圖 1 煉鐵實體操作臺
分享：煉鐵煉鋼生產虛擬仿真實訓系統
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廣西華銳鋼鐵工程設計咨詢有限責任公司，廣西 柳州 545002
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摘要: 煉鐵、煉鋼生產現場情況復雜、危險性高，不具備專門制造相應的典型工況供職工培訓學習。為了滿足現代鋼鐵企業對培養富有實踐能力與創新精神的高層次技能人才的需求，需要建設虛擬仿真實訓系統。本文從虛擬仿真實訓系統的硬件設計、虛擬仿真實訓軟件需求及開發等方面考慮，就煉鐵、煉鋼生產虛擬仿真實訓系統應用進行研究探討，構建的煉鐵煉鋼生產虛擬仿真實訓系統，為新員工、轉崗員工對生產線理論學習、生產線工藝和安全認知學習及考核上崗培訓，在職職工技能提升培訓，提供一個教、學、訓、考一體化管理平臺，為大規模人員培訓提供了有力保障，產生了巨大社會效益和經濟效益。
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煉鐵、煉鋼現場多為大型設備，其生產現場情況復雜、危險性高，不具備專門制造相應的典型工況供職工培訓學習。為了保證生產安全穩定運行，生產現場一般不容許、也不適合開展現場培訓或實踐教學。因此受設備與技術的制約，當前職工培訓教學形式相對單一，內容相對局限于理論教學和技術交流，無法實現實操互動，已不能適應現代鋼鐵企業對培養富有實踐能力與創新精神的高層次技能人才的需求，迫切需要建設虛擬仿真實訓系統，以形成與現有理論教學與實操培訓教學相輔相成的新型培訓教學模式。
在涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，通過虛擬仿真實訓系統平臺，提供可靠、安全和經濟的實訓項目，既能降低在真實現場中的設備誤操作率和經濟成本，又能保證操作的可靠性和安全性，解決了現場培訓設備的臺套數量限制。
1. 虛擬仿真實訓
定制開發煉鐵生產虛擬仿真實訓軟件、煉鋼生產虛擬仿真實訓軟件。改造現有教室為多媒體機房虛擬仿真實訓教室。具體措施有：（1）培訓教室改造為煉鐵、煉鋼仿真實訓教室；虛擬仿真實訓系統硬件配置及布置；煉鐵、煉鋼生產虛擬仿真實訓系統需求及定制開發；虛擬仿真實訓系統遠程聯網。（2）新增計算機插座配電箱、增加計算機用插座，插座明敷在計算機桌下部；實訓教室的每個大門處新增設置應急照明燈及疏散指示燈。（3）實訓教室及弱電機房增加靜電地板、吊頂。
1.1 虛擬仿真實訓硬件設計[1]
培訓教室設置為煉鐵和煉鋼仿真綜合實訓教室，可實現整體自由切換為煉鐵仿真實訓教室或煉鋼仿真實訓教室。煉鐵仿真實訓教室、煉鋼仿真實訓教室共設有4臺84寸多媒體教學一體機，6個仿真實訓實體操作臺，40個電腦桌，86把靠背座椅，40個軟操作工位，6個實體操作臺工位（其中煉鐵實體操作臺工作2個，轉爐實體操作臺工位4個），86臺電腦（其中6個實體操作臺共6臺電腦）。3D被控對象、仿真的控制界面和仿真的現場操作臺（按鈕、手柄等）三位一體能夠實現實時互動。
1.1.1 虛擬仿真硬件
每個實訓教室2臺84寸多媒體教學一體機用于展示，一臺用于展示虛擬仿真界面（相當于真實工廠和被控設備），一臺用于展示上位機監控畫面，用來監控和操作。多媒體教學一體機布置在教室墻上。
每個實訓教室40臺電腦，20個工位。一臺顯示虛擬仿真場景、一臺顯示上位機監控界面，兩個電腦構成一個工位，從而進行仿真實訓考核。
上位機監控畫面：現場參數的監控，參數設定和設備動作操控，實現標準化操作和典型工況處置。
虛擬仿真界面：3D場景展示，設備動作和效果展示（水、煙、火、霧氣），典型工況表現。
1.1.2 服務器
服務器需要安裝數據庫用于存儲數據，保存用戶信息、基礎數據、計劃信息、操作詳細記錄和評價信息。訓練結果上傳服務器管理，包括用戶信息、生產計劃、評分記錄、事件記錄、成本核算、參數曲線、訓練成績等，并導出報表供查詢。
1.1.3 電腦操作畫面和實體操作臺
實訓系統配備了電腦操作畫面和實體操作臺。
（1）電腦操作畫面，僅用鼠標、鍵盤可以操作，實現網絡化訓練。
（2）實體操作臺，1:1仿真現場操作手柄、按鈕、指示燈等。
仿真實訓操作臺為實訓工位，通過和現場真實生產一致的硬件操作環境用于按崗位分批次的實操訓；練習工位通過鼠標操作電腦操作畫面，用于同崗位集中培訓。實體操作臺保留現場使用的關鍵操作臺的關鍵手柄和按鈕，控制虛擬仿真界面設備動作。煉鐵實體操作臺見圖1，煉鋼實體操作臺見圖2。
1.2 虛擬仿真實訓軟件需求及開發
本著“虛實結合、相互補充、能實不虛”的總體原則，虛擬仿真實訓系統依托虛擬現實、多媒體、3D模型、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，集鋼鐵冶金生產工藝和控制技術于一體，虛實結合，軟硬結合，人機互動，構建高度仿真的虛擬實訓環境，實現冶金生產工藝操作的實時仿真。
在仿真的虛擬環境中開展實操訓練和學習，能完整的、按工藝操作規程進行操作，進行標準化操作常規訓練，也能夠對生產過程中出現的典型異常工況處理進行訓練，時間上與現場達到1∶1的匹配。仿真系統具有完善的記錄操作功能及自動評價體系，能夠完成教學、培訓和崗位技能鑒定等任務，并可解決在校學生生產實習難題。現場3D漫游系統，可以讓學員以第一人稱視角，多角度、全方位的在虛擬仿真的場景中行走，從而解決在校學生教學、認知實習難題。系統可以實現真實生產實踐難以完成的教學和培訓任務。
采用了計算機圖形顯示技術為核心的虛擬現實技術，利用虛擬的場景結合仿真的監控系統，并配有實體操作臺，通過監控界面和虛擬場景實現互動，模擬呈現整個冶金現場生產主要工藝環節的大型場景。學員可通過系統中的仿真監控系統與虛擬環境，進行符合現場技術操作規程的正常生產標準化操作，針對典型故障和異常工況都能進行訓練，指導學員按照正確處理步驟實施異常處置操作控制；系統可以設置出現各種工況條件，系統不干預操作人員的處理過程，但記錄下整個操作過程并按照現場專家按照工藝操作要求、工藝指標和成本指標要求制定的評價體系仿真系統自動給出評分，生成詳細的考核記錄報表，實現培訓考核，對現場培訓做有益的補充。工藝精細內在流程的可視性展示，技能培訓理念“基于工作過程”的應用，虛擬生產場景、上位機仿真操控、硬件手柄操作臺模擬工藝三位一體實現最佳訓練效果，將電腦仿真技術用于鋼鐵冶金培訓，用于新員工培訓、轉崗員工培訓、在職職工技能提升培訓，減輕企業現場培訓負擔，將仿真系統用于冶金技術培訓教學，真實的數據模擬提高實操的針對性和有效性。培訓學員實現了：有網即可學習、考核，掌握自己的學習進度，有指導性地提升實踐操作能力
2. 虛擬仿真實訓系統架構
系統采用C/S架構，能夠滿足局域網和廣域網中使用，經過嚴格的壓力測試，滿足多人同時在線。仿真系統能夠實現一臺顯示虛擬場景、一臺顯示上位機監控界面進行仿真實訓考核。服務器上安裝數據庫和服務器端軟件，客戶端安裝客戶端軟件，通過賬號和密碼登錄驗證使用仿真軟件。虛擬仿真實訓系統架構見圖3所示。
3. 軟件需求調查表
收集用戶需求，用戶需求涉及軟件功能和定制投資，軟件需求調查表見表1。
表 1 軟件需求調查表系統名稱 功能模塊 功能點敘述 認知學習系統 廠區認知 廠區漫游（現場視頻） 廠區漫游（3D動畫視頻） 工藝認知 工藝流程展示 原理認知 設備正常工作狀態展示 設備認知 高爐本體 爐型 爐襯 冷卻設備 高爐基礎 仿真實訓系統 標準化操作 爐前出鐵系統 開、堵鐵口操作(液壓炮堵鐵口、人工開鐵口、用氧氣燒鐵口、水沖渣、潮鐵口的處理) 高爐本體 高爐本體操作 典型工況 煤氣流失常 邊緣過分發展，中心過重 邊緣過重，邊緣煤氣流不足，中心過吹 管道行程 3D虛擬仿真場景 3D虛擬場景對操作動作及生產情況進行實時反饋，可自由切換視角 設備：泥泡、開口機、擺動流嘴、鐵水罐 動作：泥泡、開口機、擺動流嘴、鐵水罐 效果：開鐵口、流鐵水、噴火星等 數學模型 物理模型：泥炮裝泥、打泥、旋轉控制，開口機旋轉 工藝模型：配料計算模型、布料模型、爐頂溫度模型 應急演練 停水 停電 鐵水非正常外溢 操作面板 爐前出鐵操作面板 4. 結束語
建設煉鐵、煉鋼生產虛擬仿真實訓系統，可滿足新員工、轉崗員工對生產線理論學習、生產線工藝和安全認知學習及考核上崗培訓，在職職工技能提升培訓，具有自動評價系統以適用于技能比武的需要，提供一個教、學、訓、考一體化管理平臺，為大規模人員培訓提供了有力保障。在虛擬仿真實訓系統上進行實操訓練，既能降低在真實現場中的設備誤操作率和經濟成本，又能保證操作的可靠性和安全性，達到國內先進水平。此外，可承辦冶金全國大型比賽，提高了企業知名度，社會效益明顯。實訓系統建成后，最大可實現128人在線培訓，可以產生巨大的經濟效益。
來源：金屬世界
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