化工厂里虚拟训练助力工业的安全生产

现代化工厂的内部结构往往极其复杂。一旦操作不当，不仅会带来高昂的经济损失，还可能引发严重的安全事故。一项对过去30年烃类加工行业170起最大财产损失事故的行业研究显示，有28%的事故是由于操作失误或工艺波动引起的。值得注意的是， 170起事故中有127起发生在正常运营期间。

没有现成工厂供新手试错的情况下，如何让操作员在面对突发状况时做到游刃有余？答案就是动态操作员培训模拟器（DOTS）。好比飞行员在真正驾驶客机前，需要在飞行模拟器中进行大量训练一样，DOTS能够为化工厂的操作员提供一个高度逼真且绝对安全的虚拟演练场。

DOTS结合了工厂设计数据的计算机模拟系统。能够完全复刻真实工厂的控制室环境和操作界面。在这个虚拟环境中，学员可以使用与真实集散控制系统（DCS）相同的键盘，监控相同的图形界面，并执行相同的任务。指导教师可以在后台人为制造各种“麻烦”，比如设备故障、断电或停汽等紧急情况，让学员在安全环境下体验这些在现实难以遇到的罕见危机。

要让模拟器显得真实，核心在于背后的“数学模型”。为了确保模拟器能应对正常情况，能处理开机、停机甚至设备爆炸等极端情况，研究人员采用了以下几种关键技术：

• 全范围建模（Global Range Modelling）：如图3所示，研究人员开发了针对启动、停机、正常和异常操作的独立模型，并通过特定的关键变量将它们整合在一起，实现了不同模式之间的平滑切换

• 人工神经网络（ANN）辅助预测：在正常的运行模拟中，为了让计算机算得又快又准，研究人员引入了人工神经网络来快速预测系统的稳定状态，结合动态补偿算法，在占用极少计算资源的情况下实现了高度逼真的模拟。

• 设备故障与逻辑程序建模：模拟器中加入了专门的“状态变量”来控制故障的发生与修复，同时还能追踪操作员是否按照规定的逻辑步骤执行了任务。如果操作员偏离了标准程序，系统甚至可以在评估时直接给出零分。

  
  

为了验证这套系统的威力，研究人员将其应用到了一个真实的化工场景中：MTBE（甲基叔丁基醚）的反应与蒸馏工艺。MTBE是一种常用的汽油辛烷值改进剂，主要由异丁烯和甲醇发生放热反应生成。如图5所示，这个工艺流程包含了一个催化反应器（R201）和一个催化反应精馏塔（C201），以及各种热交换器和泵。通过在这套专门定制的DOTS系统中进行演练，操作员们获得了极其宝贵的实战经验：

1. 寻找最完美的“启动温度”

在反应器启动阶段，控制甲醇和异丁烯混合物的初始温度至关重要。工艺要求进料温度必须低于40°C。操作员在模拟器中测试了40°C、35°C和30°C三种不同的温度。

• 测试结果： 当进料温度设定为40°C时，反应器在35分钟内就达到了稳定状态，且MTBE的产出浓度达到了80 mole%。相比之下，如果将温度降至30°C，达到稳定的时间不仅延长到了50分钟，产出浓度也会下降到78 mole%。

• 结论： 模拟器清晰地证明，在安全限制内应尽量将进料温度保持在接近40°C的水平。

2. 精馏塔的“加热策略”

开机时如何控制精馏塔底部的再沸器和顶部的回流，直接决定了工厂进入生产状态的速度。操作员在模拟器中对比了两种策略：

• 策略一（最大蒸汽供应）： 直接全开蒸汽阀门，当顶部积液达到设定值时引入回流。结果显示，系统温度迅速达标，且受回流的干扰很小。

• 策略二（受限蒸汽供应）： 以较低的固定蒸汽速率加热，引入回流时温度急剧下降，即便后续增加蒸汽，也耗费了大量时间才达到目标温度。

• 结论： 操作员通过直观的图表了解到，调整蒸汽的流速可以有效控制温度上升的速度，从而优化启动周期。

3.掌握复杂的控制术

在这个工艺中，反应器的温度是通过压力来控制的，但反应器本身并没有直接调节压力的装置。操作员必须通过调节精馏塔顶部的压力间接控制反应器的压力。通过模拟器的动态演示，操作员清晰地看到了精馏塔压力变化是如何实时传导至反应器，最终影响反应器温度分布的。

学者介绍：杨双华，欧洲科学与艺术院院士，国家特聘专家，英国工程与技术学会（IET）会士，英国测量与控制学会（InstMC）会士，IEEE高级会员，现任广州南方学院副校长、工学院院长。长期从事工业互联网安全与工业人工智能等领域的研究。

DOI：10.1205/095758201753373096