交互，用戶可在終端設備上通過該層操作仿真系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)的開發(fā)

罐區(qū)作業(yè)仿真訓練系統(tǒng)開發(fā)過程如圖2所示，各階段分別如下。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)過程Fig.2 System development process

(1)前期調研。收集并分析真實罐區(qū)圖紙、設計文件等相關資料，作為場景搭建及仿真功能設計實現(xiàn)的參考。

(2)系統(tǒng)核心功能設計?；谒占膱D紙資料，確定罐區(qū)內儲罐、離心泵等設備的工藝參數(shù)及正常工作時的工況條件，并參考上述內容設計操作流程仿真功能以及虛擬罐區(qū)生產(chǎn)監(jiān)控仿真功能；實地調研化工企業(yè)的罐區(qū)單元，查看罐區(qū)安全評價報告及基于保護層分析(layer of protection analysis, LOPA)的重點可信措施檢查表，基于此設計事故場景，并以事故場景為頂上事件進行事故樹分析(fault tree analysis, FTA)，確定場景觸發(fā)條件，以此設計事故后果展示功能。

(3)系統(tǒng)實現(xiàn)。以罐區(qū)作業(yè)仿真系統(tǒng)場景模型為基礎，參考罐區(qū)圖紙完善場景；根據(jù)設計的系統(tǒng)功能，應用C#語言開發(fā)仿真交互腳本，實現(xiàn)仿真功能邏輯，并開發(fā)系統(tǒng)所需的其他輔助功能；在Unity3D中將場景模型與功能腳本加以整合，實現(xiàn)系統(tǒng)各個功能；對仿真系統(tǒng)進行調試，并打包編譯，至此完成開發(fā)過程。

2 仿真功能設計

2.1 作業(yè)流程仿真設計

作業(yè)流程仿真是罐區(qū)作業(yè)仿真訓練系統(tǒng)的主要功能。罐區(qū)內作業(yè)流程以物料轉輸為主，而物料轉輸過程體現(xiàn)在罐區(qū)內各個儲罐的液位變化上。作為罐區(qū)的核心工藝參數(shù)，儲罐液位變化受其連接的輸入輸出管線上離心泵輸出流量及閥門開度的影響。

罐區(qū)工藝仿真實現(xiàn)過程如圖3所示。依照罐區(qū)設計文件確定罐區(qū)設備的工藝參數(shù)和操作條件，通過設置離心泵、閥門、管路及儲罐的工藝參數(shù)建立設備工藝模型，實現(xiàn)設備功能仿真；依照罐區(qū)內儲罐的操作條件確定液位報警值，用戶操作泵閥等設備會引起儲罐液位變化，當儲罐液位達到報警值時，觸發(fā)工藝報警。

圖3 工藝仿真實現(xiàn)過程Fig.3 Realization of the process flow simulation function

物料轉輸及罐區(qū)檢維修操作的仿真以設備功能和工況仿真為基礎，結合操作控制邏輯加以實現(xiàn)，其核心仍是儲罐液位等工藝參數(shù)的變化。

2.1.1設備功能及工況

設備功能及工況仿真是通過建立罐區(qū)設備工藝模型，模擬用戶操作對儲罐液位這一核心工藝參數(shù)的影響的過程。圖3反映了各設備工藝參數(shù)對儲罐液位變化的影響，依照包含關系及工藝參數(shù)作用關系，可將罐區(qū)內設備分為泵與閥門、管路、儲罐這3個層次，每個層次的輸出工藝參數(shù)作為下一層次的輸入工藝參數(shù)，最終作用到儲罐液位這一核心參數(shù)。構建各層次設備的數(shù)學模型，以反映該層次設備輸入量與輸出工藝參數(shù)間的關系。

1)泵與閥門

泵與閥門是罐區(qū)中管路的基本組成部分，泵的輸出體積流量與閥門的開度影響著管路內流體的體積流量。

在管路中閥門起到調節(jié)流量的作用，用戶可以通過調整管路中各個閥門開度來改變管路的相對流量。閥門開度與流量的關系即為閥門的流量特性，閥門的理想流量特性包括線性、拋物線、等百分比及快開4種[12]，計算公式分別如下。

線性流量特性

(1)

拋物線流量特性

(2)

等百分比流量特性

(3)

快開流量特性

(4)

圖4 閥門參數(shù)組件Fig.4 Valve parameter assembly

離心泵在罐區(qū)中用于流體輸送，其工藝參數(shù)的變化影響著輸出體積流量。罐區(qū)設計文件中離心泵的工藝參數(shù)如表1所示，當離心泵轉速一定時，各工藝參數(shù)之間的關系為[14]

表1 離心泵工藝參數(shù)Table 1 Centrifugal pump process parameters

(5)

式中，qv0表示離心泵的輸出體積流量，m3/s；P表示泵的功率，kW；η表示泵的效率；H表示泵的揚程，m；ρ表示輸送流體的密度，kg/m3；g表示重力加速度，m/s2。

以表1中的參數(shù)為參考，建立離心泵的工藝模型并設置相應參數(shù)，編寫離心泵參數(shù)組件，如圖5所示。用戶參照實際的離心泵狀況，調整組件中的各參數(shù)變量以改變離心泵的固有屬性。組件中變量Pump_Relative Rotal表示離心泵的相對轉速(實際轉速與額定轉速的比值)。對于同一型號泵，輸送同一種流體，在泵的效率η不變的情況下，輸出體積流量qv、揚程H、功率P隨轉速n的變化規(guī)律符合比例定律，如式(6)所示。

圖5 離心泵參數(shù)組件Fig.5 Centrifugal pump parameter assembly

(6)

組件中的相對轉速變量可在0～200%的范圍內進行調節(jié)，離心泵的各工藝參數(shù)隨之變化，最終改變泵的輸出流量。

2)管路

管路是罐區(qū)內物料轉輸?shù)妮d體。在本文系統(tǒng)參考的罐區(qū)中，各管路中包含數(shù)個相互串聯(lián)的閥門組，每個閥門組由若干個相互并聯(lián)的閥門組成，物料在管路中的體積流量取決于離心泵的輸出體積流量和管路中各個閥門的相對體積流量，其關系為

(7)

管路參數(shù)組件如圖6所示，用戶可以根據(jù)罐區(qū)內管路的實際情況，在管路組件上綁定相應的離心泵和閥門。在運行過程中，組件實時調用離心泵的輸出體積流量及各閥門的相對體積流量，再按照式(7)計算并輸出當前物料在管路內的體積流量，以此模擬管路工況。

圖6 管路參數(shù)組件Fig.6 Pipeline parameter assembly

3)儲罐

儲罐是罐區(qū)中的關鍵設備，其液位是罐區(qū)作業(yè)流程中的核心參數(shù)。假定儲罐包含x個輸入管線，y個輸出管線，則儲罐液位變化與各管線的體積流量關系為

(8)

參考實際罐區(qū)儲罐圖紙、操作條件以及儲存物料的性質設計儲罐參數(shù)組件，如圖7所示。在儲罐參數(shù)組件中，用戶可以調整儲罐的尺寸信息，設置儲罐液位報警值并綁定儲罐的輸入輸出管線。運行時，儲罐參數(shù)組件調用綁定的各輸入輸出管路的物料體積流量，結合儲罐的固有工藝參數(shù)按照式(8)計算并輸出儲罐的液位變化量，以實現(xiàn)儲罐液位實時變化的仿真。當儲罐液位達到設定的報警值時，觸發(fā)液位工藝報警，并在場景中標明。

圖7 儲罐參數(shù)組件Fig.7 Tank parameter assembly

2.1.2物料轉輸流程

物料轉輸是罐區(qū)作業(yè)流程的主要組成部分，罐區(qū)內物料轉輸包括收油、付油、倒罐及抽排底油這4方面內容。物料轉輸功能的設計以罐區(qū)設備功能工況仿真為基礎，參考罐區(qū)的操作規(guī)程設計編寫物料轉輸控制腳本以實現(xiàn)轉輸操控邏輯。以收油過程為例，其操控邏輯如圖8所示。

圖8 收油流程控制邏輯Fig.8 Oil receiving flow control logic

開始收油流程后，用戶選取收油單元并輸入收油量，若收油儲罐剩余可用容量大于輸入的收油量，則可以開啟收油流程；在收油過程中需要根據(jù)儲罐中液位的變化情況動態(tài)調整離心泵轉速以調節(jié)管路中油品的流速；當收油量達到設定值時，收油流程停止，此時需要進行記錄，并將管線上的泵及閥門復位。在物料轉輸過程中，閥門、離心泵、管路等設備的工藝參數(shù)會發(fā)生改變，在設備功能工況仿真運算中，這些改變會引起儲罐液位發(fā)生變化，以此為基礎，結合轉輸控制邏輯，即可實現(xiàn)基于運算的物料轉輸流程仿真。

2.1.3檢維修操作

儲運罐區(qū)內的儲罐應當定期進行檢維修及保養(yǎng)。檢維修作業(yè)往往涉及受限空間作業(yè)、動火作業(yè)、高處作業(yè)等風險作業(yè)，易發(fā)生火災爆炸或窒息中毒事故，因此需要加強檢維修作業(yè)的培訓。仿真系統(tǒng)參考實際罐區(qū)的清罐流程，在虛擬罐區(qū)場景中對檢維修作業(yè)進行仿真模擬，清罐作業(yè)流程如圖9所示。檢維修作業(yè)仿真基于物料轉輸流程仿真，并在此基礎上設計了四合一氣體檢測儀、風機等檢維修用設備功能腳本以及盲板封堵、油氣抽排等檢維修作業(yè)的交互腳本，實現(xiàn)檢維修操作仿真。

圖9 清罐作業(yè)流程Fig.9 Tank cleaning process

2.2 生產(chǎn)監(jiān)控仿真設計

為便于用戶操作設備以及了解設備的實時狀態(tài)，將罐區(qū)內設備參數(shù)進行集成，編寫生產(chǎn)監(jiān)控功能組件，模擬實際罐區(qū)分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)設計生產(chǎn)監(jiān)控仿真功能。在系統(tǒng)運行時，生產(chǎn)監(jiān)控功能組件會實時讀取表2的罐區(qū)內設備工藝參數(shù)或工況條件，并顯示在生產(chǎn)監(jiān)控仿真界面中，當設備觸發(fā)工藝報警或處于非正常工況條件下時，就會在生產(chǎn)監(jiān)控仿真界面中加以提示，并生成相應記錄。與此同時，用戶可以通過DCS面板對部分設備進行操作控制。

表2 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)讀取參數(shù)Table 2 Parameters read by the production monitoringsystem

2.3 基于FTA的事故后果展示設計

許多罐區(qū)事故都是由于人員違反操作規(guī)程作業(yè)造成的，為使用戶了解罐區(qū)的危險性和事故后果、提高作業(yè)安全意識，所設計的虛擬仿真訓練系統(tǒng)在流程仿真的基礎上引入事故后果展示功能。事故后果展示功能的實現(xiàn)過程如圖10所示，實現(xiàn)該功能的關鍵在于確定事故后果場景及確定事故觸發(fā)條件兩個方面。

圖10 事故后果展示實現(xiàn)過程Fig.10 Realization of accident consequence demonstration

為確定系統(tǒng)展示的事故場景，開發(fā)過程中參考了天津濱海新區(qū)45家涉?；菲髽I(yè)的現(xiàn)場巡檢報告。報告對這45家企業(yè)的153個重點危險源進行歸類，共劃分出26個大類的重點危險源，并分別建立對應的高風險場景，編寫相應的基于LOPA的重點可信防護措施檢查表。罐區(qū)作為26大類重點危險源之一，在報告中共包含有兩個高風險場景：儲罐冒頂火災以及管路油氣泄漏。與此同時，通過分析近年來的罐區(qū)事故案例，在巡檢報告的基礎上又補充了兩個高風險場景。最終確定系統(tǒng)展示的各事故后果場景如表3所示。

表3 展示的事故后果場景Table 3 Description of accident consequence scenes

將事故后果場景作為頂上事件，分別對表3中的事故進行事故樹分析，確定引起頂上事件發(fā)生的各個基本事件，并以此確定事故場景觸發(fā)條件。

下面以儲罐冒頂火災事故觸發(fā)條件的確定為例，說明事故場景觸發(fā)條件的確定過程。分析導致事故發(fā)生的可能原因，建立如圖11所示的事故樹，事故樹中的各基本事件如表4所示。

圖11 儲罐冒頂火災事故樹Fig.11 Fault tree of a tank overflow fire

表4 事故樹基本事件Table 4 Elementary events of fault tree

事故樹存在以下18個最小割集：{X1,X2,X5}，{X1,X2,X6}，{X1,X2,X7}，{X1,X2,X8}，{X1,X2,X9}，{X1,X2,X10}，{X1,X3,X5}，{X1,X3,X6}，{X1,X3,X7}，{X1,X3,X8}，{X1,X3,X9}，{X1,X3,X10}，{X1,X4,X5}，{X1,X4,X6}，{X1,X4,X7}，{X1,X4,X8}，{X1,X4,X9}，{X1,X4,X10}。任意一個最小割集中的事件同時發(fā)生即導致儲罐冒頂火災事故，各基本事件中X2(人員未及時響應報警)、X9(未進行人體靜電導除)以及X10(未穿著防靜電服)為人因基本事件，在后果展示模式中將人因基本事件作為事故后果的觸發(fā)條件，當作業(yè)人員的操作違反相應規(guī)程而達到觸發(fā)條件時，則引起事故，展示事故后果場景。

3 仿真內容開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 場景優(yōu)化

在罐區(qū)作業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)的場景基礎上，補充離心泵、地埋罐、制氮裝置等設備設施，為儲罐添加磁翻板液位計、充氮管線等部件并完善罐區(qū)管線連接，優(yōu)化后的柴油加氫罐區(qū)全景圖如圖12所示。

圖12 罐區(qū)全景圖Fig.12 Panoramic view of the tank farm

3.2 操作交互實現(xiàn)

3.2.1設備操作交互

罐區(qū)流程操作仿真以離心泵及閥門等設備操作為基礎，在仿真系統(tǒng)中，每一個離心泵及閥門都有獨自的操控面板。利用閥門手輪上掛載的trigger碰撞體以及Event Trigger組件實現(xiàn)點擊檢測，當鼠標點擊閥門手輪時，改變控制面板的開關狀態(tài)，在控制面板上使用滑動條Slider控件實現(xiàn)閥門開度調節(jié)，鼠標拖動Slider控件時，閥門相對開度隨著滑動條的Value值在0到1之間變化，閥門相對流量隨之改變。

離心泵操作面板可在DCS界面中打開，如圖13所示，面板中的Input Field組件用于實時顯示離心泵工藝參數(shù)，用戶可在面板中開啟/關閉離心泵，并對轉速進行調節(jié)。

圖13 離心泵控制面板Fig.13 Centrifugal pump control panel

3.2.2生產(chǎn)監(jiān)控仿真交互

生產(chǎn)監(jiān)控仿真交互主要借助UI界面完成，其UI界面分為主控室DCS和儲罐DCS兩部分，如圖14所示。主控室DCS顯示罐區(qū)內各儲罐的液位及溫度，點擊其上的儲罐時，可打開對應儲罐的DCS界面；儲罐DCS顯示儲罐的基本工藝參數(shù)及其連接的管線閥門的開度，在儲罐DCS界面中點擊閥門圖標，可以打開對應閥門的控制面板，實現(xiàn)閥門開度的調控。罐區(qū)操作流程仿真功能通過儲罐DCS界面進入，當罐區(qū)內儲罐工藝參數(shù)異常觸發(fā)工藝報警時，主界面DCS上會閃爍提示，同時在連接的數(shù)據(jù)庫中生成報警記錄，通過DCS界面可以對報警記錄進行查詢確認，如圖15所示。

圖14 主控室及儲罐DCS界面Fig.14 DCS interface of the main control room and tank

圖15 報警記錄查詢顯示Fig.15 Inquiry display of alarm recording

3.2.3流程操作交互

流程操作交互分為物料轉輸流程交互及清罐作業(yè)流程交互。系統(tǒng)基于設備操作交互，將生產(chǎn)監(jiān)控仿真界面與操作流程控制邏輯相結合，實現(xiàn)物料轉輸流程及清罐檢修操作流程的仿真。物料轉輸流程控制界面如圖16所示，抽堵盲板作業(yè)仿真如圖17所示，儲罐處于檢修狀態(tài)或管路被盲板封堵時UI上會有相應的提示。檢修準備完成后需要進入儲罐作業(yè)，儲罐內部屬于受限空間，儲罐人孔開啟時，顯示受限空間作業(yè)風險告知，如圖18所示，以使用戶了解受限空間的危險性并做好進入準備工作。

圖16 物料轉輸控制界面Fig.16 Material transfer control interface

圖17 抽堵盲板作業(yè)Fig.17 Blind block operation

圖18 受限空間風險告知Fig.18 Confined space risk notification

3.3 后果場景展示

根據(jù)確定的展示事故及其觸發(fā)條件，構建事故后果展示場景，并編寫后果仿真控制腳本。當用戶操作或儲罐等設備工藝參數(shù)變化使得事故觸發(fā)條件達成時，觸發(fā)相應的事故場景展示。油氣泄漏場景展示如圖19所示，儲罐冒頂火災及消防噴淋場景展示如圖20所示。

圖19 油氣泄漏場景展示Fig.19 Oilgas leakage scene illustration

圖20 儲罐冒頂火災及消防噴淋展示Fig.20 Tank roof fire and fire sprinkler illustration

4 結束語

本文以罐區(qū)作業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)模型及框架為基礎，通過優(yōu)化虛擬場景、完善仿真交互，開發(fā)了可直接在PC上使用的罐區(qū)作業(yè)仿真訓練系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)的易用性。

參考實際罐區(qū)的設備工藝參數(shù)及操作條件編寫設備參數(shù)組件，設計完善設備的功能與工況仿真，并以設備功能仿真相關運算為基礎，引入操作流程控制邏輯；結合罐區(qū)操作規(guī)程，實現(xiàn)了基于運算的罐區(qū)物料轉輸流程仿真、清罐檢修作業(yè)仿真、生產(chǎn)監(jiān)控功能仿真功能。

基于天津濱海新區(qū)涉?；菲髽I(yè)罐區(qū)的安全檢查報告及罐區(qū)相關事故案例，確定并構建虛擬罐區(qū)展示的事故場景，并針對事故場景展開事故樹分析，確定導致事故發(fā)生的基本事件并作為事故場景的觸發(fā)條件，實現(xiàn)了基于FTA的事故后果展示功能。