1.4　化工生产中的虚拟仿真技术

1.4.1　化工虚拟仿真技术的应用背景

化工行业作为国民经济的支柱产业，其生产过程具有其行业自身特点，如下。

（1）化工产品和生产方法的多样化

首先，在化工生产中所用的原材料、半成品、成品种类繁多，且绝大部分是易燃、易爆、有毒或者具有腐蚀性的危险化学品。其次，在生产过程中，涉及的单元操作和单元反应门类众多。再次生产方法多样化，即使用同一种原料采用不同的生产方法，也会得到不同的产品。这就为专业技术人员和操作工人培训带来难度，特别是在化工专业学生的培养上，如何让学生能够更好地理解和掌握各化工单元操作和生产流程的特点，成为工程型化工人才培养的瓶颈。

（2）生产规模的大型化

从20世纪50年代开始，国际上化工生产采用大型生产装置成为一个明显的趋势。很多生产装置年产量都是十万吨甚至百万吨级，如乙烯生产装置百万吨/年的规模就比较常见。采用大型装置可以明显降低单位产品的建设投资和生产成本，有利于提高劳动生产率，但对生产企业的管理和操作人员就提出了更高的要求。

（3）工艺过程的连续化和自动控制

化工生产早已进入连续化和自动控制的生产方式，各生产环节之间的联系越来越紧密。这使得很多生产过程不可见。

（4）生产工艺条件苛刻

化工生产中，很多化学反应是在高温、高压、深冷、真空等环境下进行的。苛刻的生产工艺条件对工艺技术的先进性、设备的安全可靠性以及操作人员的技术水平、责任心都提出了更高的要求。

现代化工所具有的这些特点决定了化学工业是一个安全事故相对频繁发生的行业，这就对专业技术人员和操作工人的培养提出了很高的要求。

随着化工行业大型化和自动化的发展，化工岗位的操作范围扩大、操作难度增加。在实际生产操作中，哪怕是微小的失误也可能导致后果严重的生产事故。因此生产人员操作培训对化工企业的发展有着重要意义。传统化工操作培训可分为如下两大类。

（1）化工企业对员工的职前及在职培训

其培训方式大多采用短期理论学习加长期岗位见习来完成。这种培训的弊端主要表现在：

①培训周期长，操作单一，增加了企业的人力资源成本；

②操作人员对故障预警、故障处理及安全事故应急等少发状态缺乏认识，一旦发生事故就可能出现错误操作，带来严重后果。

（2）高等院校、职业院校中化工专业学生的实践操作培训

主要由实验、认知实习、专业实习等环节构成，由于实验设备、试剂安全性及工厂实习的限制，实践操作培训一直存在诸多问题，主要体现在以下几个方面：

①由于实验设备台套数、试剂等的限制，学生不可能反复操作实验装置，这不仅使得学生无法熟练掌握操作要求及要点，也不利于学生对这一化工过程中知识点的理解和掌握，使学生的学习活动流于浅表；

②为加强学生对实际工程的认识，在现行的教学大纲中都有认知实习、专业实习的实践教学环节，但由于时间、安全等问题的限制，学生无法获得实际操作的机会。对基础操作的不熟悉不仅阻碍了对学生专业知识的理解和掌握，也制约了学生的专业拓展和研究性学习。

基于以上原因，传统的化工操作培训在实际操作训练上存在严重学时不足的问题。近年来虚拟现实技术的发展，为解决化工操作培训提供了一种全新的途径。如果能用虚拟仿真技术完整地建立化工实验或工艺流程模型，就可以在计算机中完美地再现某一单元操作甚至一个化工工厂生产的全流程操作，让操作人员得到与实际操作完全一致的体验，从而大幅提高操作培训的效率和效果。

1.4.2　化工虚拟仿真技术的现状与发展

现代化工行业是深刻受到计算机技术和自动化技术影响的行业，在专业计算机软件中，最常用的计算机模拟软件可以划分为两部分：①工艺模拟和辅助设计类；②仿真模拟类。在工艺模拟和辅助设计方面，早已有ASPEN、AUTOCAD、CADWORX等知名软件，并且在行业内得到了普遍的使用。但在模拟仿真方面，国内实际起步比较晚，根据其发展大体可分为以下几个阶段。

（1）20世纪80年代到2000年，为化工仿真模拟技术的萌芽和推广阶段

1987年，北京化工大学的吴重光教授主持研发了我国第一个石油化工仿真培训系统，将仿真技术成功地引入到化工与石油化工行业，化工仿真模拟作为一种全新的教学手段开始出现在化工培训中。但这一阶段，可以使用的模拟软件很少，模拟还停留在简单的二维控制模拟上（见图1-5）。

（2）2000～2012年，为化工仿真模拟技术的积累和发展阶段

2000年前后，开始出现专业的化工仿真软件公司，该技术进入商业化。同时该技术也开始转向三维仿真系统，2007年吴重光教授带领团队研发成功了国内第一个现代化工仿真工厂。在这一阶段，该技术更多的是在部分科研院校中进行技术的积累，在应用端的推广比较缓慢。

（3）2012年之后，为化工仿真模拟技术的快速发展阶段

2012年，在《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）中明确提出“加快推进教育信息化进程，加强数字校园、数据中心、现代教学环境等信息化条件建设”，促进了高校在仿真模拟方面的研究工作。2014年教育部在高等院校中开始开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。目前天津大学、北京化工大学、青岛科技大学、西南大学、广西大学、桂林理工大学、湖南师范大学等都已经建立了自己的化工类虚拟仿真实验教学中心，这极大地带动了化工仿真模拟软件的开发和使用。化工虚拟仿真技术开始进入快速发展阶段。

1.4.3　化工虚拟仿真技术的作用及意义

现代化工企业生产规模不断扩大，自动化程度不断提高，且生产过程往往涉及易燃易爆高温高压等，这就要求从业人员具有宽厚专业理论基础和熟练的操作技能。为适应行业发展对专业人才提出的新要求，实践性是当前高等院校应用型化工类本科人才培养的显著特点。因此，培养良好的操作技能是化工企业培训和高等院校人才培养的重要组成部分。但在实际培训中往往面临重重困难：①化工反应常常涉及易燃易爆高温高压有毒化合物等，存在安全隐患；②设备装置庞大复杂，高成本、高能耗；③在生产和实验环节产生酸、碱、重金属等有害物质，污染环境；④化工企业生产环节复杂，危险性高，无法实际操作；⑤企业生产过程高度自动化，部分生产过程无法观察。正是由于这些原因，现代化工行业人才需求和培养间存在较大的矛盾。将虚拟现实技术引入化工操作培训，通过虚拟现实技术构建化工生产各流程的仿真模型，真实再现生产中开车、停车、正常运行及故障处理等环节的操作，并通过对进料、温度、流量、压力等的控制进行反馈，可以真实反映在真实生产中的相关变化，从而使操作者能够尽可能地获得与在实际生产操作中近乎相同的操作体验。这对培养现代化工企业需要的技术人才具有重要意义。具体体现在以下几个方面。

（1）经济安全，使重复操作成为可能

通过计算机系统模拟高温高压、爆炸性、辐射性及剧毒生产过程，有效地解决了安全环保等问题，并且可以反复重复，使操作者真正理解和熟练掌握该生产过程的操作技能。同时可以为操作者提供非规范操作的可能性，使其了解错误操作的后果，并在事故发生后进行故障处理操作。这对企业的安全生产有着重要的意义。

（2）覆盖面广，可再现化工生产中的各流程各工况操作

采用虚拟仿真技术，可以再现不同试验或生产环境模型，在同一模型中还可提供不同角色操作模式。这一模式使培训人员能够进行多流程多工种操作培训，拓宽学生专业操作覆盖面，同时也能根据培训需求灵活调整操作培训内容。

（3）开放性强

通过网络实现资源共享，使培训摆脱空间时间的限制。传统化工实验实训要求培训人员必须在指定时间在实训地点进行培训，使操作培训受到诸多限制。而通过仿真技术建立化工仿真系统可以方便地通过网络实现资源共享，从而建立开放性的教学资源、教学形式、教学对象系统。

（4）交互性强

能真实再现操作现场环境，并给予操作相关反馈，从而使操作者有身临其境的体验。浸入式互动实操教学增强了操作培训的生动性，提高了操作者的感性认识和学习积极性。

总之，虚拟仿真技术与化工技术的结合，很大程度上改变了化工专业培训模式，对化工行业的人才培养起到了重要的作用，在未来具有广阔的发展空间。