操作员培训仿真系统(OTS)应用进展

现在的石油化工工业是以巨大的复杂的设备和高度密集的联合体为基础，即大型化、高投资、技术密集、知识密集、劳动力密集。

一方面，为了增强企业的国际竞争能力，各企业均在不断地进行着各种各样的技术革新。当然，要想使这些技术革新成为可能，在很大程度上要依赖于数十年来惊人发展的计算机技术，通过过程控制向分散型系统(DCS)的转换。由于计算机的大力推广和自动化程度的大幅度提高，使得产品生产的效率和质量均在提高，从前的手工操作被代替，人工操作在减少，复杂的操作变得简化了，由于长周期运行，频繁调整操作和开停车少见了。许多引起危险事故的因素被排除，事故的发生率在降低。这样，操作人员亲身体验非正常状态和事故的机会也在极度地减少。另外，工厂的编制尽量精简，甚至一人多岗，安全又要保障，对操作人员的素质要求更高了。由于不正常操作或者误操作而引起的停车次数也很多。由此造成的损失，表现为设备损坏或产品不合格，甚至人身伤亡也很可观。另一方面，老厂由于不断地进行技术革新，新老操作人员都存在着技术培训问题。新建厂的大部分关键设备都很先进，自动化程度很高。其各类操作人员，尤其是一线操作人员比较缺乏经验，又面临着比其它老厂更加复杂的和全新的系统，因此必须对他们进行很好的培训。第三，全球进入老龄化社会而导致熟练工人大批退休，新人的大量接替，人才的社会流动和流失加快，因此知识的继承和传递，高级人才的获得，在职人才的教育和培训，则一直是企业家的关注焦点。

在这种背景下，寻找高效的培训方法则被提到日程了。采用什么样的培训方法呢？是个关键。传统的操作员现场培训方法存在着种种弊端，危险性大，灵活性差，占用时间多，进度慢，效果不够理想，而且培训开支很大。在计算机技术迅速发展的今天，与传统的培训方法相比，基于计算机的模仿工厂操作实际的仿真培训系统（Operator Training Simulator，OTS）20~30年前在西方发达国家产生了，而且成为必然的发展趋势。特别是新建工厂，OTS投资只占工程建设总投资的很小一部分，所以新建厂几乎都同时引进OTS系统。

1 模拟的定义

古往今来，模拟（simulation）几乎是无处不有，无时不在。人类认识自然、认识世界是通过各种实践活动来实现的。其中实验方法和理论方法已经流行了几千年。实验方法是在一定条件下，通过一定技术手段，观测事物的变化结果，揭示内部的运动规律，然后达到认识事物的目的；理论方法是选用一定的物理模型，假定相应的数学关联和关系，直接描述事物变化的客观规律。很长时间以来，人类则幻想得到第三种更简捷更快速的认识世界的新方法。神话故事则反映了这种奢望。到了信息时代，认识世界的计算

机模拟方法终于出现了。

利用一个方便、经济而性能相似的系统来研究模仿另一个系统，即不用系统自己而是用别的一个系统，来体验和观察相同的现象，这种方法则叫做“模拟（simulation）”。例如对物理的、生态的、社会的以及其他系统现象或行为，可以由几乎相同法则支配的其他系统或计算机的现象或行为来模拟。英文模拟（simulation）一词来源于拉丁语（simulo），即模仿和近似的意思。

模拟很早即产生了。为什么要用模拟？当进行实际的体验或观测时，如果有危险，或者费用花费过多、时间花费过长，或者由于各种制约而不能实现、过于小、过于远或不能接近等等，这时则需要模拟。模拟方法有直接模拟（analog）法：例如比例模型、防灾训练、风洞试验、动物试验等；还有间接模拟法：例如类推模型、机电模拟等；还有数理模拟法：例如数理模型、统计模型、解析模型等。

如果模拟系统与被模拟系统之间只存在物理规模尺寸大小上的不同，而物理化学过程和性能几乎都一样，则称为相似模拟或物理模拟。如果模拟系统与被模拟系统之间的物理过程本质不同，例如一个是化工过程，一个是计算机处理过程，而只是描述方式（数学方程）相同，则称为类似模拟。在计算机上利用数学模型对真实系统进行数学试验的类似模拟又称为数学模拟或计算机模拟。这也就是计算科学（Computational Science）的产生。在认识自然、利用自然、改造自然的过程中，计算机模拟方法既不是试验方法，也不是理论方法。它是在试验的基础上，通过基本原理，构造成一套模型和算法，从而计算出需要的结果。模拟的分类如图1所示。

图1 模拟与模型的分类

2 OTS的发展

早期的培训以实际装置为主，后来演变成实际装置加上计算机培训系统。早期开发的仿真系统，把已经停止运转的小规模的实际装置作为模型，进行仿真练习，这种方法受运转特性的限定。另外，过分固定的模型对多种类型的操作培训是不适合的。

为了提高培训效果，后来则把实际装置上运转操作的主体部分(例如泵和汽轮机的运转、阀门的开关等)和过程控制部分（例如CRT操作）分开进行训练。这也就成了后来发展的两个主要环节和起码要求。一是有精确反映和表达实际过程的模型，这被称作OTS的心脏。尤其是专为用户定制的OTS场合，其模型精度几乎是成败的关键。也是建模和调试的主要工作量。对熟练度高的操作培训更要求高精度模型。二是能保持真实感受实际运行操作的人机接口（Human Machine Interface，HMI）。只有与实际DCS具有相同的画面和人机接口，才能有真实感。现代操作员的培训目的是适应生产操作，如图2所示。具体要求是：改进操作技能；熟练装置HMI操作控制功能；了解装置的基本原理；演习控制系统功能；担当操作新装置DCS的桥梁。因此，日臻完善和成熟的OTS的基本功能如图3所示，其系统构成如图4、5、6所示。

图2 装置运转的各种类型

图3 OTS的基本功能

图4 OTS系统的基本结构

图5 现在模拟器与DCS的三种连接类型

图6 OTS与DCS的连接方式

如图5所示，模拟器与DCS的连接，一是基于Windows全部模拟的方式。不使用DCS装置，在微机上运行DCS仿真器和专业HMI。也有的不用专业的HMI，也由模拟器提供，构建最价廉的OTS。二是部分地使用DCS装置。即使用与DCS装置相同的终端和数据高速公路，而控制算法不用DCS的处理器，而使用在主工作站的模拟程序。三是全部使用DCS装置。控制逻辑使用实际的分散型处理器，图形终端使用实际的操作员工作站。

以前，只有少数单位有小型机可开发仿真培训系统。由于价格昂贵，功能低下，限制了应用和普及。20世纪80年代的微机技术发展，带动了仿真培训技术的应用和推广。例如德山炼油厂在20世纪80年代就选用了一套闲置的煤油加氢脱硫精制装置。使用实际设备，使用实际介质。但是由水代替油，用氮气代替氢气，用空气代替蒸汽和瓦斯，系统为常温低压，既安全又实际。实际上没有进行的反应、蒸馏、热交换等工艺过程则由计算机进行模拟。由于现场设备的运转结果可以反馈，因此也可以进行工艺波动变化的训练。可以人为地由计算机或装置设置成异常而训练异常处理。在工人技术不熟练的场合，出现一次误操作就可能造成重大事故和导致巨大经济损失。进行培训就是希望将风险降到最低。而且，OTS可以允许反复训练和体验，操作人员可以不间断地提高技能。只要避免几次重大事故，就可回收OTS的投资。大家纷纷实施OTS就是这个道理。早期的模拟系统的构成如图7所示。