CC BY
17
Екатерина Анатольевна Шулаева Ekaterina Л. Shulaeva
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные технологические и информационные системы» Института химических технологий и инжиниринга, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Стерлитамак, Россия
Владимир Борисович Павлов Vladimir B. Pavlov
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Оборудование нефтехимических заводов» Института химических технологий и инжиниринга, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Стерлитамак, Россия
УДК 004.94 DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-1-168-174
РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ПРИМЕРЕ УЗЛА РАЗДЕЛЕНИЯ ПЕНТАН-ГЕКСАНОВОЙ ФРАКЦИИ
Актуальность
Развитие образовательного процесса в учебных заведениях и на предприятиях требует соответствующего совершенствования компьютерных систем обучения. Для подготовки высокопрофессиональных кадров требуется разработка высокотехнологичных компьютерных тренажеров, использующих современные технологии виртуальной реальности. AR и VR - направление, популярность которого растет из года в год. На сегодняшний день практически каждая компания заинтересована в приложениях с использованием данных технологий. От Oculus до MSQRD, от простых приложений, проецирующих различные игрушки в комнате, до прикладных приложений вида от IKEA и прочее. Вариантов применения огромное множество. Но также есть не самая популярная по сравнению с ними, но на самом деле полезная область - обучение человека новым навыкам и упрощение его ежедневной работы. Тут в пример можно привести тренажеры для медиков, пилотов и даже правоохранительных органов. Предприятия химии и нефтехимии внедряют эти технологии в рамках цифровизации производства. Основной потребитель - непосредственный сотрудник производства в перчатках и каске, который находится на предприятии, на объектах повышенной опасности. Всё более популярными становятся понятие «Индустрия 4.0», четвертая промышленная революция - объединение промышленности и цифровых технологий, приводящее к созданию цифровых производств или умных заводов и фабрик. В Европе этим понятием принято считать все, что связано с цифровыми технологиями на предприятии в общем смысле. В России 4.0 - это цифровые продукты, которые так или иначе связаны с аппаратными средствами. В первую очередь, конечно же, это индустриальный интернет вещей, IIoT, плюс направление, связанное с видеоаналитикой, а еще направление под названием XR (AR + VR). Главная задача IIoT - повысить уровень автоматизации на производстве, снизить влияние человеческого фактора на процесс управления некритичными технологическими процессами, снизить затраты на эксплуатацию установок. Виртуальная реальность представляет собой модель окружающего мира, искусственно созданного с помощью технических средств и пред-
ставленного в цифровой форме. Создаваемые эффекты проецируются на сознание человека и позволяют испытывать ощущения, максимально приближенные к реальным. Существующие на сегодняшний день аналоги, разработанные крупными проектными институтами и компаниями, имеют ограниченный доступ и высокую стоимость. Разрабатываемое в рамках данного проекта виртуальное нефтехимическое производство должно представлять собой программный продукт, содержащий участок производства, максимально приближенного к реальному: технологическое оборудование - колонны, теплообменники, резервуары, машины и аппараты - насосы, компрессоры, трубопроводы, регулирующие клапаны, арматура, датчики и исполнительные механизмы. Пользователь, надев очки виртуальной реальности и взяв в руки контроллеры, получит возможность совершить тур по разработанному участку производства. Визуальный ряд должен практически полностью соответствовать реальности, однако некоторые детали, не оказывающие влияния на процесс обучения, могут упрощаться, чтобы не тратить много времени на их воспроизведение. Применение звуковых эффектов, имитирующих реальные звуки данного производства, дополнят эффект погружения в среду виртуальной реальности.
Цель исследования
Перенос производственного процесса узла разделения пентан-гексановой фракции в среду виртуальной реальности.
Методы исследования
Для создания 3D моделей необходимого технологического оборудования, машин, аппаратов и т.п. применялась программа Autodesk 3ds Max 2015. Для сбора созданных моделей в единую сцену, а также написания кода взаимодействия со средой виртуальной реальности использовался Unreal Engine 4.
Результаты
В данной статье рассмотрено создание модели производственного процесса узла разделения пентан-гексановой фракции в среде виртуальной реальности с целью наблюдения за ходом технологического процесса и его управления посредством объектов данного производства.
Ключевые слова: моделирование, виртуальное производство, технологическое оборудование, управление техпроцессом, виртуальная реальность, нефтехимическое производство, компьютерный тренажер
DEVELOPMENT OF VIRTUAL PRODUCTION ON THE EXAMPLE OF A PENTANE-HEXANE FRACTION SEPARATION UNIT
Relevance
The development of the educational process in educational institutions and enterprises requires appropriate improvement of computer training systems. For the training of highly professional personnel, the development of high-tech computer simulators using modern virtual reality technologies is required. AR and VR are a direction which popularity is growing from year to year. Today, almost every company is interested in applications using these technologies. From Oculus to MSQRD, from simple apps that project various toys in the room to IKEA view apps and more and so on. There are a huge variety of application options. But there is also not the most popular in comparison with them, but in fact a useful area - teaching a person new skills and simplifying his daily work. Here, as an example, we can cite simulators for doctors, pilots and even law enforcement agencies. Chemical and petrochemical enterprises are implementing these technologies as part of the digitalization of production. The main consumer is a direct employee of the production in gloves and a helmet, who is at the enterprise, at high-risk objects. The concept of «Industry 4.0» is becoming increasingly popular, the fourth industrial revolution is the unification of industry and digital technologies, leading to the creation of digital production facilities or smart factories and factories. In Europe, this concept is
Data processíng facílítíes and systems
considered to be everything related to digital technologies in the enterprise in a general sense. In Russia, 4.0 is digital products that are somehow connected with hardware. First of all, of course, this is the industrial Internet of Things (IIoT), plus a direction related to video analytics, and also a direction called XR (AR + VR). The main task of IIoT is to increase the level of automation in production, reduce the influence of the human factor on the process of managing non-critical technological processes, and reduce the cost of equipment operation. Virtual reality is a model of the surrounding world, artificially created with the help of technical means and presented in digital form. The created effects are projected onto the human consciousness and allow you to experience sensations that are as close to real as possible. The analogues that exist today, developed by large design institutes and companies, have limited access and high cost. The virtual petrochemical production developed within the framework of this project should be a software product containing a production site as close as possible to the real one: technological equipment - columns, heat exchangers, tanks, facilities - pumps, compressors, pipelines, control valves, valves, sensors and actuators. The user, wearing virtual reality glasses and picking up controllers, will have the opportunity to take a tour of the developed production site. The visual series should almost completely correspond to reality, but some details that do not affect the learning process can be simplified so as not to spend a lot of time reproducing them. The use of sound effects that simulate the real sounds of this production will complement the effect of immersion in a virtual reality environment.
Aim of research
Transfer of the production process of the pentane-hexane fraction separation unit to a virtual reality environment.
Methods
To create 3d models of the necessary technological equipment, machines, devices, etc., the Autodesk 3ds Max 2015 program was used. Unreal Engine 4 was used to collect the created models into a single scene, as well as to write code for interacting with the virtual reality environment.
Results
This article discusses the creation of a model of the production process of the pentane-hexane fraction separation unit in a virtual reality environment in order to monitor the progress of the technological process and control it through the objects of this production.
Keywords: modeling, virtual production, technological equipment, process control, virtual reality, petrochemical production, computer simulator
Развитие образовательного процесса в учебных заведениях и на предприятиях требует соответствующего совершенствования компьютерных систем обучения. Для подготовки высокопрофессиональных кадров требуется разработка высокотехнологичных компьютерных тренажеров, использующих современные технологии виртуальной реальности [1-5].
Для создания трехмерных моделей существует множество различных программ, различающихся функциональной мощностью, моделью распространения, удобством и прочими аспектами. Среди всего многообразия программ удачными для использования можно выделить следующие: Blender 3D, Autodesk Maya,
170-
Electrical and
Cinema 4D, Sketch Up... Среди всех рассмотренных вариантов за счет обширности уже готовых решений, технологичности и наличия бесплатной обучающей версии был выбран Autodesk 3ds Max [6] как самый оптимальный инструмент для создания трехмерных моделей. Далее все модели необходимо объединить в единую сцену, написать код взаимодействия пользователя с программой и скомпилировать проект для возможности дальнейшего использования. Поэтому выбранная среда разработки должна обладать необходимым под наши задачи функционалом и иметь широкую библиотеку обучающих материалов и прочих ресурсов для более быстрого вхождения в пользование
(Godot Engine, Unity, Amazon Lumberyard, CRYENGINE).
Из имеющихся вариантов программ для разработки наиболее оптимальным является Unreal Engine [7] благодаря своей огромной популярности, что поможет в использовании и обучении программы, уникальным функциональным возможностям, а также встроенному редактору, реализующему написание внутреннего кода приложения.
Под устройством виртуальной реальности понимают очки виртуальной реальности, состоящие из двух дисплеев с высоким разрешением и частотой кадров, и двух линз, находящихся между дисплеями и глазами. Некоторые устройства также оснащаются наушниками для передачи звука и датчиками наклона и перемещения головы.
Таким образом, необходимо выбрать программы для 3D моделирования, разработки программного продукта и устройства виртуальной реальности.
Под кодом взаимодействия со средой VR понимается возможность влиять на программную среду, как пример, нажимать кнопки, крутить вентили, осматривать оборудование и т.п. Код создан на внутреннем языке программирования Unreal Engine 4 — Blueprint, реализующий небольшую часть проекта, состоя-
щего из кнопки, меняющего отображаемое значение у оборудования и включающий звук. Первая часть кода (рисунок 1) позволяет персонажу взаимодействовать с объектом, на который он смотрит, создавая невидимый луч в сторону взгляда. Основной частью кода выступает центральный блок Line Trace for Objects.
Во второй части кода (рисунок 2) сигнал начала работы поступает на блок Event Interact, связанный с блоком Interact прошлой части кода. Сигнал передается блоку Activate, который подобным образом передаст сигнал начать работу кода для объектов, в которых должны произойти изменения. Объекты задаются массивом Make Array, где указаны ссылки на них.
Под имитацией хода процесса понимается создание видимости изменений в работе оборудования от действий пользователя, например включение и выключение звука, света, изменение параметров оборудования и т.п.
Под кодом передвижения понимается возможность управления персонажем внутри программной среды. В качестве поддерживаемых устройств ввода заданы клавиатуры с мышью, геймпад и контроллеры виртуальной реальности.
Иногда стандартные для Unreal Engine 4 и найденные из источников готовые текстуры не удовлетворяют требованиям,
Рисунок 1. Первая часть кода взаимодействия со средой Figure 1. The first part of the code for interacting with the environment
ф Event Interact
Frûii) New Interface
Actor to Activate 1
¡ü: Make Array
101 Array Щ
Actor to Activate 2
Рисунок 2. Вторая часть кода взаимодействия со средой Figure 2. The second part of the environment interaction code
недостаточно качественные или неправильно применяются на модель. В таких случаях необходимо ручное создание собственных текстур, в этом может помочь встроенный редактор текстур, структурой похожий на Blueprint.
Для проектирования сцены, машин и аппаратов было использовано профессиональное программное обеспечение для 3D моделирования Autodesk 3ds Max 2015.
Для создания 3D моделей были использованы стандартные геометрические инструменты: box — параллелепипед; cone — конус; sphere — сфера; cylinder — цилиндр; plane — плоскость; line — линия; circle — круг; rectangle — прямоугольник. С помощью модификаторов Modifier List стандартные геометрические фигуры видоизменялись, принимая более сложную форму.
Пример создания колонны с использованием вышеуказанных инструментов представлен на рисунке 3.
Некоторые модели невозможно создать, используя только геометрические фигуры и стандартные модификаторы. Тогда необходимо воспользоваться принципами полигонального моделирования объектов. Данный вид моделирования позволяет взаимодействовать с отдельными элементами объекта (вершинами,
гранями, плоскостями), свободно трансформируя их по своему желанию.
Важным критерием для моделирования под программные продукты является соблюдение минимального числа полигонов для каждой модели, чтобы минимизировать нагрузку на компьютер.
Следующий этап — импортирование модели в Unreal Engine 4.
В обозреватель внешнего контента Content Browser импортируются модели из Autodesk 3ds Max 2015.
Из окна обозревателя внешнего контента необходимые модели переносятся в рабочее пространство, где с ними производится дальнейшая работа. При помощи инструментов перемещения, масштабирования и вращения модели располагаются на рабочем пространстве (рисунок 3, c).
После создания и импорта всех моделей используемого оборудования необходимо собрать эти модели в единый участок. В результате происходит размещение всех моделей на свои места, соединение их трубопроводами.
На последнем, завершающем, этапе работа проверяется на ошибки, удаляются лишние объекты и настраиваются параметры проекта.
После всех настроек проект компилируется и сохраняется.
а) b) c)
a) создание ректификационной колонны в Autodesk 3ds Max; b) ее высокополигональная модель; c) импортированная в Unreal Engine 4 модель колонны
a) creating a rectification column in Autodesk 3ds Max; b) highly polygonal model of column;
c) imported in Unreal Engine 4 column model
Рисунок 3. Этапы создания модели ректификационной колонны
Figure 3. Stages of creating a model of a rectification column
Рисунок 4. Модель разделения пентан-гексановой фракции в среде виртуальной
реальности
Figure 4. A model of separation of the pentane-hexane fraction in a virtual reality environment
Выводы
Рассмотрен перенос производственного процесса узла разделения пентан-гексановой фракции в среду виртуальной реальности с целью наблюдения за ходом технологического процесса и его управления посредством объектов данного производства.
Изучен технологический процесс, созданы 3D модели аппаратов, приборов и устройств, 3В модели собраны в участок
процесса в среде виртуальной реальности и разработана логика хода технологического процесса в среде виртуальной реальности.
Достигнут высокий уровень взаимодействия с моделью, где пользователь может непосредственно наблюдать за ходом производства, его масштабом и участвовать в процессе самостоятельно, что улучшает понимание сути непосред-
-173
ственно производственного процесса. Это может быть использовано в нефтехимической промышленности для обучения
Список источников
1. Shulaeva E.A., Pavlov V.B., Bur-dov A.E. Simulation of the Fuel Gas and Raw Material Supply System to the Furnace of the Atmospheric Oil Distillation Unit and Development of a Computer Training Software // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1679 (1). P. 022093 (1-6). doi:10.1088/1742-6596/1679/2/022093.
2. Shulaeva E.A., Valitov D.R., Kub-ryak A.I. Simulation of the Gas Fractionating Unit of Depropanization System and Development of a Computer Training Software // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1691 (1). P. 012144 (1-7). doi:10.1088/1742-6596/1691/1/012144.
3. Дозорцев В.М. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов. М.: СИНТЕГ, 2009. 372 с.
4. Koteleva N.I., Shablonsky I.E., Kosh-kin A.V. Computer Training Simulator for Instruction of Oil and Gas Technological Processes Operators: the Analysis of Existing Decisions and the Way of Their Improvement // Journal of Mining Institute. 2011. Vol 192. P. 212-215.
5. Подольский A.K. Применение методов исскуственного интеллекта в нефтегазовой промышленности // Современная наука, 2016. № 3. С. 33-36.
6. 3ds Max. Программное обеспечение для 3D-моделирования и визуализации, позволяющее работать с визуализацией проектов, играми и анимацией. Autodesk Inc., 2020 URL: https://www.autodesk.ru/products/ 3ds-max/overview (дата обращения: 15.03.2021).
7. The Most Powerful Real-Time 3D Creation Platform — Unreal Engine. Epic Games, Inc. 2004-2021. URL: https://www. unrealengine.com/en-US (дата обращения: 17.04.2021).
References
1. Shulaeva E.A., Pavlov V.B., Bur-dov A. E. Simulation of the Fuel Gas and Raw
персонала навыкам, необходимым для безаварийного ведения технологического процесса.
Material Supply System to the Furnace of the Atmospheric Oil Distillation Unit and Development of a Computer Training Software. Journal of Physics: Conference Series, 2020, Vol. 1679 (1), pp. 022093 (1-6). doi:10.1088/ 1742-6596/1679/2/022093.
2. Shulaeva E.A., Valitov D.R., Kub-ryak A.I. Simulation of the Gas Fractionating Unit of Depropanization System and Development of a Computer Training Software. Journal of Physics: Conference Series, 2020, Vol. 1691 (1), pp. 012144 (1-7). doi:10.1088/ 1742-6596/1691/1/012144.
3. Dozortsev V.M. Komp'yuternye tre-nazhery dlya obucheniya operatorov tekhno-logicheskikh protsessov [Computer Simulators for Training Operators of Technological Processes]. Moscow, SINTEG Publ., 2009. 372 p. [in Russian].
4. Koteleva N.I., Shablonsky I.E., Koshkin A.V. Computer Training Simulator for Instruction of Oil and Gas Technological Processes Operators: the Analysis of Existing Decisions and the Way of Their Improvement. Journal of Mining Institute, 2011, Vol 192, pp. 212-215. [in Russian].
5. Podol'skii A.K. Primenenie metodov isskustvennogo intellekta v neftegazovoi promyshlennosti [Application of Artificial Intelligence Methods in the Oil and Gas Industry]. Sovremennaya nauka — Modern Science, 2016, No. 3, pp. 33-36. [in Russian].
6. 3ds Max. Programmnoe obespechenie dlya 3D-modelirovaniya i vizualizatsii, pozvo-lyayushchee rabotat' s vizualizatsiei proektov, igrami i animatsiei [3ds Max. 3D Modeling and Visualization Software for Project Visualization, Games and Animation]. Autodesk Inc., 2020. URL: https://www.autodesk.ru/products/3ds-max/overview (accessed 15.03.2021).
7. The Most Powerful Real-Time 3D Creation Platform — Unreal Engine. Epic Games, Inc. 2004-2021. URL: https://www. unrealengine.com/en-US (accessed 17.04.2021).
