（计算机应用技术专业论文）化工仿真系统的研究与开发.pdf

化工仿真系统的研究与开发 摘要 计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，它具有 经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点。化工仿真系统作为化工生产 过程中分析、设计、试验、评估的必不可少的手段，它的应用对于提高生产效率和保证 安全生产都具有极其重要的意义，而化工仿真系统的可重用性、可扩展性以及可视化一 直都是化工仿真领域的研究热点。 本文的主要工作是对化工仿真系统的研究与开发，包括三维模型的建立、模型驱动 的设计和实现、化工工艺数学模型的建立和计算机实现、工艺模型仿真子系统与视景仿 真子系统之间网络通讯的实现和通讯过程、仿真系统人员培训功能的实现。系统以某商 危化学品生产装置为研究对象，对其运用面向对象仿真技术与虚拟现实技术相结合的方 法进行设计与开发。该系统分为两个子系统：化工视景仿真子系统和化工工艺模型仿真 子系统，框架设计采用客户端服务器端模式，通过t c p i p 协议进行通讯。其中化工视 景仿真子系统作为客户端，进行化工生产流程的三维显示，化工工艺模型子系统作为服 务器端，对化工视景仿真子系统的三维显示提供后台数据支持并对操作人员的操作进行 评价。 将工艺流程分析计算结果、三维视景以及操作评价结合在一起是本系统的特点之 一，它改变了以往化工仿真系统单一的培训功能，加入了三维展示部分，对模拟培训和 虚拟试验具有深远意义 关键字：仿真，面向对象，数学建模，工艺模型 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to fc h e m i c a l s i m u l a t i o ns y s t e m g u oy 删u n , k o n gi j n 鲥o a b s t r a c t t h ee m u l a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ri sat e c h n o l o g yt oc a r r yo u ts c i e n t i f i c e x p e r i m e n tb yu t i l i z i n gc o m p u t e rs o f t w a r et oi m i t a t et h er e a le n v i r o n m e n t i th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha se c o n o m i c a l ，r e l i a b l e , p r a c t i c a l ，s a f e ，f l e x i b l ea n dr e u s a b l e c h e m i c a l e m u l a t i o ns y s t e mi sa ne s s e n t i a lm e a n so fa n a l y z i n g , d e s i g n i n g , t e s t i n g ，a s s e s s i n gi nt h e c h e m i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s , w h o s ea p p l i c a t i o nh a se x t r e m e l yi m p o r t a n tm e a n i n g sf o r i m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dg u a r a n t e e i n gs a f e t y i np r o d u c t i o n ，a n dt h er e u s a b l e , e x p a n s i b i l i t ya n dv i s u a lo fc h e m i c a le m u l a t i o ns y s t e mh a sb e e nh o ts p o to ft h ec h e m i c a l e m u l a t i o nf i e l da l lt h et i m e t h em a j o rw o r ko ft h i sp a p e ri st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt ot h ec h e m i c a le m u l a t i o n s y s t e m ，i n c l u d i n gb u i l d i n gt h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l ，d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gt h ed r i v e so f m o d e l ，b u i l d i n gt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ec h e m i c a lc r a f ta n dr e a l i z i n g , r e a l i z i n gt h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o d e le m u l a t i o ns u b s y s t e mo ft h ec r a f ta n dv i s i o n s i m u l a t i o ns u b s y s t e m ，r e a l i z i n gs y s t e m a t i cs t a f ft r a i n i n gf u n c t i o no fe m u l a t i o n t h i ss y s t e m m a k e st h ep r o d u c ef u r n i t u r eo fak i n do fh i g h l yd a n g e r o u sc h e m i c a l sa st h er e s e a r c ho b i e c t ，i t b a db e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e db yc o m b i n i n gt h em e t h o do fo r i e n t o b i e c ta n dt h ev i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi sd i v i d e di n t ot w os u b s y s t e m s ：c h e m i c a lv i s i o ns i m u l a t i o n s u b s y s t e ma n dc h e 瑾d c a lc r a f tm o d e le m u l a t i o ns u b s y s t e m t h es y s t e mu s e sc l i e n t s e r v e ra s t h em o d eo ff r a m ed e s i g n i n ga n dc a r r i e st h ep r o t o c o lo ft c p i pa st h em o d eo f c o m m u n i c a t i o n t h ec h e m i c a lv i s u a ls i m u l a t i o ns u b s y s t e mw h i c hi st h ec l i e n ti sc a r r i e do n s h o w i n gt h e t h r e e - d i m e n s i o ne f f e c to ft h ec h e m i c a lp r o d u c t i o n p r o c e d u r e ，t h e m o d e l s u b s y s t e mo ft h ec h e m i c a lc r a f tw h i c hi st h es e r v e ri sc a r r i e do no f f e r i n gd a t as u p p o r t e ra n d e v a l u a t i n go p e r a t o r s t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i ss y s t e mi sc o m b i n a t i o no ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h r e e - d i m e n s i o n v i s u a ls c 4 0 n ea n do p e r a t i n ge v a l u a t e ，i th a sc h a n g e dt h e t r a i n i n g f u n c t i o no fc h e m i c a l e m u l a t i o nw i t hs i n g l es y s t e mi nt h ep a s t ，j o i n e dt h es h o w i n gf u n c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n i t h a sf a r - r e a c h i n gm e a n i n g so fs i m u l a t i o nt r a i n i n ga n dt h ev i r t u a lt e s t k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n , o b j e c t - o r i e n t e d , m a t h e m a t i cm o d e l i n g , c r a f t s m a n s h i pm o d e l 中北大学学位论文 引言 计算机仿真是近几十年来发展起来的- - f - 综合性技术学科，它为进行系统分析、综 合、研究、设计以及对专业人员的培训提供了一种先进的技术手段l l i 。 自从上世纪四十年代计算机问世以来，随着系统理论、计算机技术、图形技术、建 模技术的发展，计算机仿真技术得到了极大的发展。美国国防部高度重视仿真技术的发 展，最近十几年来，美国一直将建模与仿真列为重要的国防关键技术。1 9 9 2 年公布了“国 防建模与仿真倡议”，并成立了国防建模与仿真办公室，负责倡议的实施；1 9 9 2 年7 月 美国国防部公布了“国防科学技术战略”，“综合仿真环境”被列为保持美国军事优势的 七大推动技术之一；1 9 9 5 年l o 月，美国国防部公布了“建模与仿真主计划”，提出了美 国国防部建模与仿真的六个主目标；1 9 9 7 年度的“美国国防技术领域计划”，将“建模 与仿真”列为“有助于能极大提高军事能力的四大支柱( 战备、现代化、部队结构、持 续能力) ”的一项重要技术1 2 1 。而随着技术的日益成熟和发展，仿真逐步发展到电力、交 通、医药、社会经济、冶金、机械、化工等领域并得到了很好的应用。 在我国，仿真技术在“七五”、“八五”、，“九五”期间都被列为关键发展技术，“十 五”也被列为国家国防重点发展的高新技术之一，并在某些尖端学科技术研究领域和其 它众多科学领域都取得了很大的进展。目前人们普遍认为建模与仿真技术成为继理论分 析和科学试验之后的第三种认识世界、改造世界的重要手段。 化工生产本身具有危险性，尤其是对于生产剧毒或生产过程中容易出现危险情况的 化学品装置，仿真系统的开发和研究显得尤为必要，不仅保证了研究人员的人身安全， 而且也可以节约大量的人力、物力、财力，降低研究成本，提高工作效率，大大缩短产 品开发周期。本文以高危险性的化工生产装置的工艺流程为基础，来探索建模与仿真技 术在化工工艺流程仿真系统中的应用。 中北大学学位论文 1 1 建模与仿真技术简介 1 绪论 建立模型是人类认识世界的基本方法，模型是对认识对象所做的一种简化描述，是 对原型进行模拟所形成的特定样态。我们可以为模型构造一个等式1 3 1 ： 模型= 概念模式( 含公共知识) + 个体观察+ 抽取和筛选+ 架构+ 修订 在上述等式中，所谓公共知识是构建模型时具有的预设知识，它确保模型可以在 定范围内进行讨论和传播，并给予模型一定的理论基础；个体观察是建模者根据公共知 识以及个人的概念模式对模型对象操作的行为，强调信息收集；抽取和筛选是根据建模 的目的、观测的数据、建模的手段等对信息进行分析的过程，强调寻找主要指标刻画模 型以及建立可行的计划；构架是建模者具体化模型的过程，完成从现实观测到的模型空 间的选择性映射；修订是将模型运行提供的结果与实际系统进行比较，调整模型参数、 结构、功能的过程，以及模型在建模者目的的指导下接近现实系统。 在原型系统及模型之间存在着“反馈”的关系，根据对原型系统规律的认识，可以 建立模型。而建立模型进行实验的过程又可发现一些新的规律，由此预测未来或丰富对 原型系统的认识。图1 1 表示模型与原型在认识过程中的关系1 3 1 。 图1 1 模型与原型 仿真技术作为分析和研究系统运动行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要 的手段和方法，随着近些年来系统科学研究的深入，控制理论、计算技术、信息处理技 术的发展，计算机软件、硬件技术的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使得 2 中北大学学位论文 系统仿真技术有了许多突破性的进展，在理论研究、工程应用、仿真工程和工具开发环 境等许多方面都取得了令人瞩目的成就，形成- f - j 独立发展的综合性科学。 1 1 1 计算机建模与仿真技术的概念 根据国际标准化组织( 璐o ) 标准中的数据处理词汇部分的名次解释，“模拟” ( s i m u l a t i o n ) 与“仿真”( e m u l a l i o n ) 两词含义分别为：“模拟”即选取一个物理的或抽 象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示他们的过程。“仿真”即用另一数据处理系 统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以至于模仿的系统能像被模 仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。鉴于目前实际上已 将上述。模拟”和“仿真”两者所含的内容都统归于“仿真”的范畴，而且都用英文s i m u l a t i o n 一词来代表。 仿真技术的应用一般是以仿真系统的形式来体现的。系统仿真是以建模理论、计算 方法、评估理论为基本原理，以计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、 软件工程、信息处理、自动控制及系统工程等相关技术为支撑的综合性交叉科学 4 1 。 依据不同的标准，可将系统仿真进行不同的分类。 根据被研究系统的特征可分为两大类：连续系统仿真及离散事件系统仿真。连续系 统仿真是对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，包括数据采集与处理系 统的仿真。这类系统的数学模型( 微分方程等) 、离散时间模型( 差分方程等) 以及连 续- 离散混合模型。离散事件系统仿真则是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某 种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真试验。这类系统的状态量是由于事件的驱 动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，因而是离散变化的，称之为离散事 件系统。这类系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。 按仿真试验中所取得时间标尺t ( 模型时间) 与自然( 原型) 时间标尺t 之问的比 例关系可将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。若t ，t = 1 ，则称为实时仿真，否 则成为非实时仿真。非实时仿真又分为超实时t t 1 和亚实时l t 1 两种。 按照参与仿真的模型的种类不同，将系统仿真分为物理仿真、数学仿真及物理数 学仿真( 又称为半物理仿真或半实物仿真) 。物理仿真是指按照实际系统的物理性质构 造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但 3 中北大学学位论文 不如数学仿真方便。数学仿真是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成为仿 真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真有仿真系统的 软件，硬件环境、动画与图形显示、输入输出等设备组成。数学仿真在系统分析设计阶 段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性与合理性。数学仿真具有经济性、 灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软件技术、图形技术、 人工制能技术、先进的交互式建模和仿真软硬件技术的发展，数学仿真比将获得飞速发 展。物理数学仿真准确的称谓是硬件( 实物) 在回路中( h a r d w a r ei nt h el o o p ) 的仿真。 这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化成仿真计算模型；另一部分以实 物( 或物理模型) 方式引入仿真回路。在航空航天、武器系统等研究领域，半实物仿真 是不可缺少的重要手段。 由于数学仿真实际上是离不开计算机的，所以数学仿真又称之为计算机仿真，所谓 计算机仿真就是建立系统的数学模型，用计算机进行试验、研究，然后把试验研究的结 果应用到实际系统的过程，因而计算机仿真包括三要素：系统、模型与计算机1 1 1 。 1 1 2 计算机仿真原理及一般过程 计算机仿真的三要素之间的关系如图i 2 ： 图1 2 计算机仿真三要素之间的关系 可以看出，图1 1 是图1 2 的抽象或是方法论基础，而图1 2 是图i i 的具体应用与 展现。其原理可以用图1 3 来表示1 5 l ： 4 中北大学学位论文 图1 3 计算机仿真原理 计算机仿真一般过程是先将现实系统进行抽象，建立数学模型，然后用计算机语言 描述数学模型即编制程序，然后进行仿真试验并显示结果，最后进行系统分析和优化。 上述过程是一个往复循环的过程，直至结果满足系统需求。图表表示如图1 4 【q ： 图1 4 计算机仿真的一般过程 中北大学学位论文 1 。1 。3 计算机仿真技术的应用与发展 仿真系统的发展首先从仿真器开始，第一台美国空军的林克机练习器是1 9 2 9 年诞 生的。历史上的第一个真正意义上的仿真软件是由塞尔弗里奇( r g s e l f j i d g e ) 在1 9 5 5 年开发的。从那之后，仿真软件的发展经历了四个阶段f 凡 第一阶段：从5 0 6 0 年代初期，以f o r t r a n 语言为代表的通用程序设计语言阶段， f o r t r a n 语言是达到成熟的第一个高级程序设计语言。当时几乎所有用于求解数学表达式 的程序都是用f o r t r a n 语言编写的，即使在目前，也有许多大型的通用仿真语言是基于 f o r t r a n 语言编制的。仿真技术在5 0 年代主要应用领域是火炮控制和飞行控制系统；6 0 年 代，是火箭和导弹控制系统。 第二阶段：6 0 7 0 年代，出现了多种仿真程序包及初级仿真语言。这个时期仿真软 件主要解决的问题是利用数字仿真方法求解常微分方程组。主要应用领域是航天、核能 和经济管理系统。 第三阶段：在7 0 8 0 年代初期，出现了高级完善的商品化仿真语言。这个阶段仿真 语言在模型的表达能力、数值性能和算法、语言的结构特征、模型验证、程序执行方式、 数据管理和处理能力、输入输出特性等方面都比早期的仿真语言更加成熟和全面。最引 人注目的应用领域是制造系统。 第四阶段：从8 0 年代中期由于对建模与仿真工作要求的不断提高，已开发的各种 仿真软件经常不能协调她工作；面且对仿真语言的要求越来越复杂；存在大量的数据处理 及文档化工作要处理；并且不同的用户建模者、仿真实验人员、决策者对仿真工具有不 同的要求；另外计算机网络技术和数据库技术有了较大的发展。这些原因促使了一体化建 模与仿真环境的研究和发展，仿真技术的应用领域也扩展到广义的物理系统、广义的复 杂系统及各类软件系统研制开发等方面。 就应用方面来说，从上世纪四十年代开始，美国最先把仿真技术应用到航空航天和 军事领域的人员培训方面，在研制成功空军飞行员的仿真训练器后，仿真技术逐步开始 向过程工业领域渗透。七十年代以来，在美国等工业发达国家中，针对电力、石油化工 等过程工业的仿真训练器的研制和开发逐步进入成熟期，出现了a u d y , s i m c o n ，s c a d a , s i m t r i n i c 等多家公司，他们主要针对过程工业领域开发和研制多种用于技能训练的仿真 6 中北大学学位论文 训练软件及配套硬件，并在发达工业国家得到了大量的应用，从而使得过程工业领域操 作人员的技能训练更加专业化，手段现代化，高效快捷地提高这些领域的生产和技术人 员的技能素质，更加促进其工业自身的发展，为企业和社会取得了良好的经济效益。到 九十年代中后期，随着计算机软硬件技术的发展，国外先进的仿真技术得到了进一步的 发展，开发出现了“仿真开发平台”的概念，即仿真培训系统= 仿真开发平台+ 针对性建模 ( 模块搭接1 ，给使用者更大的权力和能力，使得用户自己能开发和研制针对性的仿真 培训系统，并能对自己开发的仿真培训系统进行改进、升级维护。这一方面使得用户的 使用更加方便、灵活，同时也大大节省了开发周期和开发投资，深受广大用户的欢迎， 将仿真培训系统从过去的模块化上升到了平台化，真正达到具有极强开放性的商品化平 台化产品嗍。 我国从5 0 年代开始，在自动控制领域首先采用仿真技术，面向方程建模和采用模 拟计算机的数学仿真获得较普遍的应用。6 0 年代在开展连续系统仿真的同时，已开始 对离散事件系统的仿真进行研究。7 0 年代，我国训练仿真器获得迅速发展，我国自行 设计飞行模拟器、火电机组培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、坦克模拟器等相继 研制成功，并形成一定市场，在操作人员培训中起了很大作用。1 9 8 5 年我国又研制出达 到国际先进水平的大型并行处理全数字仿真计算机( “银河全数字i 仿真”计算机) 和相 应高水平的仿真软件。9 0 年代，我国开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术 及其应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真，并于1 9 9 2 年研制出新一代大型 并行处理全数字计算机( “银河全数字i i 仿真”计算机) 。1 9 9 3 年我国正式建立国家仿真 试验室，使我国的仿真事业进入了一个新的发展阶段。进入到2 1 世纪，我们有理由相 信，仿真技术应用的范围将会进一步扩大，延伸到社会的方方面面，给我们的生活带来 意想不到的变化【9 j 。 1 2 化工仿真技术的发展现状 随着科技的进步，化工生产逐步向集中化、复杂化、连续化发展，化工生产过程中 的自动化程度越来越高，随之对化工生产过程中的操作人员素质的要求也越来越高，特 别是对于那些高危化工生产过程的企业来讲，高素质的操作人员对于安全生产显得尤为 重要。以往对操作人员的培训主要通过师傅带徒弟或是现场讲解，这种培训方式不可避 7 中北大学学位论文 免的存在许多缺点：学员的培训时间得不到充分的保证，培训效果有限；培训过程 中无法主动制造事故，使学员缺乏排除故障的练习机会，处理紧急情况的能力有限： 往往采取统一的方式来进行培训，不能根据不同学员的不同情况来培训，针对性较差； 无法对学员的学习效果进行合理的评价嗍。 而随着计算机和仿真技术的飞速发展，化工仿真培训方式在化工企业里得到了极大 应用。8 0 年代初，西方国家如美国、英国、德国、法国、加拿大、日本等国的大型石油 化工企业相继采用计算机仿真培训系统训练操作工人，效果十分突出。大量统计结果表 明，仿真培训可以使工人在数周之内取得现场2 5 年的经验。这种仿真培训装置能逼真 地模拟工厂开车、停车、正常运行各种事故状态的现象。无需投料，没有危险性，能节 省培训费用，大大缩短培训时问。美国称这种仿真培训系统是提高工人技术素质，确保 其在世界取得生产技术领先地位的“秘密武器”和“尖端武器”，并且有许多企业已将仿真 培训列为考核操作工人取得上岗资格的必要手段。 我国于1 9 8 5 年开始引进了美国a u d y 和s i m c o n 公司的培训系统，在此基础上，1 9 8 7 年北京化工大学与燕山石化公司合作研制成功我国第一套通用型石油化工仿真培训系 统并应用成功，这套系统的推广应用为我国化工领域的培训方式带来了革命性的变化。 自此，我国的化工仿真技术开始了较多的应用和发展，从单元设备的仿真到工段级的仿 真，发展到全流程的仿真，现在的化工仿真开始向人工智能化的方向发展，对工艺过程 中由于操作和其他原因导致的异常现象进行提示报警，以更好的帮助学员进行培训。这 种智能化的仿真器应该是今后新型培训系统的一种发展发向1 1 l j l l 2 】。 1 3 本课题的研究对象、研究内容及意义 1 3 1 本课题需求分析 仿真技术在我国化工领域的应用相对来说还是比较早的，但以往的化工仿真训练系 统往往是以硬件为主的仿真模拟器和半实物仿真系统，其成本较高且不易维护，缺乏可 重用性和可扩展性。以往的操作界面也都是二维图形界面，使用起来缺乏现场的逼真度 和真实感，另外，针对化学反应过程中产生的现象也无法逼真的表现。因此，近几年来 化工仿真开始向三维可视化方向发展并取得一定的成果。 8 中北大学学位论文 从技术上来说，近些年来人们一直在致力于研究面向对象的仿真建模技术，它在理 论上突破了传统的仿真方法的概念，根据组成系统的对象及其相互作用关系构造仿真模 型，且仿真模型的对象表示实际系统中相应的实体，从而拉近了模型与实际系统之间的 距离，使建模仿真的思想与人们认识客观世界的自然思维方式一致。因而增强了仿真模 型的直观性，并且有内在的可扩充性和可重复性，为仿真大型系统提供了极为方便的手 段。但是，面向对象仿真的研究尚处于发展阶段，目前的研究大多集中在利用面向对象 的程序设计语言实现系统的仿真等应用方面，丽面向对象仿真的实现机理和仿真逻辑等 理论还需进一步研究【埘。 而将虚拟现实技术和面向对象的仿真方法相结合的仿真系统结合了两者的优势，既 提供了逼真的现场感，又使系统更接近于真实的系统，可以说这样的仿真系统在化工仿 真中有很大的发展空间，而目前在国内还未见有此类仿真系统在大型化工生产中的应 用，所以本文以某大型高危化学品生产工艺为基础建立了一套基于c s 的三维视景仿真 系统，为该项技术在化工领域的进一步推广进行了有力的探索，具有一定的参考价值。 1 3 2 本课题研究对象 对于高危险性化学品的生产来说j 由于生产过程中难免有剧毒性的原料或成品附着 在化工设备上或是在空气中，即使采取传统的师傅带徒弟或是到现场传授操作方法的培 训方式也是及其危险的，因此仿真培训系统对于这类企业来说更具有迫切性，所以本课 题选取某高危化学品的生产工艺为研究对象，采用面向对象的方法建立了数学模型，实 现了工艺模型仿真系统，并同三维视景仿真系统一起构成了基于c s 的化工视景仿真系 统。 本系统要将生产装置现场进行三维建模，并对生产过程进行数学建模，使系统能够 将整个化工生产流程表现出来。生产流程总共分为四个岗位，按先后次序分别进行表现。 1 3 3 本课题的意义 本课题的意义是显而易见的，对于化工生产中经常从事剧毒产品的管理者、生产者、 研究者来说，其危害性是非常大的。如果有一套利用仿真技术建立的虚拟生产仿真系统， 9 中北大学学位论文 可以在没有任何危险和限制的情况下进行操作和研究，既可以使学员在不必到化工生产 车间的情况下对化工现场有最大程度的了解，还对化工流程有了直观的、较为准确的把 握，极大地节约了培训过程中的人力资源和资金成本，提高了工作效率。而且本系统本 身具有与实物的相似性、可重用性和可扩展性等特点也使得本课题的研究有了最重要的 立足点l 州。 1 3 4 本课题的研究内容 论文所介绍的化工仿真系统需要对生产车间的真实场景和生产装置进行三维展示， 并能够实现漫游、交互操作、化工现象模拟以及实时的信息查询等功能，工艺模型子系 统要实现化学原料从迸料到生产过程到成品的全过程的计算机仿真，要通过网络通讯作 为视景仿真子系统的后台数据支持，还要对操作者的操作进行评价，所以，本课题的研 究内容包括： 1 三维模型的建立 2 视景驱动及简单信息查询的实现 3 化工现象的模拟 4 工艺模型的建立( 包括数学模型的建立和计算机实现) 5 工艺流程的实现( 即对整个生产流程进行模拟) 6 人员培训功能的实现 7 工艺模型予系统与视景仿真子系统网络通讯的实现 8 操作监控功能的实现 1 4 本章小结 本章首先阐述了模型的概念，指出了模型和原型以及系统之间的关系，由此引出了 仿真和建模的概念，介绍了计算机建模与仿真的原理和仿真的一般过程并对仿真在国内 外的应用历史作了简要的回顾，接着对化工仿真的现状作了描述，并对它的作用作了简 要介绍，最后对论文的研究对象、内容及意义作了介绍。 l o 中北大学学位论文 化工仿真系统的总体设计 2 1 化工仿真系统的总体设计 2 1 1 化工仿真系统的设计思想 本系统采用面向对象的方法，采用分布式仿真的思想进行系统的研究与开发。面向 对象仿真( o o s ，o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o n ) 为人们研究现实世界提供了一种更为自然的 框架，它是当前仿真领域最新的研究方向之一。面向对象的观点把系统看作相互作用的 对象组成，它能够以使人易于理解的形式构造现实系统的仿真模型，并能使人在一个具 有实际含义的层次上观察模型的行为，有利于提高仿真软件设计的安全性和可靠性【1 5 l 【1 6 1 本系统分为两部分，即视景仿真子系统和工艺模型仿真子系统，两个子系统通过网 络通讯组成了化工仿真全系统。视景仿真子系统主要对化工生产装置和生产过程进行三 维动态显示，可以进行阀门和各种开关的动态操作，可以对设备的状态进行即时的数据 查询，另外还要实现与实物手柄连接，使之可以通过实物手柄进行操作；工艺模型仿真 子系统主要对视景仿真子系统的三维显示提供后台数据支持，对视景仿真子系统发过来 的数据进行工艺流程的分析计算并将结果返回给视景仿真子系统供其进行三维显示，另 外工艺模型仿真子系统还要实现操作评价和实时监控操作过程以及网络连接状态的功 能。 本系统的用例图如图2 1 。 图2 1 化工仿真系统用例图 1 1 中北大学学位论文 2 1 2 化工仿真系统的框架结构和功能 化工仿真系统的框架结构如图2 2 ： 视景仿真子系统 撮作渭息 状态满意 工艺横墅仿真予系统 图2 2 本系统的总体结构 可以看出，本系统主要包括两个部分，即视景仿真子系统和工艺模型仿真子系统， 采取c s 结构进行连接，其中，工艺模型仿真予系统是服务器端，负责接收视景仿真予 系统发送的操作信息，并根据工艺逻辑进行分析运算，然后将一些状态信息发送到视景 仿真予系统；而视景仿真子系统作为客户端，负责模拟操作过程并向工艺模型子系统发 送操作消息，然后接收状态消息来进行现象的表现。 视景仿真子系统主要用来建立较为逼真的化工生产装置的三维场景，最大程度的再 现生产车间的真实场景，并且要利用图形技术对生产过程中产生的诸如烟雾、液体流动 等现象进行模拟，为使用者提供宜接的可视化仿真过程和结果。 工艺模型仿真子系统主要负责工艺流程的分析计算，并将结果传送到视景仿真子系 统并且还可以进行操作培训和操作评分。 网络通讯主要承担着工艺模型仿真子系统和视景仿真子系统之间的数据交换功能， 采用的是基于t c p i p 协议的c s 模式。 图形显示系统有显示器、投影仪和投影屏幕组成，主要用来增强视景仿真系统的视 觉效果，让系统操作环境更具真实感。 2 1 3 化工仿真系统的软硬件配置 本化工仿真系统采用的是操作平台是w i n 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l s e r v e r 或w i n x p , 使用 u m l ( u n i t e dm o d e lk n g i l a g e ，统一建模语言) 对系统中的模型进行分析设计，选用的软 件是r a t i o n a lr o s e 。具体的各个子系统的软件配置后面将详细介绍。 中北大学学位论文 本仿真系统的硬件配置包括4 台p c 机和4 台投影仪以及l 台交换机组成，其中：1 台p c 机作为控制计算机，负责数据处理，3 台p c 机用于图形处理，1 台1 0 0 m 的交换 机( 3 c o m 系列) 用予数据传输，4 台高流明投影仪用于图形的输出。具体配置如图2 - 3 ： 图2 3 硬件配置 本文讨论的重点是工艺模型仿真系统的设计与实现以及和视景仿真系统闻网络通 讯模块的实现。本仿真系统是集化工工艺流程分析与工艺流程三维显示为一体的仿真应 用系统，这在国内的化工仿真领域还未见报道。 2 2 化工视景仿真子系统的总体设计及关键技术 2 2 - 1 化工视景仿真子系统总体设计 化工视景仿真子系统主要对化工生产进行逼真的三维模拟，能够进行阀门及开关操 作，与工艺模型仿真子系统进行网络通讯以交换数据，并对化工现象进行表现，图2 4 即为化工视景仿真子系统的功能结构图： 中北大学学位论文 图2 4 化工视景仿真子系统功能结构图 化工视景仿真予系统主要采取的三维建模工具是三维建模软件m u l f i g e nc r e a t o r v 2 5 和模型驱动软件o p e n g v ss d k4 3 以及驱动编制平台v i s u a lc 斗+ 6 0 ，并辅以 o p e n g l 和图像处理软件p h o t o s h o pc s 等。 工艺模型仿真予系统的开发主要采用面向对象语言j a v a 进行编程，采用的工具是 j b u i l d e r 9 。具体配置如图2 5 ： 图2 5 仿真系统软件配置 1 4 中北大学学位论文 2 2 2 化工视景仿真子系统的关键技术 1 三维建模技术 为了构建一个身临其境的虚拟环境，视景仿真系统必须能逼真的模拟虚拟环境中所有 对象在现实世界中的几何、物理、行为等诸多自然特性。因此，这就要求在虚拟环境的三 维建模过程中，对对象进行几何建模、物理建模和行为建模等。 1 1 几何建模 对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条件，它是用来描述对象内部固有几何 性质的抽象模型。一个对象由一个或多个基元构成，对象的几何模型所表示的内容包括： 对象中基元的轮廓、形状以及反映基本表面特点的属性( 如颜色) 。 基元间的连接性，即基元结构或对象的拓扑特性。连接性的描述可以使用矩阵、 树、网络等。 一 目前，几何建模技术发展比较成熟，国内外已经开发了很多三维建模工具供用户选择。 基于几何外形和纹理映射的几何建模方式是常用的开发手段。 物理建模 虚拟对象物理建模包括定义对象的质量、重量、惯性、光照、光滑或粗糙、硬度和弹 塑性等，这些特性与对象的几何特性和行为特性结合起来，可以更加真实的反映对象，形 成更逼真的虚拟模型。在物理建模方面，目前研究只涉及到虚拟实体的运动学和动力学特 性，本质上只涉及到物体的刚体和重力特性，如果要进一步提高逼真度，就必须考虑虚拟 实体的材料、摩擦力和弹塑性等物理特性。 3 1 行为建模 虚拟对象的行为建模体现了对象的自主性特性，也就是说对象的运动、活动、交化以 及与周围环境和其它动态实体之间的动态关系，逼真的、自然的表现。目首茸研究较多的是 物理运动行为以及一些规则类和简单的基于规则的推理型智能行为。要完全逼真的呈现实 体在场景中的运动方式及其几何特性，需要继续的研究，尤其是可以引入和借鉴人工智能 的研究成果。 中北大学学位论文 本化工仿真系统采用的三维建模软件是m u l t i g c ac r e a t o r ，其支持的铆蹦曲t 数据格 式是视景仿真领域场景数据格式的行业标准，它是个分层的数据结构，如图2 6 ： 图2 60 i 蚴t 数据格式示意图 由于现实世界中的物体有些是规则的，有些事不规则的，规则的物体可以有三位建 模软件的基本工具进行创建，而对于不规贝| j 物体则需要一定的技巧或借助于特殊工具实 现建模。 对于本系统而言，其建模工作量是比较大的，我们在实际进行建模时需要进行取舍， 但要注意取舍的适度，不能一概不用，也不能面面俱到。如果缺少了某些细节，会对场 景的可视性大打折扣，但如果面面俱到，则不但增加了建模的工作量，也造成了场景中 需要绘制的多变性太多进而影响系统的运行效果。 其他的一些建模技术还包括： 。 1 ) 纹理影射技术 纹理映射是把二维的图像位图上的像素值映射到三维实体模型的对应顶点上，以增 强实体模型的真实痦。它本质上是一个二维纹理平面到三维景物表面的个映射。从数 学的观点来看，映射可以用下式描述： ( u ，v ) = f ( x ，z ) 其中( u ，v ) 、( ，z ) 分别是纹理空间和物体空间中的点。 例如：将一纹理映射到一高为h ，半径为r 的圆柱面可用下面的参数形式表达： x = r c o s 0 ，y = r s i f i0 ，z = h 中 其中o = e = 2 耳，0 = 中 ，则需要调整p z 为：p z = ( p ：一p z 柳) 2 ； 中北大学学位论文 毫t l 程2 ) 誓3 麓( 4 图3 3 流体流动示例解算信息流图 ( 4 )如此反复进行，直到满足给定的精度要求e 为止。 3 2 2 传热设备 描述：传热设备由外层加热套和内层釜两部分构成， 内层釜内是被加热流体。 1 热媒向环境传热 热媒向环境传热速率由下式表示： q l 一口r s o p 。一t )j ，s 式中； 联合传热系数， m 讯 s 。釜保温层外表面积， 秆 1 ，、t 保温层外壁温度及环境温度，k 2 热媒向釜内传热 热媒向釜内传热速率由下式表示： q k o 以a t j s 式中： l ( o 总传热系数， & 传热面积， w m 2 k m 2 外层加热套内是热媒流体， 式( 3 2 4 ) 式( 3 - 2 5 ) 中北大学学位论文 ，庸两流体平均温度差， k 3 总传热系数k 以外表面积表示的总传燕系数k 。 i 1 一老+ 风鲁+ 妾老+ + 言 式中： d 。、d o 、d 分别为釜内径、外径及平均直径， m r i i 、r 。分别为釜内侧及外侧垢层热阻，胡( 加 口i 、分别为釜内及夹套内对流传热系数，影积 4 联合对流传热系数诉 吩= 9 4 + 0 0 5 2 ( t - - t ) 式中： 联合传热系数， w m 2 k t i 、t 保温层外壁温度及环境温度，k 5 ，气相热媒冷凝对流传热系数口， 若冷凝液为滞流旷，。( 管) 蟛 若冷凝液为湍流粼蚴妒。叫号筹) ” 式中： 缸_ 塞蒸汽温度与壁温之差，即血；t h ： 勺繁 r 冷凝潜热，k j k g p 冷凝液密度，k g w p 冷凝液粘度，m p a s 冷凝液导热系数，w i i ( h 冷凝器高度， m 式( 3 2 6 ) 式( 3 2 7 ) 式( 3 2 8 ) 式( 3 2 9 ) 中北大学学位论文 6 液相热媒( 相交履) 对流传热系数吒 若r e 2 1 0 0 ： 若r e 2 1 0 0 ： 吒- 1 8 6 乏 r c p r 如l p m f 口0 0 2 3 ；r c o j ! , p f 0 3 d e 式( 3 3 0 ) 式( 3 3 1 ) 翱o o 铘姗o o a 瓣f 1 一罟1 式c 3 3 2 ) 式中：d e 夹套当量直径，m 7 垢层热阻的估计 换热器运行一段时间后，在其内、外壁会沉附一层垢层，垢层的生成增加了传热的 阻力，导致传热速率的降低，而垢层的厚度随设备运行时间而增加、垢层的致密程度又 决定着其导热系数，这给设计带来一定的困难，考虑实际情况，取内、外壁垢层总热阻 为r s = o 0 0 0 5 0 m 2 k w 。 8 平均温度差的计算 由热媒进口温度t ( 饱和温度) 、出口温度t o u t 及釜内温度t 。可计算出流体平均 温度差。 热媒冷凝时乞矗0 - - - - t - - t ， 热媒冷却时气a 乞5 坚三掣 一靠 式中： t 热媒饱和温度，k t o u t 热媒出口温度，k t t 反应釜内温度，k 3 2 3 精馏设备 式( 3 3 3 ) 式( 3 3 4 ) 精馏塔是一种应用极为广泛的单元。板式塔中每一层理论板就是一个平衡级( 若汽 液两相在板上的接触时间长，接触比较充分，那么离开该板的汽液两相相互平衡，通常 称这种板为理论板) ，多元物系精馏系统的一种基本处理方法是把精馏塔视为由一系歹i 中北大学学位论文 理想的汽液平衡级构成。图3 4 就是一种普遍化的精馏塔原理示意图。 图3 4 精馏塔原理示意图 上图中所示精馏塔由0 ，1 ，2 ，n ，n + l ，共n + 2 个理想平衡级构成，其中，第 0 级为分凝器，第n + l 级为再沸器，见图中塔左侧所列序数。描述这种普遍化精馏塔的 数学模型方程包括： ( 1 ) 平衡级中组分物料平衡式，共c 车( n + 2 ) 个方程，c 为组分数，简称m 方程组。 第0 级 v l y 。一v 。y “i 一( s 。+ l o ) x o 。= o 式( 3 3 5 ) 第j 级f j 毛，一l j - ，k 。+ v 。一( l j + s j ) ( v j + 6 j ) y j , l = 0 式( 3 3 6 ) 第n + l 级 k k t k 。k 一( y 。+ g - ) = o 式( 3 3 7 ) ( 2 ) 平衡级中组分的相平衡式，共c ( n + 2 ) 个方程，简称e 方程组。 y l = k j ，l 木x ( 3 ) 平衡级气液两相中组分的分子分率加和式，共3 n + 4 个方程，简称s 方程组。 1 - 工，t 叩，主犯+ 1 ) 式( 3 3 8 ) 1 一艺y ，- 0 ( o s ，蔓，l +