Технологические установки предприятий нефтегазовой отрасли считаются опасными производственными объектами. Они имеют высокие показатели возникновения нештатных и аварийных ситуаций [1].
Анализ аварийных ситуаций на производственных объектах нефтегазовой отрасли показал, что трубчатая печь является одним из наиболее опасных объектов. Данные Академии государственной противопожарной службы МЧС России за временной промежуток с 2007 по 2015 гг. показывают, что 11,4 % всех аварий на производственных объектах нефтегазовой отрасли приходится на трубчатые печи (рис. 1).
Рис. 1. Статистика аварийных событий на трубчатых печах
Трубчатая печь – это источник формирования взрывоопасных смесей. Пожары и взрывы в печах часто являются причиной выхода из строя технологического оборудования, расположенного рядом с опасным объектом. Большинство нештатных ситуаций на трубчатых печах возникает в результате невнимательности операторов, принятия неверного решения. Возможность тренировки и оттачивания навыков на виртуальном тренажере снижает риск появления пожара, взрыва и других нештатных ситуаций на установках с трубчатыми печами. Таким образом, предприятие может избежать вероятного ущерба от аварии, сохраняя при этом десятки миллионов рублей.
Интерактивность такого рода симуляторов позволяет сотрудникам предприятий тренироваться в условиях, максимально приближенных к реальным. Применение виртуальных моделей реального оборудования, технологических процессов, различного рода аварийных и нештатных ситуаций позволяет многократно воспроизводить те или иные режимы работы, условия, не затрачивая при этом ресурсов настоящего оборудования и не подвергая опасности производственный объект и персонал.
На данный момент основными методами подготовки персонала на рабочем месте являются [3]:
– приобретение опыта в процессе рабочей деятельности;
– изучение теоретической информации, техники безопасности;
– ротация сотрудников;
– сотрудничество наставника и ученика, когда наставник периодически контролирует уровень выполнения работы;
– сотрудничество в рабочих группах.
Основными недостатками данных традиционных методов подготовки рабочего персонала являются [3]:
– слишком длительное обучение сотрудника, не имеющего большого опыта работы, делающее его на этот период фактически неспособным выполнять свои основные обязанности;
– абстрактная теоретическая информация недостаточна для приобретения практических навыков;
– снижение эффективности наставника как рабочего.
Поэтому для подготовки персонала на производстве наиболее эффективно использовать интерактивные современные технологии обучения, в частности виртуальные симуляторы, более того, применение такого рода симуляторов обязательно для большинства промышленных предприятий [4].
Цель данной работы – повышение безопасности трубчатой печи путем повышения у работников профессиональных навыков. Для этого предлагаются решения следующих задач:
– обеспечение безопасного обучения и повышение профессиональных навыков рабочих;
– использование интерактивного промышленного тренажера;
– имитация нештатных и аварийных ситуаций в виртуальной среде;
– наглядное представление производственного объекта.
Для реализации виртуального тренажера за основу был взят реальный производственный объект. Для моделирования процессов в виртуальной среде был произведен сбор необходимых данных: техническая документация установки, нормы технологического процесса, характеристики объекта и оборудования. На рис. 2 приведена общая схема технологии разработки виртуального тренажера [5].
На этапе постановки задачи формулируются цели создания графического приложения на одном из естественных языков. Определяются методы решения, оценивается эффективность конечного алгоритма, уточняются требования к устройствам, на которых предполагается использовать разрабатываемое приложение.
В процессе анализа поставленной задачи более детально прорабатываются исходные данные, происходит их систематизация, предлагается их интерпретация, реализация в разрабатываемом приложении-симуляторе. Затем создаются математические модели технологических процессов и применяемого в них оборудования с использованием блок-схем по заранее подготовленному формализованному описанию различных сценариев работы виртуального тренажера [2].
По разработанной математической модели приложения выбирается алгоритм решения поставленной задачи. В разрабатываемом приложении присутствует большое количество сценариев работы трубчатой печи, каждый из которых можно реализовать программно различными способами, поэтому на данном этапе происходит выбор наиболее оптимальных алгоритмов.
На этапе проектирования структуры виртуального тренажера формулируется более детализированная модель программы, содержащая в себе информацию о взаимосвязи подпрограмм и их иерархии, взаимодействии с пользователем, методах хранения информации.
Рис. 2. Технология разработки тренажера
Графическая составляющая виртуального тренажера разрабатывается с учетом существующих систем управления технологическими процессами, в частности трубчатыми печами, для более эффективного усвоения информации. На данном этапе также определяется общий стиль графического оформления симулятора, предъявляются требования к отдельным элементам.
По материалам, полученным на предыдущих этапах, происходит кодирование программы. В качестве среды для создания виртуальной модели технологического процесса эксплуатации трубчатой печи используется программный продукт Game Maker Studio компании Yо Yо Games. Game Maker Studio содержит свой собственный язык программирования – Game Maker Language (GML) [6]. Это упрощенная версия языка высокого уровня С++. Имея такой мощный инструмент, можно моделировать различные сценарии технологического процесса. На рис. 3 представлен фрагмент кода, использующийся в обучающей программе по запуску трубчатой печи.
После написания кода программы проводится тестирование и отладка, в результате чего найденные ошибки в коде исправляются. Также на данном этапе проверяются всевозможные сценарии взаимодействия пользователя с виртуальным тренажером, чтобы исключить ситуации, когда программа не может найти решения из-за некорректного использования.
Интегрированная среда разработки Game Maker Studio позволяет смоделировать пользовательский интерфейс реального объекта (рис. 4). Виртуальный тренажер позволяет управлять в ручном и автоматическом режимах подачей топлива на горелки, регулировать расход топливного газа, измерять давление в трубопроводах, измерять температуру змеевиков, вмешиваться в технологический процесс трубчатой печи.
Основное отличие данного тренажера в том, что в нем имеется ряд обучающих программ и симулятор аварийных ситуаций (рис. 5).
Обучающие программы содержат:
– визуальные подсказки на графическом интерфейсе;
– причины возникновения нештатных и аварийных ситуаций;
– методы и способы устранения неполадок;
– имеется право на ошибку.
Рис. 3. Программный код сценария по запуску трубчатой печи
Рис. 4. Интерфейс тренажера, созданного с помощью Game Maker Studio
Рис. 5. Главное меню тренажера
Данный тренажер предоставляет возможность обучать сотрудников предприятий нефтегазовой отрасли правильному и безопасному обслуживанию трубчатых печей. Имеется множество сценариев, применимых для производственных ситуаций: запуск печи, остановка печи, поддержание рабочего режима печи, обнаружение и устранение неисправности в работе печи.
Симулятор аварийных ситуаций – это аттестационная проверка у сотрудника всех его знаний и навыков, полученных в ходе выполнения обучающих программ. Симулятор, в отличие от обучающих программ, имеет следующие особенности:
– отсутствие каких-либо подсказок на графическом интерфейсе;
– аварийная ситуация случайным образом генерируется при каждом запуске симулятора;
– нет права на ошибку.
Также Game Maker Studio имеет встроенный набор функций и инструментов для создания интернет-приложений [6]. Таким образом, возможно введение многопользовательского режима в виртуальном тренажере, при котором тренировку могут проходить от двух и более лиц одновременно, что существенно расширяет возможности симулятора.
Симулятор позволяет проверить и отточить свое мастерство, имитируя работу реального объекта. Сотрудник, который пользуется симулятором, должен сам обнаружить и устранить причину неполадки. Каждый раз неисправности генерируются случайным образом и могут появиться спустя некоторое время после запуска симулятора. Цель такого алгоритма заключается в том, чтобы развить бдительность у рабочего, его рациональную оценку ситуации, правильные и своевременные действия по её устранению. В случае ошибки со стороны оператора симулятор прерывается и выводится информация о текущей сессии. В ней указывается допущенная оператором ошибка, неисправность в запущенной сессии, комментарии по её устранению.