基于Unity3D的柴油催化加氢实验仿真培训系统设计_胡骏.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 9 期 2023 年 9 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.9 Sep.2023 收稿日期:2023-04-27 基金项目:国家重点研发计划项目（2021YFB3301101）；应急管理部消防救援局科技计划项目（2022XFCX14）；化工安全交叉学科研究中心项目（XK2023-07）作者简介:胡骏（1998），男，湖南常德，硕士研究生，主要研究方向为化工安全，。通信作者:陈东梁（1979），男，河南南阳，博士，副教授，主要研究方向为化工过程仿真及灾害抑制，。引文格式:胡骏，陈东梁，张东胜，等.基于 Unity3D 的柴油催化加氢实验仿真培训系统设计J.实验技术与管理,2023,40(9):166-171.Cite this article:HU J,CHEN D L,ZHANG D S,et al.Design of simulation training system for diesel catalytic hydrogenation experiment based on Unity3DJ.Experimental Technology and Management,2023,40(9):166-171.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.09.023 基于 Unity3D 的柴油催化加氢实验 仿真培训系统设计 胡 骏1，陈东梁1，张东胜1，吕庭玮1，吴飞阳1，王玉丰2（1.北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；2.常熟理工学院 材料工程学院，江苏 常熟 215500）摘 要：针对传统化工安全实践教学中培训内容枯燥、安全性差、学生参与度低等问题，同时结合近年来高校实验室安全事故经验教训，该文以柴油催化加氢小型实验装置为仿真对象，使用虚拟仿真技术和 Unity3D 引擎设计了虚拟孪生模型、仿真交互组件和工艺机理算法，开发了一套柴油催化加氢实验场景的仿真培训系统，实现了动态交互操作、实验模拟和风险辨识信息展示等功能。该系统为安全系统工程、工业流程仿真与数字化信息技术的融合提供支撑，并为实验培训人员提供了高保真度、强沉浸感、高安全性和可动态模拟的培训手段。关键词：催化加氢；Unity3D；虚拟仿真；实验安全培训 中图分类号：X937 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)09-0166-06 Design of simulation training system for diesel catalytic hydrogenation experiment based on Unity3D HU Jun1,CHEN Dongliang1,ZHANG Dongsheng1,LYU Tingwei1,WU Feiyang1,WANG Yufeng2(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.School of Materials Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)Abstract:Addressing the issues of dull training content,poor safety,low student participation in traditional chemical safety practice teaching,and the frequent occurrence of safety accidents in university laboratories in recent years,taking the small experimental device of diesel catalytic hydrogenation as the simulation object,a virtual simulation training system is developed from the experimental scenes of the whole process of catalytic hydrogenation by using virtual simulation technology and Unity3D engine,which realizes dynamic interactive operation,experiment simulation,risk identification information display and other functions,providing support for the integration of safety system engineering,industrial process simulation and digital information technology,and providing training means with high fidelity,strong immersive,safe and efficient,dynamic simulation for experimental training personnel.Key words:catalytic hydrogenation;Unity3D;virtual simulation;experimental safety training 石油炼制工业是国民经济的重要产业之一。在石化行业生产过程中存在易燃易爆、高温高压、有毒有害介质和危险复杂的工艺设备，要确保化工生产的安全，需从人员、设备、介质、工艺和管理等方面统筹考虑，任一环节存在失误或者短板都可能引发多米诺连锁反应，从而导致系统性安全风险。文献1结合中国化工安全事故调查分析得出，人为因素造成的事故占比超 70%。因此，安全培训是提高作业人员的技术 胡 骏，等：基于 Unity3D 的柴油催化加氢实验仿真培训系统设计 167 素质和安全生产意识的重要前置手段。随着中国高等院校科研实力的迅速发展，以及实验室仪器设备的规模和先进化水平不断提高，教学科研活动也逐渐增多，科研实验中的危险化学品成为校园安全的重要隐患之一。近年来，国内外高校实验室安全事故时有发生2-3，引起了社会各界的关注，高校学生在化工生产工艺和实验室安全方面的实践教育亟待加强。由于化工设备和工艺的高危性、实验场地有限、反应过程的不可见性4-6，限制了高校安全实践教学过程，导致学生无法直接自主操作实验，实验培训难以达到预期效果。随着信息技术的高速发展，数字化工厂和数字孪生应用逐渐兴起，虚拟仿真系统广泛应用于各领域。如文献7将数字孪生虚拟技术应用于石化生产运输过程，提出创建全数字机器人工厂的设想及其试点项目，以提高企业效率并消除潜在问题和环境污染的风险；文献8使用虚拟现实技术开发了一套虚拟消防与安全教育系统，实时传入用户的生理信号参数，增强消防训练的沉浸式体验；文献9针对罐区作业开发了一套虚拟作业仿真系统，在引入事故场景触发条件的同时，提高了系统的适用性和可操作性。本文以柴油催化加氢实验为基础，结合“工业互联网+安全生产”的设计思想10，将安全系统工程、工业流程仿真和数字化信息技术有机融合，为高校实践教学提供解决方案。过程仿真培训系统（operation training system，OTS）11-12在真实环境的基础上通过信息空间实现相关物理模型和工艺的虚拟映射。本文利用 Unity 3D 引擎并结合可视化技术，根据催化加氢反应机理搭建仿真实验环境、实验对象和实验内容，使学生用户在多感知、开放的虚拟环境中进行自主全流程的实验操作。系统既确保了受训人员实验安全，又深化了其对化工原理和实验工艺操作等知识技能的理解与掌握，同时还能增强用户对实验系统全生命周期的安全管理认识，从而有效提升实践水平。1 系统概述 1.1 系统总体结构 本文以柴油催化加氢小型实验装置实物为仿真参考平台，采用 4 层 C/S 系统结构进行设计和开发。图 1展示了仿真平台的系统结构，具体说明如下。物理层由催化加氢小型实验装置、仪器和环境等客观物理实体（人、机、料、环、法、仪）构成，用于反映系统仿真对象的现实基体。数据层主要分为用户数据库、孪生数据库和工艺信息库 3 类，包含物理层实体的几何模型、物理参数、运行工况、设备行为、工艺信息、专家知识和用户操作等多源异构数据，用于映射物理实体、驱动仿真孪生体和服务系统表现层融合衍生的数据结构。仿真层是基于物理实体的孪生数据在信息空间中的虚拟刻画13，根据实体集合的要素、行为和规则进行多尺度动态映射，创建设备虚拟孪生体。通过仿真系统，用户可以进行场景漫游和角色控制等辅助功能操作，实现实验工艺流程仿真的核心功能，并为仿真流程监控、步骤报警提示和实验评价提供支撑。应用层是面向用户的仿真功能外在应用层面，包括对仿真系统各类功能和信息的封装，在系统场景中可实现可视化实验、安全培训等自主人机交互，并为用户提供 PC 终端操作界面。图 1 系统结构 1.2 工艺简述 柴油催化加氢仿真对象装置的模块包括气体进料计量控制单元、原油进料计量控制单元、加氢反应单元、气液分离单元和产品收集单元等。在装置开车过程中，原料油从原料计量罐经进料柱塞泵控制进料，并与氢气预混后进入反应器。装置的气体进料分为两个路径：一个路径是氢气和原料油进入反应器进行催化加氢反应，反应产物通过气液分离系统分离，其中气相组分经过减压、水洗、计量后排放，液相组分经高压分离器分离后收集至低分罐；另一个路径用于高纯高压氮气吹扫反应装置，以及对原料油储罐进行氮气密封。柴油催化加氢实验装置实物如图 2 所示。2 仿真系统设计 2.1 虚拟仿真模型搭建 在柴油催化加氢实验仿真培训系统中，构建三维虚拟实验装置和交互动画是保证系统具有沉浸感和高保真度的可视化交互功能的重要开发环节14，也是实现168 实 验 技 术 与 管 理 物理实体在信息空间虚实互联的表达载体，满足动态多维、多时空尺度模型的需求。本文选取 Blender 和3ds Max 软件构建实验装置的虚拟模型。图 2 柴油催化加氢实验装置实物图 系统使用单元节点化建模方法。首先，根据催化加氢实验流程对整个实验设备装置进行单元划分，包括外围框架、气路单元、原油进料单元、反应单元、油气液分离单元、仪表器械单元、公用工程单元等。然后，基于前期收集的装置图纸资料，并参照实体构件的样式、尺寸和结构等真实参数对催化加氢实验主体装置进行整体描绘。针对具体实验设备、管线、仪器等装置进行模型元素解构；使用倒角、挤出、阵列、环切、拆分等建模技术组建细分的模型元素；根据物理实体结构，添加布尔差值、表面细分、螺旋、实体化等修改器；设置各权重比例建立父级关系，构成组件单元，并为组件添加纹理和材质球，设置材质节点，确保分层次、多流程、高保真地建模渲染实验主要设备装置。主要实验装置模型图如图 3所示：图 3(a)为 V-1101 原料计量罐，包括氮封油 图 3 主要实验装置模型 路压力表、原油储存罐以及计量电子秤；图 3(b)为V-1301 高压分离罐，用于反应产物气、液分离；图 3(c)、图 3(d)为空气过滤压力计及差压式液位计，用于计量压力、液位等实验工艺参数。实验装置总体线框图如图 4 所示。图 4 实验装置总体线框图 2.2 设备功能仿真 设备功能仿真和工况模拟是根据设备的物理属性和功能特性建立实验装置的工艺模型。可使设备的虚拟几何模型具备其相应的行为和操作规则，并具备给定的物理参数，从而在虚拟空间中实现模拟实验工况流程仿真。2.2.1 设备物理仿真 本系统使用模型、视图、控制器开发框架，针对实验设备单元创建物理属性。首先，在初步建模的模型上进行重拓扑和删除破面等点面优化操作；然后，在 Unity3D 引擎中将模型组建为程序对象，并挂载带有物理设备质量、阻力和运动约束参数的组件脚本；最后，为碰撞检测对象添加碰撞包围体组件，使其满足设备物料之间的相对运动关系，并满足操作人员实验过程中的可视化交互需求。图 5 展示了球阀碰撞包围体网格。图 5 球阀碰撞包围体网格 胡 骏，等：基于 Unity3D 的柴油催化加氢实验仿真培训系统设计 169 2.2.2 单元数学仿真 设备运行的行为规则由其工艺特性决定。在满足物理基本属性的前提下，根据设备单元间的运行逻辑和实验反应机理，编写相应作业脚本，并在 Unity3D 中使用 MonoBehavior 基类进行封装绑定。这实质上是模拟实验中参与反应过程的物料与设备的工艺参数关系。以实验装置的重要组件加氢反应器为例，本系统采用固定床一次通过式的催化加氢反应器，原料柴油通过柱塞泵与氢气混合后进入反应器，并自上而下依次通过 3 段反应床层进行催化加氢反应。由于加氢柴油中的反应物组分复杂，柴油催化加氢工艺会涉及多种反应且反应网络较复杂15。鉴于实际建模仿真的需求和动态模拟计算量的限制，使用机理建模法进行建模，在柴油催化加氢过程中仅考虑主要的加氢脱硫反应，结合时间和空间的函数关系，简化反应物的温度和浓度等参数，对各床层进行分段建模并将其串联起来。在此基础上，提出进一步的假设：反应器内各段达到稳态，其物料完全混合且温度恒定；仅在反应器入口处发生汽化，汽液两相在各段达到平衡；反应器内各段不发生返混；管式固定床反应器可近似看作平推流反应器，忽略质点内扩散影响；反应催化剂已被原料完全润湿且不存在催化剂失活。根据以上分析和假设，建立反应单元的数学机理模型，各段函数方程如下所示。1）反应速率方程。按照假设及相关研究16将反应视为拟一级不可逆反应处理，其反应速率方程为 r0expiiErkCRT=-|（1）式中，ir为组分 i 反应速率；0k为指前因子；rE为反应活化能；R为理想气体常数；T 为反应温度；iC为组分 i 质量分数。2）物料衡算方程。ininoutoutddiiiiCVF CFCVGt=-+（2）式中，为反应物料平均密度；V为各段床层体积；inF、outF分别为进料和出料质量流量；iniC、outiC分别为进料和出料中组分 i 浓度；iG为组分 i 源反应量。3）能量衡算方程。in in out out rfddccpciiTm cFHFHQQt=-+（3）式中，cm为各段催化剂质量；pcc为催化剂比热容；cT为催化剂床层温度；inF、outF分别为进料、出料质量流量；iniH、outiH分别为进料、出料中组分 i 的焓；rQ为反应热；fQ为反应器器壁传入热量。反应器器壁传入的热量在反应加热炉与反应器催化剂床层间传递，其反应器器壁温度wT可由热衡算方程得出：ww pwinacddTm cQQQt=-（4）式中，wm为反应器器壁重量；pwc为器壁比热容；inQ为反应加热炉传入热；aQ为器壁热损失；cQ为器壁向催化剂床层传出热量。根据上述公式并结合物料物性数据建立反应单元的微分方程，使用 GetComponent()泛型方法，绑定进料和出料管路和加热炉单元组件，获取实时工艺参数，包括反应物料和条件等。定义反应守恒方程的各参数变量，根据欧拉法将其离散化，并串联各段反应得到反应器的数学模型组件。通过该组件实现反应过程的模拟，用户可在反应器的分布式控制系统（distributed control system，DCS）界面查看装置的运行状况，有助于受训人员了解柴油催化加氢反应器的参数变化特性。设置反应床层的温控点位置和温度报警值，当温度超过限制时，会向用户发出报警，这为仿真实验的实现提供了良好基础。2.3 实验流程仿真 本系统的实验流程仿真是用户在系统仿真实验培训中的交互主体和核心需求。用户在虚拟环境模拟操作实验流程时，需要与虚拟孪生设备进行交互，包括操作各式阀门等，通过改变功能组件的参数控制设备的功能状态。同时，用户可以通过仿 DCS 界面实时观察当前运行工况，并按照实验任务和操作规程进行一系列实验仿真交互，从而实现实验流程仿真模拟。引入流程控制逻辑对实验装置开车操作过程进行仿真，以装置开车流程为例，流程逻辑如下：用户了解并学习实验信息，进入实验系统后根据实验步骤和工艺说明对虚拟模型进行交互操作；结合仿 DCS界面对气路开启、气密检测和加热炉开启等流程进行仿真；在装填反应催化剂的过程中，用户根据实验工艺的设定点击石英砂、石英棉小球和催化剂按钮组件，并输入各反应器器芯热电偶位置高度，向面板发送事件通知，反应器根据流程逻辑的判断改变装填状态，实现催化剂装填的可视化；用户根据操作流程逻辑进行反应流程的操作，并通过设备运行状态的变化记录操作过程。其中，用户可以点击“步骤提示”按钮，系统会根据上一次的操作判断当前进度，并基于流程信息和操作流程脚本为用户展示当前实验安全操作的关键步骤信息，同时用户也可点击被标红的未完成项获得提示，查看当前工艺流程操作的注意事项。170 实 验 技 术 与 管 理 3 系统实现 在PC终端平台登录柴油催化加氢实验仿真系统，利用 UGUI 面板组件搭建用户仿真操作界面，并通过观察者摄像头挂载控制脚本，用户操纵鼠标和键盘可实现视角转换，并在虚拟实验室中自由移动，实现场景漫游。图 6(a)和 6(b)展示了柴油催化加氢实验的开始操作界面和危化品安全说明书（material safety data sheet，MSDS）查询界面。用户可点击实验原理、实验任务和安全教育等按钮组件了解并学习本实验的危化品 MSDS、反应原理和系统安全理论。结合本实验系 统 的 工 艺 危 害 分 析 以 及 危 险 与 可 操 作 性 分 析（hazard analysis and operability analysis，HAZOP）安全评价，设置风险标识 UI 和射线检测。作为提高受训用户安全实践水平的重要前置手段，用户在进行实验操作之前可全景观察，系统可向用户展示风险辨识信息，如图 6(c)所示。图 6 系统功能界面 用户在实验操作过程中可通过指向设备操作界面设置设备运行工况的参数。在流程监控 DCS 模拟界面（图 7(a)）中，用户可以查看当前的设备总体工况和实验动态流程，并对反应温度等参数进行控制（图7(b)）。结合实验装置的 HAZOP 分析，当实验操作和工况参数发生变化时会触发报警和提示（见图 7(c)），用户可根据故障分析结合应急预案进行应急处置。图 7 实验操作界面 4 结语 本系统结合 Unity3D 仿真技术，搭建柴油催化加氢实验虚拟仿真场景，建立高保真实验环境并实现用户沉浸漫游体验。基于工艺机理设计流程的仿真模型，通过逻辑算法模拟实验流程和设备工况，实现了虚拟数据体与物理实体在外观和功能上的动态映射。在仿真交互操作中，丰富了数据、操作和功能等仿真交互操作，完善了实验流程模拟和监测，提升了用户一致性操作效果。胡 骏，等：基于 Unity3D 的柴油催化加氢实验仿真培训系统设计 171 根据实验装置和工艺的安全性评价，实现以安全为导向的操作优化培训功能。在安全操作环境下为受训用户提供仿真强度高、交互性好和可复用的实验培训方式。通过这种方式，受训用户可以识别和分析催化加氢过程中的危险源，深化了解催化加氢反应系统，并增强安全实践水平。参考文献(References)1 徐德宇，王天瑜，梁跃强，等.基于 HFACS 的化工企业火灾爆炸事故人因分析J.中国安全生产科学技术，2020,16(11):6670.XU D Y,WANG T Y,LIANG Y Q,et al.Analysis on human factors of fire and explosion accidents in chemical enterprises based on HFACSJ.Journal of Safety Science and Technology,2020,16(11):6670.(in Chinese)2 XIANG X H.Cases and causes study of safety accidents in university laboratoryC/Hong Kong Education Society.Proceedings of 2014 3rd International Conference on Physical Education and Society Management(ICPESM 2014 V24).Singapore:Singapore Management and Sports Science Institute,2014:6.3 阳富强，邱东阳.基于相似安全系统学的高校实验室爆炸事故分析及防控J.安全与环境工程，2020,27(2):9297,103.YANG F Q,QIU D Y.Analysis and control of explosion accidents in college and university laboratory based on similar systematics principleJ.Safety and Environmental Engineering,2020,27(2):9297,103.(in Chinese)4 李国友，闫春玮，孟岩，等.沉浸式 3D 催化裂化培训系统的设计与实现J.计算机与应用化学，2019,36(2):153161.LI G Y,YAN C W,MENG Y,et al.The design and implementation of immersion 3D catalytic cracking training systemJ.Computers and Applied Chemistry,2019,36(2):153161.(in Chinese)5 王贵才，杨九民，蒋玲，等.多媒体教学系统虚拟仿真实验平台设计与实现J.实验室研究与探索，2022,41(4):223 226,23.WANG G C,YANG J M,JIANG L,et al.Design and implementation of virtual simulation experiment platform for multimedia teaching systemJ.Research and Exploration in Laboratory,2022,41(4):223226,23.(in Chinese)6 彭敬东，龚成斌，马学兵，等.虚拟仿真实验在化学教学中的作用：以西南大学化学化工虚拟仿真实验教学中心为例J.西南师范大学学报（自然科学版），2017,42(7):193196.PENG J D,GONG C B,MA X B,et al.On function of virtual simulation experiment in chemistry teaching:A case study of virtual simulation experiment teaching center of chemistry and chemical engineering in Southwest University J.Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition),2017,42(7):193196.(in Chinese)7 ROZHOK A P,ZYKOVA K I,SUSCHEV S P,et al.The use of digital twin in the industrial sectorJ.IOP Conference Series:Earth and Environmental Science,2021,815(1):12032.8 吴可玉，庄建军，徐琳玲.基于 Unity 3D 的虚拟消防与安全教育系统J.实验技术与管理，2020,37(12):237240.WU K Y,ZHUANG J J,XU L L.Virtual fire protection and safety education system based on Unity 3DJ.Experimental Technology and Management,2020,37(12):237240.(in Chinese)9 董博恺.典型危险化学品罐区虚拟仿真实训系统设计D.北京：北京化工大学，2021.DONG B K.Design of virtual simulation training system for typical hazardous chemical tank fieldD.Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2021.(in Chinese)10 工信部和应急管理部印发“工业互联网+安全生产”行动计划（20212023 年）J.中国安全生产科学技术，2020,16(10):58.The Ministry of Industry and Information Technology and the Ministry of Emergency Management issued the Industrial Internet+Safe Production Action Plan(2021-2023)J.Journal of Safety Science and Technology,2020,16(10):58.(in Chinese)11 卢浩.危险化学品仓储运营过程虚拟仿真培训系统D.北京：北京化工大学，2022.LU H.Virtual simulation training system for hazardous chemical storage operation processD.Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2022.(in Chinese)12 常明亮，李俊，陈传胜，等.输气管道操作员仿真培训系统的研究与开发J.西安石油大学学报（自然科学版），2020,35(2):104112.CHANG M L,LI J,CHEN C S,et al.Research and development of simulation training system for gas pipeline operatorsJ.Journal of Xian Shiyou University(Natural Science Edition),2020,35(2):104112.(in Chinese)13 徐召，胡宁，李昂，等.虚拟现实技术在大型仪器用户培训中的应用J.实验技术与管理，2018,35(10):106108.XU Z,HU N,LI A,et al.Application of virtual reality technology in large-scale instrument users trainingJ.Experimental Technology and Management,2018,35(10):106108.(in Chinese)14 余越凡，周晓云.基于 VR 技术的太空授课虚拟仿真实验系统开发J.实验室研究与探索，2022,41(8):123127.YU Y F,ZHOU X Y.Development of space teaching virtual simulation experiment system based on VR technologyJ.Research and Exploration in Laboratory,2022,41(8):123127.(in Chinese)15 仲从伟，刘纪昌，王睿通，等.基于结构导向集总的柴油加氢精制分子水平反应动力学模型：模型的建立与验证J.石油化工，2019,48(7):653660.ZHONG C W,LIU J C,WANG R T,et al.Molecular level reaction kinetic model of diesel hydrofining based on structure-oriented lumping:Establishment and verification of the modelJ.Petrochemical Technology,2019,48(7):653660.(in Chinese)16 杨金良，李华，曾志煜，等.催化柴油管式液相加氢反应动力学模型J.化学反应工程与工艺，2015,31(2):170176,182.YANG J L,LI H,ZENG Z Y,et al.Kinetic model of FCC diesel liquid phase hydrogenation in pipe reactorJ.Chemical Reaction Engineering and Technology,2015,31(2):170176,182.(in Chinese)（编辑：孙浩）