★董秀娟（国家管网集团北京管道有限公司，北京110101）

★曹海军（昆仑数智科技有限责任公司，北京102206）

★徐宝昌（中国石油大学，北京102249）

★程楠，辛若家，朱明皞，郑新宇（昆仑数智科技有限责任公司，北京102206）

摘要：针对油气管道运维中心工控系统的信息化和智能化程度不断提高、对运维中心操作人员的专业技术水平要求也日益提高的现状，提出了一种运维中心智能仿真平台设计方案，通过对运维中心人员进行培训以提高运维人员的专业技术水平，确保管道网络工控系统安全有序运行。首先进行了仿真平台的总体需求分析，在此基础上设计了仿真平台总体框架、功能结构以及物理结构；然后研究了搭建仿真平台所需的硬件部署；最后，通过仿真平台应用实例分析，验证了该平台设计方案的可行性，为提升运维人员专业技术能力、保障管道网络工控系统的安全性提供了一种新的方法。

关键词：运维中心；管道网络；工控系统安全；仿真培训平台

1 引言

油气管道网络是国家能源传输的命脉，其运行稳定性和安全性至关重要。随着油气管道运维中心的工控系统信息化、智能化水平越来越高，对运行和检修操作人员的专业技术水平也提出了更高的要求，因此亟需通过管道仿真软硬件搭建仿真模型，并进一步建立一个油气管道工控系统智能仿真平台来实现工业现场的虚拟仿真，以此对操作人员进行培训，提高操作人员的技术水平，确保油气管道运维中心工控网络的安全稳定运行。

当前国内外针对运维中心仿真平台的研究层出不穷，纪陵等^[1]针对变电站培训需求设计了仿真培训平台，实现了不同培训模式的有效结合。方伟等^[2]系统性分析了运维管理系统的结构，对各组件的工作原理进行了详细的分析。Zhiyuan等^[3]设计了配电终端机组操作维护培训平台，根据配电网自动化过程中的实际故障情况，实现了配电网一次故障模拟和配电网终端二次故障模拟，该平台的仿真应用提高了运维人员的水平。Yucheng等^[4]构建了一个基于角色和多智能体的混合协作模型，并构建了机械装备虚拟训练与评估平台，实现了拆卸过程训练、操作学习和过程讨论的功能。Yichun等^[5]根据混合仿真技能训练平台的性能要求，构建了混合仿真技能培训平台，为变电站操作人员提供高浸入式培训条件，在培训过程中取得了满意的效果。Sébastien等^[6]设计了用于实时仿真的变换器和电缆模型，并利用INELFE控制系统副本执行硬件在环仿真，现场测试证明，该解决方案实现了将实时模拟器与实际控制柜连接起来，且保证了系统的实时性和仿真精度。

基于上述研究，利用工业现场软硬件设备建立仿真模型，并搭建智能仿真平台的研究工作已有颇多进展，而其中鲜有针对油气管道网络系统仿真培训平台的研究。本文将立足于油气管道运维中心工控网络，利用实验室配置的管道仿真软硬件，根据工艺流程结构搭建仿真模型，并建立智能仿真平台以实现整个工业流程及控制的仿真。利用该仿真平台实现对运维中心操作人员的专业技能培训，提高运维人员的技能水平，为管道系统运维中心工控网络的稳定有序运行提供可靠的保障。

2 智能仿真平台方案设计

智能仿真平台依托于实验室管道软硬件实现工业现场的虚拟仿真，以此进行运维人员的操作培训，智能仿真平台建设需要满足如下需求^[7]。

（1）整体性。系统整体设计能有效地实现后台一体化管理，前端多终端应用满足用户个性化需求，系统标准化程度高。

（2）先进性。采用先进的设计技术以确保系统的长期应用性，且是应用成熟的系统。

（3）安全可靠性。充分考虑安全可靠的技术和管理方式，保证系统的不间断运行；保证系统在长时间大容量高压力的情况下能稳定运行，某一局部性的错误不影响整个系统的正常运行。

（4）易用易维护性。系统维护和管理的设计遵循高效、安全、简单、便捷的原则：系统组织简单易懂，方便用户的使用；模块间独立运行，互不影响；系统日常运行操作尽可能简便；系统维护充分考虑到安全性和稳定性；能够通过参数化方式对岗位角色、用户权限进行配置，并提供日常运行监控和完整的系统维护管理的方案。

（5）数据完整性。采用可操作性容灾备份策略，确保数据传输和备份的完整性。

（6）可扩展性。系统的设计原则是开放的、标准的、适应性强的，系统应具备很强的扩展能力。在硬件上需要支持硬件性能升级与数量扩充；软件上需要在应用的体系结构和软件模块划分方面具备良好的扩展性。

（7）可兼容性。系统的设计需考虑多平台应用的复杂性，能够支持主流操作系统、主流数据库产品以及中间件产品，并确保产品间的独立性、可移植性。

（8）全面集成性。系统采用模块化集成，可增删模块以满足业务发展需要；实现各业务系统的无缝集成，构建前、中、后一体化的系统架构。

2.1 总体架构设计

在满足上述建设原则的基础上，对智能仿真平台总体框架进行设计，考虑系统的分布式特点和模块化设计需求，将系统设计为数据层、业务层和表示层三层体系架构，总体架构如图1所示^[8]。

图1 智能仿真平台总体架构设计

数据层用于实现数据的存储和检索；业务层用于对用户提交的数据按照业务层要求的接口封装规则来封装用户数据，并调用业务接口层对外提供的相应命令接口，业务接口层对数据进行解析，分别送入不同的逻辑处理并向用户返回处理结果。业务层是上下两层的纽带，它建立实际的数据库连接，根据用户的请求生成检索语句或更新数据库，并把结果返回给前端界面显示。表示层负责处理用户的输入并向用户输出，通过浏览器或提供给用户的交互平台，向服务器提交请求。

采用三层设计，清晰地将表示层、业务层、数据层进行分离，避免了因业务逻辑上的微小变化而导致对整个平台的修改，增强了代码的可重用性。

2.2 功能结构设计

系统的功能逻辑在实现上采用MVC模式。从逻辑上可划分为三大部分：前端的客户端软件、中间层的应用服务和后端的数据存储。所有分析数据都存储在后端的数据库服务器上，计算密集型的任务集中在中间的业务逻辑层完成，客户端展现数据及分析后结果。系统逻辑结构图如图2所示，各用户可以通过浏览器访问后台数据^[9]。

图2 智能仿真平台逻辑结构设计

系统的功能实现上采用主流的Java开发框架Springboot、Mybatis以及成熟的布局框架Sitemesh2、JQuery；缓存使用Redis；可扩展集群，队列使用ActiveMQ，大幅度降低开发和维护时间，降低开发和维护成本。

由于采用成熟的跨平台技术Java，使得服务器可以很方便地部署在主流操作系统上，无论Windows平台还是Linux平台，在不改变程序的情况下，都能轻松支持，大幅降低运行期间的维护成本。系统采用了多终端多形式展现，系统访问既可采用Web访问，也可利用移动终端进行访问，为用户操作便利性提供最大的支持。

2.3 物理结构设计

仿真平台物理结构采用静态、动态分离的方式，以此加快服务器访问的速度，同时保证数据同步过程中数据的一致性。数据库采用主从分离的形式，可以更好地处理大规模数据。物理结构设计如图3所示。

图3 智能仿真平台物理结构设计

3 仿真系统硬件部署

仿真系统硬件主要由交换机、工业服务器、配套键鼠显示器组成，如图4所示^[10]。

图4 仿真平台硬件组网部署

硬件组网采用星型连接方式，其中各部分硬件及配套软件部署如下：

（1）工业服务器之上虚拟Windows系统、Fedora系统和1个RTOS，其架构如图5所示。Windows系统中部署有PLC编程软件，用于PLC的学习和考试程序编写；东土MaVIEW编程软件，用于验题程序的编写；Fedora系统运行实时库用于培训教学软件数据采集，并利用KyGate协议网关实现规约转换；RTOS运行东土科技的MaVIEW软PLC，利用东土软PLC验证模拟仿真结果。

图5 工业服务器系统架构

各桌面系统（Win10、Fedora系统）以虚拟机镜像的形式存在于Intewell系统中，系统支持对虚拟机镜

像做备份，将各个桌面系统的环境配置好后关闭各桌面系统，对各个桌面系统进行快照备份操作，供容灾恢复时使用。

（2）教官台配置一套显示器、键盘、鼠标连接至工业无服务器，用于显示、操控工业服务器非实时系统桌面以及教官培训教学；另单独配置一套服务器用于安装教学培训系统软件和数据库等；配置一套触摸屏，用于教官分发题库及检查学员所提交答案正确率。

（3）学员培训台配置一台工业服务器，用于安装实时和非实时系统，并在实时、非实时系统上安装对应软件；配置一套显示器、键盘、鼠标连接至工业服务器，用于显示、操控工业服务器非实时系统桌面；配置一套触摸屏，用于教官分发题库及检查学员所提交答案正确率。

4 智能仿真平台应用分析

智能仿真平台基于用户身份进行权限管理，为管理员账户开辟系统管理工作台，用于显示系统后台基本信息、进行系统数据以及用户数据的增删改查等快捷操作；运维中心员工则通过用户账户进行操作课程学习、学习资料下载、考试以及消息接收发送等任务。

以模拟考试为例分析智能仿真平台的应用，本案例采用东土远程服务器以及T-Box的PLC设备来实现仿真。T-Box的PLC编程软件没有仿真程序，因此需要配以真实硬件，通过硬件与东土PLC硬件进行I/O点交互；施耐德PLC编程仿真软件采用Modbus/TCP通信协议与东土PLC进行信息交互。仿真系统通过考试系统下发的题号以及检验信息，对学员试题的输入量进行赋值，并利用PLC设备或编程软件对返回的输出量进行验证，如此反复执行多步，直至完成预定的验题程序，实现完整的闭环仿真。其应用框图如图6所示。

图6 模拟考试应用框图

PLC与东土实时系统间固定一定的I/O映射区，考题中涉及的交互的I/O点不应超出此范围。系统提供上机样例试题，供系统管理员参照出题，并将题目发送至学员账户所在平台。

当试题提交后触发判卷系统，判卷系统根据题号选择对应的模拟程序，通过模拟给定输入并延时对比模拟程序的返回值的方式，来判定题目是否正确，经过多次循环对比后，最终给出考试成绩，以此实现对仿真教学效果进行评估的目标。仿真平台软件设计如图7所示。

图7 仿真平台软件设计

5 结语

油气管道是石油天然气等资源传输的通道，是国家能源命脉，因此油气管道工控系统的安全运行极为重要。本文针对管道网络信息化和智能化程度不断提高，对运维中心操作人员的专业技术水平要求也日益提高的现状，提出了一种智能仿真平台建设方案。

仿真平台依托于实验室的管道网络以及服务器、交换机、PLC和编程软件等软硬件进行搭建，集成课程学习以及考试评估等功能，通过应用案例分析验证了该智能仿真平台方案的可行性，为运维中心人员的操作培训提供了一种新的方法，在提高员工专业技术水平、保障运维中心工控网络的安全有序运行方面发挥着重大作用。

作者简介:

董秀娟（1980-），女，辽宁昌图人，高级工程师，现就职于国家管网集团北京管道有限公司，从事天然气管道自动化控制技术研究与应用。

曹海军（1981-），男，内蒙古乌海人，工程师，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，从事油气管道智能控制研究与应用。

徐宝昌（1974-），男，黑龙江人，副教授，博士，现任教于中国石油大学（北京）信息科学与工程学院，从事基于深度神经网络的复杂系统建模、油气集输过程的智能控制与优化、控压钻井技术、钻井过程的智能控制与协同优化研究。

程楠（1987-），女，山西运城人，工程师，硕士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，研究方向是自动化及智能应用。

辛若家（1979-），男，山东青岛人，高级工程师，硕士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，研究方向是机械电子工程。

朱明皞（1985-），男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，硕士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，研究方向是自动化及智能应用。

郑新宇（1993-），男，北京人，学士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，研究方向是视觉传达与用户体验。

参考文献：

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摘自《自动化博览》2022年9月刊