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应用为主，虚实结合，助力化工数智人才培养——常州工程职业技术学院化工工艺实训中心数转智改项目

发表时间：2024-04-07 10:55

在“中国制造2025”国家战略指引下，石油和化学工业“十三五”期间，大力推进智能制造升级改造，“十四五”期间提升企业智能化管理水平，可持续、绿色发展越来越成为石化产业高质量发展的重要因素。因此，对从事生产一线的技术人员的职业岗位能力、素质要求不断提高，亟需大批具有良好理论基础和实践能力的技术技能型专业人才。为适应行业发展，达到课程内容与产业对接目的，我们对九江石化、镇海炼化等新兴的智能化工企业进行了深入调研，从企业需求出发，以职业岗位能力培养为重点，开发和设计基于工作流程的智能综合实训课程，助力院校培养化工智能化时代所需的全面发展的高素质人才。

2023年7月，常州工程职业技术学院与东方仿真共同完成了化工工艺实训中心数转智改建设，为探索化工数智化人才培养的新模式探索了新路。

一、建设背景与目标

按照国家职业教育示范性虚拟仿真实训基地的建设要求，满足化工行业数转智改对人才的新要求，创新提出“设备生产化、过程虚拟化、管控智能化、教学项目化”的理念，建设数字孪生虚拟仿真实训中心、虚拟仿真研创中心、化工智能虚拟仿真实训中心三大模块，以新一代信息技术为工具，建设基于真实智能生产场景、工作过程的优质虚拟仿真实训平台，有效解决化工类专业实训教学过程“三高三难”痛点和难点，切实提高化工专业高素质技术技能人才的培养质量。

图1 化工工艺实训中心三维效果图

主要建设内容1：数字孪生虚拟仿真实训中心

传统教学中，教师对设备结构讲解往往只讲理论知识，对于大型、关键设备，例如反应器，精馏塔，往往并不具备拆装条件。

依托5G、数字建模技术，构建丙烯酸甲酯数字孪生仿真工厂。实训教学过程中学生分组操作，通过在虚拟空间中主动抓取、三维浏览等方式进行沉浸式学习体验，达到“视、听、触”三觉共鸣。利用其增强现实（AR）和虚拟现实（VR）的技术，通过佩戴追踪眼镜和使用跟踪触笔，对设备内部的关键部件进行旋转、放大，展示更多细节，提升学生对设备的整体认知与结构认知能力。彻底解决设备结构“难理解”，设备拆装“难实施”的痛点，提高学生对设备结构的深度了解。

图2 学生佩戴VR眼镜观看设备结构并体验操作

主要建设内容2：虚拟仿真研创中心

虚拟仿真研创中心是校企合作、产教融合服务平台，该中心主要设置仿真资源创新开发平台与交互活动资源创新开发平台。

（1）仿真教学资源创新开发平台

仿真教学资源创新开发平台是依托国产化自主仿真动态模拟技术研发，集工艺仿真模拟、控制系统仿真模拟与操作指导评价系统为一体的仿真系统平台。教师可以根据教学需求进行虚拟仿真教学资源的转换，培养学生对于化工生产的新工艺、新技术、新方法的实训操作模拟，培养面向产业转型升级的高素质技术技能型人才。

图3开发平台进行图形化算法与建模的过程

（2）交互活动资源创新开发平台

交互活动资源创新开发平台是专为非编程人员设定的一款简易图形化开发平台。开发平台包含的无代码编程逻辑搭建采用基于新一代互联网无代码组态方式，支持拖拽、连线、答题等多种教学资源开发。逻辑开发完全采用积木搭接方式进行组态，让不熟悉的代码的教师可以根据化工典型工作过程进行交互活动资源的创新开发，实现教学方法和教学组织的创新。

开发平台支持编辑实时预览，教师可通过二维码实时预览组态效果。还可一键发布云端后，可以分享链接或二维码，将教学活动资源分享到云端教学平台供教学应用。

图4资源开发平台的组态过程

依托先进技术，产教深度融合，让教师在教学理论、研究设计、研究方法、教学资源创新制作、教学方法探索改进等方面进行充分研发研讨，培育国家级职业教育教师教学创新团队及教学成果。

主要建设内容3：化工智能虚拟仿真实训中心

依托丙烯酸甲酯仿真工厂，从智能化生产模拟和智慧化实训教学两个方面进行升级和建设。

（1）智能化生产模拟

① 智能生产管控

MES系统通过与仿真工厂各种传感器、仪表和设备的连接，实时采集设备状态、工艺参数、能源消耗等生产过程中的数据，对整个装置的生产进行了监控。包括生产计划、生产指令、原料库存、产品质量、场所危害、生产能耗等等，实现生产过程的可控性、高效性和质量性，从而提高生产效率、降低成本。

图5 MES系统界面

② 产品质量优化

在传统的化工操作中，生产调整需要考虑多方面变量，例如温度、压力、进料等等，普通操作员通常只能控制其中的几个变量，而其他变量的调整则依赖于操作员的经验和直觉。在丙烯酸甲酯仿真工厂内，仿照真实工厂建立了一套APC先进控制系统。通过大数据模型矩阵的应用，综合考虑所有影响生产的变量，以实现参数的稳定和生产的优化。

投用APC系统后，一方面，生产参数更加稳定，另一方面装置内的水耗、电耗、气耗也大幅度降低，达到了参数稳定，精益生产的目的。

图6 APC系统界面

③ 设备预防维护

在石化企业中，设备的正常运行是平稳生产的关键。一旦设备出现损坏，不仅生产会受到影响，还有可能会引发安全事故，造成人员和财产损失。

利用大数据模型比对，对振动数据进行分析和处理，识别出异常振动模式和特征。通过AI智能预测，提前预警离心泵潜在故障和异常情况。操作人员可以实时检测泵的运行状态，并根据预警信息制定相应的维护计划，进行及时的维修和保养，减少生产停机和设备损坏的风险。

图7 离心泵预防性维护系统界面

④ 工艺安全仪表

SIS系统是事故前的最后一道防线。它利用安全传感器、控制逻辑和安全执行器等技术，实现对危险情况的监测和控制。例如精馏塔发生超温时，SIS系统可以第一时间切断塔底热源，避免事故进一步扩大。

图8 SIS系统界面

（2）智慧化实训教学

① 智慧化安全素养培训

通过AI智能监控可以对装置现场的人员进行定位、监测和分析。通过人工智能技术，系统可以自动识别和分析学生的实训过程中行为，例如未佩戴安全帽进入装置现场，上下楼梯未扶扶手、人员跌倒等，一旦系统检测到异常情况，就会触发警报，对学生的职业安全素养进行过程性监管并形成过程教学数据。有效解决传统实训教学过程中教学数据难收集、实训安全难管控的痛点。

图9 AI智能监控安全管理平台界面

图10 AI智能监控平台监控学员在装置现场的违规动作

② MR数字孪生系统

基于MR数字孪生虚拟仿真协同平台，老师和学生可以通过MR设备，反应器内部的微观反应、换热器内部的介质传热及精馏塔内部的气液交换等等都可以结合装置的真实生产直观的呈现出来。学生可以很直观观察到微观反应机理模型变化情况。有效解决装置实训过程中“难观摩、难再现”的痛点。

图11 MR数字孪生系统观察设备内部反应

③ 实操综合能力评估诊断系统

借助AI大数据算法和信息化技术，采集学生线上平台、线下实训操作数据，将实训课程中的知识点或技能点转化为职业能力，并生成评价分析报告和综合能力评估系统。学生可以查看个人风险预判书，针对自己的薄弱项进行改进；通过采集过程数据进行分析诊断、评价与考核，生成综合能力评价结果，实现对不同学生的个性化评价。

老师可以查看班组风险预判书，了解整个班组成员的知识或技能的掌握情况，为教学诊改提供依据。