Цифровые двойники винтового, поршневого и центробежного компрессоров с интерактивными элементами управления для практических работ в удаленном формате.
В 2021 году при реализации проекта опорных университетов ПАО «Газпром» - СПбПУ на базе Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики Политеха был создан Центр коллективного пользования «Технологии и транспорт газа» ПАО «Газпром». При формировании его концепции возникла идея ввести в учебный процесс вуза VR-решения.
Первым, пилотным проектом стало создание цифровых двойников компрессорного оборудования с возможностью интерактивного взаимодействия для обучения студентов работе с компрессорными установками, проведения лабораторных и практических работ в удаленном формате.
Задача разработки - уменьшить риски травматизма при проведении обучения, обеспечить возможность дистанционного обучения и интеграции с системами автоматизированной проверки знаний, а также междисциплинарного обучения студентов Института компьютерных наук и технологий и Института энергетики СПбПУ.
В качестве основы для реализации проекта использована платформа разработки в реальном времени Unity3D, что позволило получить гибкую, конфигурируемую модель с возможностью запуска на большом количестве современных вычислительных платформ.
Программа подготовлена в двух версиях – для использования с VR-комплектом (очки, контроллеры) и на ноутбуке или ПК. Для работы в VR-режиме подойдут гарнитуры HTC VIVE PRO, Oculus Rift S и другие, совместимые со Steam VR.
VR-версия более эффектна, но компьютерная предоставляет не меньше возможностей для работы с интерактивными инструментами и измерений.
Созданная программа позволяет изучить не только принципы работы компрессоров, но и его устройство, пользователь имеет возможность «разобрать» модель на составные части и изучать ее компоненты благодаря всплывающим подсказкам к каждой детали и возможности перемещаться по залу.
Разработка виртуальной лаборатории велась в 3 этапа.
На 1 этапе была проведена оцифровка реального оборудования и учебного диспетчерского пульта управления в типовом цехе компрессорной станции ПАО «Газпром». В цифровом виде был воссоздана детализированная 3D-модель оборудования с интерактивными элементами управления - контрольно-измерительными приборами, заслонками и задвижками, регулировочными винтами. Подготовлены модели компрессоров трех типов: винтового, поршневого и центробежного.
На 2 этапе была разработана упрощенная математическая модель оборудования для расчета режимов его работы и генерации измеряемых значений, а реализованная экстраполяция данных позволила воссоздать полный цикл работы компрессоров со всеми входными и выходными данными. Значения проведенных измерений можно наблюдать как в самом приложении виртуальной реальности, так и в отчетных документах, сформированных по итогам практической работы. Это позволяет проводить измерения и эксперименты с виртуальным компрессором том же объеме, что и с реальным.
На 3 этапе был реализован модуль интерактивного взаимодействия пользователя с виртуальным оборудованием. Разработанная программа адаптирована к работе в Desktop и VR-режимах.
Структура и функциональность ПО
- Режим «VR» (с использованием гарнитуры виртуальной реальности),
- Режим «Desktop» (без использования VR-гарнитуры).
- ФИО пользователя, дата, время, параметры запуска сессии,
- Время, затраченное на прохождение сценария,
- Пользовательские взаимодействия с объектами сценария,
- Измерения, проведенные пользователем на виртуальном стенде.
Интерактивная 3D-модель стенда центробежного компрессора включает в себя:
Исходные данные
Интерактивная 3D-модель стенда поршневого компрессора включает в себя:
Исходные данные
Интерактивная 3D-модель стенда винтового компрессора включает в себя:
Исходные данные
Среда разработки 3D: | Blender, Substance 3D Painter, Marmoset Toolbag |
Среда разработки ПО: | Unity, Visual Studio, JetBrains Rider, SteamVR |
VR-комплекты: | HTC VIVE PRO, Oculus Rift S и другие гарнитуры, совместимые со Steam VR |
Языки программирования и фреймворки: | С# |
Работа выполнена в рамках проекта по созданию Центра коллективного пользования «Технологии и транспорт газа» ПАО «Газпром» в СПбПУ с целью совершенствования образовательного процесса по профильным для ПАО «Газпром» направлениям подготовки в Высшей школе энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ.
Данный проект реализован по Программе повышения качества образования и подготовки кадров на 2020-2021 учебный год ПАО «Газпром»/ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».