虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)在油氣田及化工培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曲本全 郄兆輝 蘇曉偉 張振昆 李業(yè)輝

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石儀科技有限公司 山東 東營(yíng)）

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字化城市、工業(yè)仿真、場(chǎng)館虛擬等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用，但在油氣田及化工領(lǐng)域的培訓(xùn)應(yīng)用還剛起步。如何提高行業(yè)員工培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效果，增強(qiáng)員工的業(yè)務(wù)素質(zhì)，是油氣田勘探與開發(fā)的迫切需要，是提高化工行業(yè)實(shí)驗(yàn)效果的重要手段之一。目前傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式主要存在以下局限性：培訓(xùn)效果是否良好主要依賴于教師的水平，培訓(xùn)過程沒有明確統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)性差，沒有可重用性等?？梢妭鹘y(tǒng)的培訓(xùn)技術(shù)不但受時(shí)間、空間的限制，而且在人力、資源、經(jīng)費(fèi)、組織實(shí)施等方面都存在很多問題。尤其對(duì)于危險(xiǎn)作業(yè)或不具備實(shí)驗(yàn)條件的高級(jí)培訓(xùn)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更是難以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限性制約了人們所期望的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率，滿足不了石油石化行業(yè)現(xiàn)代發(fā)展的需求。針對(duì)以上局限性，我們利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)結(jié)合石油石化領(lǐng)域的培訓(xùn)內(nèi)容，開發(fā)了具有專業(yè)特色的培訓(xùn)系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[2]

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是虛擬環(huán)境建模技術(shù)和交互控制技術(shù)。該培訓(xùn)系統(tǒng)采用實(shí)物仿真模型＋SCADA＋3DMAX＋SQLServer＋VRP的混合體系框架實(shí)現(xiàn)。其中實(shí)物仿真模型是將油氣田現(xiàn)場(chǎng)裝備或化工行業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備按一定的比例進(jìn)行制作，通過培訓(xùn)人員操作和軟件系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)模型與培訓(xùn)系統(tǒng)的互動(dòng)；SCADA負(fù)責(zé)虛擬儀表的數(shù)據(jù)采集，建立控制數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)數(shù)據(jù)模塊的通信和狀態(tài)協(xié)調(diào)；模型的三維建模及烘焙由3DMAX實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)的管理與分析由SQL SERVER實(shí)現(xiàn)；VRP負(fù)責(zé)系統(tǒng)仿真效果及動(dòng)作互動(dòng)演示。培訓(xùn)系統(tǒng)主要功能子系統(tǒng)分別如下。

實(shí)物仿真模型子系統(tǒng)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、使用工具或工藝，按照一定的比例進(jìn)行加工制作，其中部分關(guān)鍵裝備也可進(jìn)行透明化制作，現(xiàn)場(chǎng)儀表使用模擬儀表。實(shí)現(xiàn)裝備或工藝的模型仿真，學(xué)員可進(jìn)行手動(dòng)操作和在線互動(dòng)培訓(xùn)。

SCADA子系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)通過就地SCADA系統(tǒng)進(jìn)行獲取，對(duì)不同的工藝過程建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過模型計(jì)算后向其傳遞相應(yīng)的控制參數(shù)。經(jīng)過系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，供培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用，以便實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)軟件系統(tǒng)與硬件模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。

SQL Server子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)及分析由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)完成，目前系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)主要是SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。在整個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)中作為數(shù)據(jù)交互的容器，起到橋梁的作用。

3D模型建立子系統(tǒng)：根據(jù)實(shí)物仿真模型利用3DMAX建模工具軟件，實(shí)現(xiàn)模型及場(chǎng)景的建立，然后在軟件中進(jìn)行烘焙處理，通過VRP插件進(jìn)行導(dǎo)出。VRP調(diào)用后，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的二次開發(fā)。

VRP實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)：VRP虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件核心引擎主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器、工業(yè)仿真平臺(tái)、物理系統(tǒng)、三維仿真系統(tǒng)開發(fā)包（VRP-SDK）、虛擬旅游系統(tǒng)、3D互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組成，主要實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的模型導(dǎo)入、后期編輯、交互制作、特效制作、界面設(shè)計(jì)、可逼真的模擬各種物理學(xué)運(yùn)動(dòng)，如碰撞、重力、摩擦、阻尼、陀螺、粒子等自然現(xiàn)象，在算法過程中嚴(yán)格符合牛頓定律、動(dòng)量守恒、動(dòng)能守恒等物理原理、還可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行對(duì)三維場(chǎng)景的瀏覽與互動(dòng)。同時(shí)利用系統(tǒng)提供C++源碼級(jí)的開發(fā)函數(shù)庫(kù)，開發(fā)出自己所需要的高效仿真軟件。在培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)過程中，通過3D建模和數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)的支持，充分利用VRP的二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能要求。

1.1 培訓(xùn)的模式

通過以上設(shè)計(jì)過程，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下培訓(xùn)模式：

（1）互聯(lián)網(wǎng)+三維虛擬技術(shù)+仿真數(shù)學(xué)模型+實(shí)物仿真裝備（互動(dòng)培訓(xùn)）；

（2）裝備仿真模型+拆裝訓(xùn)練模型（硬件及軟件仿真拆裝）；

（3）互聯(lián)網(wǎng)+三維虛擬技術(shù)+仿真數(shù)學(xué)模型（離線培訓(xùn)）。

1.2 培訓(xùn)系統(tǒng)特色

（1）教學(xué)模擬更形象直觀

與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)一樣，系統(tǒng)具有生動(dòng)直觀的特點(diǎn)，它可以將許多抽象的概念、原理轉(zhuǎn)化或直觀的現(xiàn)象呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者眼前，使學(xué)員便于接受和理解。

（2）教學(xué)模擬既經(jīng)濟(jì)又安全

在許多實(shí)驗(yàn)和培訓(xùn)場(chǎng)合，或者購(gòu)買真實(shí)設(shè)備極其昂貴，或者它的操作具有危險(xiǎn)性，而模擬是在安全且經(jīng)濟(jì)的環(huán)境中進(jìn)行的。

（3）可以不受自然條件的限制

在教室或?qū)嶒?yàn)室中，學(xué)員只要使用計(jì)算機(jī)和模擬仿真設(shè)備就可以進(jìn)行模擬練習(xí)，而不受天氣狀況、晝夜或其他條件的限制。

（4）可以控制重點(diǎn)模擬過程速度變化

在現(xiàn)實(shí)中，有些運(yùn)動(dòng)速度變化很快，有些運(yùn)動(dòng)變化緩慢，學(xué)員難以觀察和理解他們的全部變化過程和機(jī)理。在模擬中，可以改變速度的變化，使之便于觀察。

（5）具有較強(qiáng)的交互性，能激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

具有較強(qiáng)的交互性是培訓(xùn)系統(tǒng)的突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。交互性分為：計(jì)算機(jī)與接收學(xué)習(xí)者之間的信息交互和培訓(xùn)系統(tǒng)軟件與現(xiàn)場(chǎng)仿真模型工藝的信息交互兩大部分。計(jì)算機(jī)與學(xué)員之間的交互表現(xiàn)為：一是檢索方便，無論需要那一部分內(nèi)容，只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可快速進(jìn)入對(duì)應(yīng)版面；二是控制進(jìn)程，無論教師還是學(xué)員都可以根據(jù)自己的意圖進(jìn)行自主調(diào)控。培訓(xùn)軟件與現(xiàn)場(chǎng)仿真模型交互表現(xiàn)為：一是制作較為逼真的現(xiàn)場(chǎng)仿真模型，模型帶有信息傳輸傳感器與計(jì)算機(jī)接口，讓學(xué)員操作現(xiàn)場(chǎng)仿真設(shè)備，根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出或現(xiàn)場(chǎng)回傳信號(hào)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件能與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)作、工藝過程進(jìn)行交互，讓學(xué)員有身臨真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的感覺，更好的達(dá)到培訓(xùn)的目的；二是開發(fā)逼真的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，尤其是隱蔽或不易觀察過程由仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬，讓學(xué)員更加深刻了解無法用直覺看到的情景。

（6）具有高仿真性

系統(tǒng)將按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或工藝進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理做深入的剖析。

（7）可用于教學(xué)過程的各個(gè)階段

系統(tǒng)可呈現(xiàn)、指導(dǎo)、練習(xí)到測(cè)試的教學(xué)過程的各個(gè)階段。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[3]

2.1 虛擬儀表模擬

在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)設(shè)備應(yīng)用的儀表一般情況下是通過對(duì)工況的傳感后，通過對(duì)傳感信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)就地顯示或遠(yuǎn)程傳輸。但在實(shí)物仿真裝備中，通常很難達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的模擬，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中通過虛擬儀表進(jìn)行模擬，如現(xiàn)場(chǎng)使用的壓力表、流量計(jì)、指重表、液位計(jì)、溫度計(jì)、閥門等。虛擬儀表的顯示是通過培訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)不同工藝及工況的需求，由SCADA向虛擬儀表進(jìn)行數(shù)值傳送，以便達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)逼真顯示的效果。

2.2 建立控制數(shù)學(xué)模型

在整個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，建立控制數(shù)學(xué)模型是最重要也是最關(guān)鍵的，它是整個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)的進(jìn)行交互模擬的大腦。需要根據(jù)不同的工藝，模擬不同的工況，在建立模型時(shí)需要進(jìn)行充分考慮，所有的操作過程及故障模擬過程都需要提前預(yù)置到數(shù)模中。如鉆井仿真模擬需要建立地下鉆進(jìn)過程、井涌井噴判斷及關(guān)井、起下鉆等數(shù)學(xué)模型，通過接收的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，計(jì)算后向培訓(xùn)系統(tǒng)傳遞使其模擬演示目前操作過程，向SCADA傳遞使其控制現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的設(shè)備，以達(dá)到模擬現(xiàn)場(chǎng)與仿真系統(tǒng)同步的效果。

2.3 建立三維互動(dòng)場(chǎng)景

三維互動(dòng)場(chǎng)景是培訓(xùn)系統(tǒng)人機(jī)最重要的表現(xiàn)形式，場(chǎng)景建立的效果直接關(guān)系到系統(tǒng)的培訓(xùn)質(zhì)量。建立場(chǎng)景關(guān)鍵是場(chǎng)景的逼真性和與現(xiàn)場(chǎng)操作的實(shí)時(shí)交互性。逼真性主要通過VRP對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行模型化，角色化，事件化的虛擬模擬和增加相應(yīng)視覺特效（如粒子、重力、碰撞、骨骼等）實(shí)現(xiàn)；實(shí)時(shí)交互性主要是通過與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行無縫連接，建立詳細(xì)的交互動(dòng)作模型，根據(jù)不同的數(shù)值調(diào)用不同的顯示鏡頭及調(diào)節(jié)不同的動(dòng)作。如場(chǎng)景中的人物可建立行走、跑步、立正、跳躍等動(dòng)作模型，根據(jù)場(chǎng)景需要可調(diào)節(jié)其動(dòng)作速度，讓操作或?qū)W習(xí)人員有較強(qiáng)的沉浸感。

3 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

演示程序硬件配置CPU：Intel和AMD均可，最低800MHz主頻的CPU，推薦使用1.4GHz以上；內(nèi)存：最低128M，推薦512M；硬盤：無要求，推薦40G以上。軟件運(yùn)行環(huán)境：Win2000/XP或Win7系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

以實(shí)物仿真模型＋SCADA＋3DMAX＋SQL Server＋VRP的混合體系的設(shè)計(jì)的培訓(xùn)系統(tǒng)，分為服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源的建立以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方式與客戶端的通信?？蛻舳酥饕故菊w工藝及場(chǎng)景的互動(dòng)。軟件整體工藝展示主要包括設(shè)備、地面、建筑、植被、流程等如圖1所示；場(chǎng)景的互動(dòng)主要展示原理動(dòng)作、結(jié)構(gòu)、模擬過程等如圖2、圖3所示。

圖1 整體場(chǎng)景

圖2 模擬過程

圖3 原理動(dòng)作

操作者可以通過鼠標(biāo)或鍵盤對(duì)場(chǎng)景角度、移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速等進(jìn)行操控，現(xiàn)場(chǎng)儀表可以隨軟件進(jìn)行在線顯示與互動(dòng)，實(shí)物仿真模型如圖4所示。在整個(gè)測(cè)試過程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖4 實(shí)物仿真模型

4 結(jié)束語

該培訓(xùn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的教學(xué)性、科學(xué)性、系統(tǒng)性、交互性、藝術(shù)性的特點(diǎn)。主要的面向培訓(xùn)對(duì)象為采油、采氣、儲(chǔ)運(yùn)、鉆井、井下作業(yè)、勘探開發(fā)、石油煉化等專業(yè)。可實(shí)現(xiàn)初級(jí)工、中級(jí)工和高級(jí)工等級(jí)別培訓(xùn)以及在校大學(xué)生的培訓(xùn)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從仿真與控制、知識(shí)表現(xiàn)、人機(jī)交互、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等方面考慮，緊貼目前國(guó)內(nèi)外油氣田及化工培訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容，建立了一套完整的具有行業(yè)特色培訓(xùn)軟件系統(tǒng)，開創(chuàng)了油氣田及化工領(lǐng)域培訓(xùn)的新模式，具有廣闊的推廣使用價(jià)值和重要的指導(dǎo)意義。

[1]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005

[2]任偉建，滕 飛，周 慶，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的油田鉆井系統(tǒng)仿真研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（3）

[3]劉科文.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，29（10）