基于VR技术的费托合成安全系统开发范文

摘要：基于VR技术开发的费托合成安全演练培训系统，为煤化工企业在易燃易爆、高温高压、有毒腐蚀等危险环境深度沉浸式体验与训练指明了方向，使煤化工生产装置无法进行的应急演练在虚拟现实场景里得以实现，为煤化工企业员工提供全方位安全应急演练，锻炼和提升了员工处理突发事故的能力，提高了企业整体应急处置水平。希望能够为相关企业提供技术支持。

关键词：VR技术；费托合成；安全演练

1VR技术的产生与发展

虚拟现实技术（VirtualReality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它可以利用计算机将真实环境生成为一种模拟环境，使参与者不接触真实环境便可产生一种身临其境、真实体验的三维动态视景和实体行为体验。与3D场景相比，VR技术增加了参与者的深度介入，使人们能够身临其境，明显增加了人们的参与度与感知度。目前，VR技术得到了快速发展，提供了前所未有、使人身临其境的深度沉浸感，其必将逐步取代平面显示，成为一种崭新的、革命式的人机交互手段[1]。当前，VR已成功应用于游戏、购物体验等娱乐、消费领域，并已逐步进入工业生产领域。事实上，VR技术的概念最初是从工业生产领域和专业培训领域发展而来，其发展历程包括准备期和成熟期两个阶段。

1.1准备期

为了克服不适宜在实际装置、设备及仪器上进行生产培训的情况，最初通过VR技术将培训过程转变为计算机中的虚拟现实场景来进行相应训练，从而完成在现实中无法实现的培训过程[2]。VR技术从20世纪80年代起就被广泛应用于载运工具和流程工业培训领域，如航天飞机模拟器、飞机模拟器、汽车驾驶模拟器、船舶驾驶模拟器以及仿真工厂等领域，尤其在流程工业培训领域发展最为迅速。对于大型流程工业，直接将工厂生产流程装置、设备及仪表等用来对员工进行培训是不现实的，不仅影响生产，而且操作危险性大、成本高。利用VR技术开发的虚拟现实环境对员工进行培训，可以使员工尽快熟悉生产环境，缩短岗前培训时间，提前上岗。在VR技术发展的准备期，虽然VR装置及其应用并未形成一个系统性的概念；但是，直到目前这种初级VR装置依然在各行各业培训及训练中发挥着至关重要的作用；并且应用的专业领域也从模拟器拓展到交通仿真、事故模拟、行为心理研究、虚拟设备设计与维修等方面，应用专业领域越来越广泛。在准备期VR设备的明显缺点是体积大、造价贵，显示效果受计算机等硬件设备限制使得图像刷新率、模型精度较低，长时间观看会带来强烈眩晕感。

1.2成熟期

随着计算机等硬件性能的提升以及三维渲染技术的逐步成熟，VR技术刷新率和模型精度存在问题得以逐步解决，成本也开始下降。同时，全幅面眼镜式VR设备的出现，将人眼完全遮挡并在人类视线内实时重构虚拟世界、跟踪人类细微动作、实时渲染场景，实现“轻量化”虚拟现实效果，逐渐取消了虚拟座舱、仿真工厂、仿真仪器等的硬件设施，大幅降低了VR环境的构造成本[3]。随着VR技术的迅猛发展，2016年VR设备实现了小型化。这些都为VR技术在大型流程工业的广泛应用打下了坚实的基础。

2VR技术在工业生产中的应用

VR虚拟环境构建成本的大幅降低与VR设备的小型化，使VR技术在大型流程工业中普遍应用成为可能，而图像刷新率问题的攻克又解决了VR眩晕问题与实现跟踪不及时问题，使VR技术在大型流程工业中广泛应用变为现实。全幅面眼镜式VR设备内置了基于陀螺仪或红外的视线跟踪传感器，可提供90Hz以上的图像刷新率，从根本上解决了VR眩晕问题与跟踪问题，使长时间使用VR设备得以实现。如果手机加光学透镜VR实现方式在技术上取得突破、大幅提升显示效果与刷新率等视觉体验，手机将发展成为VR主流设备，将大大促进VR技术在包括大型流程工业在内的各个领域的广泛应用。目前，借助头盔穿戴式VR设备已成为虚拟现实新的发展趋势，必将逐步取代实体仿真工厂而发展成为今后虚拟现实的主要方向。穿戴式VR设备作为培训用具，其优点在于成本相对较低、可控，可通过构建虚拟现实环境模拟实体工厂中的生产、操作，进行无法在化工企业中演练的火灾、爆炸、泄漏等应急演练与处置，提高应急处置能力和水平，提升培训的效果[4]。

3VR技术在费托合成安全演练培训系统中应用的意义

在大型流程工业，尤其在化工行业企业，多为高温高压、易燃易爆、有毒腐蚀等苛刻工艺操作条件和危险生产环境，在这种危险条件下进行员工生产操作培训或开展应急演练十分困难；而利用VR技术开发的虚拟现实培训系统与虚拟现实应急演练系统，易使生产操作培训与应急演练得以实现。煤制油生产工艺与煤制烯烃生产工艺是当今煤化工行业发展的两个主要方向，属于典型的现代大型流程工业。其中，费托合成工段是煤制油生产工艺的核心部分，也是最易发生突发事故的工段。由于煤化工企业在实际生产过程中无法对现实装置进行火灾、爆炸、泄露等突然事故进行应急演练，而为煤化工行业企业开发的煤化工仿真工厂，目前只能进行煤化工生产开、停车操作技能培训，在DCS控制系统提供紧急情况下停车训练以及燃烧、爆炸、泄露等突发事故的应急处置演练，不能提供身临其境的深度沉浸式现场操作演练。利用VR技术开发煤制油费托合成工段虚拟现实安全演练培训系统，通过提供深度沉浸式费托合成虚拟现实安全演练，会大大提高煤制油费托合成工段应对突发安全事故的应急处置能力，大幅度降低紧急突发事故造成的不利影响，最大限度地保障员工生命安全和企业财产安全。

4基于VR技术费托合成安全演练培训系统开发研究

将快速发展的VR技术与虚拟现实计算主机、虚拟现实眼镜、虚拟现实手柄、大屏幕和三维定位仪等VR硬件装置结合，研究开发费托合成工段安全演练培训系统，为煤化工行业企业员工和化工专业学生提供深度沉浸式煤制油费托合成工段突发事故应急处置演练，可锻炼煤化工行业企业员工和化工专业学生应对突发安全事故的应急处置技能，提高处理突发安全事故的应急处置水平与能力，消除紧急突发安全事故造成的不利影响，最大限度保证企业员工生命和企业财产安全。

4.1VR技术费托合成安全演练培训系统主体框架开发

基于VR技术煤制油费托合成安全演练培训系统的开发，首先依据煤制油费托合成工段生产实际情况，构建费托合成工段VR技术虚拟现实生产环境，构建的虚拟现实生产环境可充分对接费托合成工段装置布局，涵盖费托合成工段的主要生产工艺流程与生产装置以及紧急突发事故情况下进行停车操作的主要工艺参数调节变化幅度，同时包括突发应急处置的相关知识。

4.2建立基于VR技术费托合成安全演练培训及考核评价体系

基于VR技术开发的煤制油费托合成安全演练培训系统，具备模型选择、倍率选择、状态冻结、状态保存与恢复、实时与历史趋势显示、单人训练与协同操作、操作员和教师事件记录、操作员培训绩效监控以及故障设置等模块，能够为煤化工企业员工与化工专业学生提供深度沉浸、方便、实用的安全应急处置技能训练[5]。开发的考评系统具有技能鉴定和考核评价两种功能，可满足职业技能竞赛、技能鉴定及培训考核等不同要求，能够选择角色演练、设置考评方式并监控考评结果，能够对受训人员信息进行管理，实时监控学员成绩、保存和导出，对学员成绩进行实时管理，最大程度发挥安全演练培训系统功能。

4.3基于VR技术费托合成安全演练培训系统开发与应用

基于VR技术煤制油费托合成安全演练培训系统的开发研究，分别开发了安全应急演练的单人培训系统、多人培训系统、为了更快适应和使用安全应急演练培训系统开发的认知练习系统[6]。

4.3.1费托合成VR技术安全应急演练单人培训系统开发

为了使煤化工行业企业员工和化工专业学生熟悉掌握费托合成工段安全应急处置程序、步骤及处置措施，开发了单人费托合成VR技术安全应急演练系统，使个人能深度沉浸到费托合成虚拟现实生产环境，接受到火灾、爆炸、泄漏等突发状况的应急处置训练，进一步熟悉和掌握费托合成工段装置布局、生产工艺流程与生产设备、附属装置、阀门、仪表等控制点以及紧急突发事故情况下进行停车操作和事故处理。同时，通过主要装置和控制点专业知识介绍与知识问答，了解费托合成主要装置、设备、突发应急状况处理的相关知识，掌握了煤化工安全生产基本知识、安全标识的认知、个人防护用品穿戴与使用、防毒防化应急救援培训、应急救助基本技能、开展防护及紧急停车的应急处置预案，增强应对突发安全事故的处置技能和提升正确处置突发安全事故的能力[7]。

4.3.2费托合成VR技术安全应急演练多人培训系统开发

为了适应并提高在突发事故中应急处置能力、团队协作意识和应急响应效率，在VR技术费托合成安全应急演练单人培训系统的基础上开发升级了多人培训系统，以增强班组、车间乃至全厂的团结协作、应对突发安全事故的能力。在多人培训系统中，可以分别承担不同的应急处置角色的安全处置任务，熟悉、掌握不同应急处理岗位的应急工作程序与步骤，树立团队处理突发安全事故的团结协作精神，从整体上提高团队科学合理应对处置突发事故的水平与能力。

4.3.3VR技术费托合成安全应急演练培训认知练习系统开发

为充分发挥VR技术费托合成安全应急演练培训系统的功能，将单人安全演练培训系统和多人安全演练培训系统的作用充分发挥出来，减少学习、适用、培训、演练时间，应对安全演练培训系统的功能进行详细介绍与说明，将模型选择、倍率选择、状态冻结、状态保存与恢复、实时与历史趋势显示、单人训练与协同操作、操作员和教师事件记录、操作员培训绩效监控、故障设置、职业技能竞赛、技能鉴定和培训考核功能模块等单元的作用、功能、使用方法作详细说明，使安全演练培训系统易懂、易学、易记，使学员深度沉浸费托合成虚拟安全应急演练系统，充分发挥其应有作用。

5基于VR技术费托合成安全演练培训系统存在的不足与改进方向

基于VR技术开发的煤制油费托合成安全演练培训系统，能够为煤化工企业提供深度沉浸式火灾、爆炸、泄漏等安全性事故的应急演练，大幅度提高了煤化工企业应对安全性事件的能力，降低了安全性事故可能带来的不利影响，稳定了企业的生产生存能力。但是，硬件发展滞后使得VR虚拟现实技术在煤化工生产培训领域发展得还不够充分，基于VR技术费托合成安全演练培训系统在图像刷新率、沉浸感觉、手柄操作灵活性、角色互换、训练内容丰富程度以及获得应急能力体验上还存在不足。具体表现在以下几个方面。第一，由于硬件发展没有跟上软件发展的速度，使得图像刷新率还不能完全与人的行动匹配，导致场景画面转换不同步，削弱了体验感。第二，沉浸感不足主要表现在各岗位体验感还有差距，整体框架装置在触摸或碰撞时没有实物感、各装置结构与现场不能完全吻合、不能对每个装置进行相应的应急处置操作，费托合成安全应急演练不能与装置紧急停车完美结合，使得训练内容的丰富程度、训练人员的应急体验、突发情况下处理问题的能力受到了影响。第三，多人培训系统不能自定协同操作人数，使不同人数进行安全演练的灵活程度受到限制。第四，全幅面头盔式眼镜还是有线设备，在操作过程中反应不够灵活、方便，操作的幅度也受到一定程度的限制，降低了体验感，无线装备将会使操作体验有较大提高。

6结语

基于VR技术开发的煤制油费托合成安全演练培训系统，很大程度上解决了煤化工企业易燃易爆、高温高压、有毒腐蚀等危险条件获得深度沉浸虚拟体验机会，使得在煤化工企业无法进行的应急演练在虚拟现实场景里得以实现，锻炼了员工，提高了处理突发事件的应急能力。当VR技术硬件装置取得进步、软件得以进一步完善后，基于VR技术开发的煤制油费托合成安全演练培训系统功能必将越来越完善，能够为煤化工企业员工提供全方位安全应急演练，大幅度提高员工的应急处置水平与能力。

参考文献

[1]郭珍珍,陈晋.VR技术在现代教学中的应用[J].现代商贸工业,2018(34):164-165.

[2]郭力源.VR技术在煤矿安全生产中的应用[J].科学技术创新,2018(27):152-153.

[3]杨波.基于VR技术的仿真虚拟教学资源应用开发[J].信息记录材料,2018,19(11):177-179.

[4]郭力源.VR技术在微生物实验教学中的应用[J].科技创新导报,2018(13):230-232.

[5]朱连毅.基于HLA和VR的煤化工现场突发事故应急管理培训研究[J].中国集体经济,2011(2):208,216.

[6]易涛.基于HLA架构下的化工安全虚拟现实仿真演练系统[J].中国集体经济,2011,24(4):519-523.

[7]易涛.化工安全虚拟现实仿真系统的设计与实现[J].计算机与应用化学,2006,23(1):49-54.

作者:唐文秀 单位:宁夏工商职业技术学院