三維采油井控仿真教育培訓(xùn)系統(tǒng)

劉 芳，王 聃

(1．東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶163318;2．哈爾濱石油學(xué)院信息工程與計(jì)算機(jī)技術(shù)系，黑龍江哈爾濱150027)

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，油田采油井作業(yè)單位的軟件信息系統(tǒng)不斷完善，為進(jìn)一步開展計(jì)算機(jī)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。而新信息技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，將會有效地提升油田采油井作業(yè)單位的效率和效益。采油生產(chǎn)最大的安全隱患來自于井控安全，不規(guī)范的操作是導(dǎo)致井控安全隱患的最突出因素。目前，針對采油井控安全操作培訓(xùn)的方法一般是采用觀看錄像、從書本上學(xué)習(xí)或上井跟班操作訓(xùn)練的集中培訓(xùn)方式，這樣的培訓(xùn)方式有很多不便之處，如:培訓(xùn)成本高、周期長、培訓(xùn)手段單一枯燥、培訓(xùn)效果受限、抽象難于理解、工學(xué)矛盾突出。油田需要新的培訓(xùn)方式來針對性地解決以上問題，提升操作水平，實(shí)現(xiàn)操作標(biāo)準(zhǔn)化。

2 Virtools簡介

Virtools是虛擬現(xiàn)實(shí)的一種開發(fā)工具，提供可視化圖形開發(fā)界面，開發(fā)人員通過拖曳所需要的行為模塊就可以建構(gòu)復(fù)雜、高效的應(yīng)用程序，有效縮短開發(fā)流程，其特點(diǎn)是方便易用，應(yīng)用領(lǐng)域廣。Virtools擁有大量的交互模塊可供應(yīng)用，經(jīng)編輯后的互動(dòng)模塊組合使用，可以組成一個(gè)具有解決某項(xiàng)功能或者應(yīng)用．nms格式的單一交互模塊，以方便重復(fù)使用、編輯［1］。

3 系統(tǒng)簡介

圖1所示為仿真培訓(xùn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可分為兩個(gè)部分:場景建模、場景驅(qū)動(dòng)。場景建模是將所要仿真的場景與對象通過數(shù)學(xué)方法表達(dá)成存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維圖形對象的集合。實(shí)時(shí)三維視景仿真系統(tǒng)采用了3Ds Max作為場景建模工具，完成場景模型的建立。通過三維交互開發(fā)工具Virtools完成交互系統(tǒng)的構(gòu)建。為了提高建模的效率，還需建立專門的基本模型庫和紋理材質(zhì)庫。最后將建完的三維場景模型存儲到三維視景數(shù)據(jù)庫中。

圖1 體系結(jié)構(gòu)Fig．1 Architecture

場景驅(qū)動(dòng)是視景仿真程序根據(jù)所建立的場景模型以及場景中各類仿真對象運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)參數(shù)來生成實(shí)時(shí)視景的程序［2］。視景仿真的結(jié)果以圖像的方式輸出，用戶可以直觀地觀察到仿真對象的狀態(tài)。在視景仿真過程中，仿真對象的狀態(tài)參數(shù)可能是由用戶的輸入來控制，也可能取決于仿真對象自身的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，或由系統(tǒng)中其他仿真系統(tǒng)的輸出來決定。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)組成部分，一個(gè)是場景數(shù)據(jù)庫的建立，另一個(gè)是三維交互引擎的開發(fā)，如圖2所示，主要包括場景數(shù)據(jù)庫的生成和交互引擎的設(shè)計(jì)兩部分。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig．2 System frame diagram

采油井控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)交互”，即對用戶的輸入做出反應(yīng)，交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要概念［3］，它是指將輸入設(shè)備獲取的用戶動(dòng)作信息映射為虛擬環(huán)境中的動(dòng)作，如對鼠標(biāo)移動(dòng)、鍵盤敲擊事件的響應(yīng)。本系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)基于Web的采油井控仿真培訓(xùn)系統(tǒng);利用3DSMax建立抽油機(jī)安全操作系統(tǒng)的模型，對模型進(jìn)行優(yōu)化;將模型導(dǎo)入到Virtools中，實(shí)現(xiàn)三維場景控制，并通過瀏覽器進(jìn)行仿真培訓(xùn)。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4．2．1 建立場景數(shù)據(jù)庫

建立場景數(shù)據(jù)庫是三維場景的建模過程［4］。模型建立的過程大體可分為兩個(gè)部分:模型建立和模型優(yōu)化。模型建立通過3DS Max等建模工具即可完成主要的工作，并結(jié)合Photoshop輔助制圖，能夠完成基本的模型建立、圖片優(yōu)化、紋理映射、光照及材質(zhì)的應(yīng)用等。

模型優(yōu)化主要體現(xiàn)在模型實(shí)時(shí)生成和交互等方面，應(yīng)用的技術(shù)包括LOD(Level of Details)和模型對象實(shí)例化等，這些技術(shù)可以使一個(gè)三維場景內(nèi)有很多結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)相同的物體，當(dāng)物體之間的差別僅在于其位置、大小、方向的不同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的情況，或者繪制粗糙的模型，或者根據(jù)實(shí)際情況實(shí)例化模型，使得三維顯示效果更加逼真流暢。

圖3所示為實(shí)例化后的三維模型。

圖3 三維模型效果圖Fig．3 3d model rendering

4．2．2 開發(fā)交互引擎

(1)自由視角引擎的實(shí)現(xiàn):本文利用Virtools軟件對三維場景進(jìn)行引擎開發(fā)，首先介紹一下自由視角引擎的開發(fā)。要先為三維場景添加一個(gè)Camera，設(shè)置好其參數(shù)與IC值。如圖4所示，為Camera模塊的參數(shù)設(shè)置。

圖4 自由漫游模塊中的Camera腳本流程圖Fig．4 Camera flow chart of the script in free roaming module

在這個(gè)程序模塊中，是為新創(chuàng)建Camera添加腳本:①用Set As Active Camera模塊把Camera設(shè)置成當(dāng)前活動(dòng)攝像機(jī)。②Switch On Key模塊識別用戶按下的鍵位。③ 通過Get Current Camera模塊控制當(dāng)前活動(dòng)攝像機(jī)位置。④通過鍵盤上的方向鍵和Page Down和Page Up鍵結(jié)合Per Second模塊與Translate模塊及Rotate模塊完成“漫游”系統(tǒng)場景實(shí)現(xiàn)視角轉(zhuǎn)換和移動(dòng)的操作，其中Per Second模塊可以集合不同的模塊設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度以及移動(dòng)速度，如圖5所示。圖6為自由視角下的系統(tǒng)截圖。

圖5 Per Second模塊與不同模塊搭配使用的不同設(shè)置Fig．5 Different settings of Per Second module with different modules with different settings

圖6 自由漫游視角觀察圖Fig．6 Angle of view free roaming figure

(2)交互操作引擎的實(shí)現(xiàn):交互操作基本流程大概是以下幾個(gè)部分:操作提示，選擇工具，目標(biāo)拾取，操作激發(fā)，傳送信息。當(dāng)用戶把鼠標(biāo)移到對象上時(shí)，就會在鼠標(biāo)位置出現(xiàn)一個(gè)綠色圓圈，表示鼠標(biāo)可以點(diǎn)擊該對象并能觸發(fā)一定的事件，如圖7所示，為系統(tǒng)激活及操作識別的腳本。

圖7 系統(tǒng)激活及操作識別的腳本Fig．7 Script of system activation and operations identify

具體實(shí)現(xiàn):系統(tǒng)出現(xiàn)提示信息，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)用2D Picking模塊來拾取物體，當(dāng)檢測到拾取的是目標(biāo)對象時(shí)，就用Text Display模塊在通過Get Screen Orign模塊和Subtraction模塊計(jì)算得到的位置顯示一個(gè)綠色圓圈，也就是以鼠標(biāo)位置為中心顯示一個(gè)綠色圓圈［5］。當(dāng)用戶按下鼠標(biāo)左鍵時(shí)，系統(tǒng)拾取物體，并檢測到是目標(biāo)對象，然后用Get Cell模塊從存儲用戶操作次序的數(shù)組中獲取當(dāng)前操作序號。在用戶按下鼠標(biāo)激活場景的同時(shí)也激活Prevent Collision(碰撞檢測)模塊來避免與場景中其他物體的碰撞，Object Slider模塊使被選工具能夠與本組其他物件產(chǎn)生相對滑動(dòng)。

如果符合正確的操作次序，則執(zhí)行Send Message模塊將激活的信息傳遞到相應(yīng)動(dòng)作腳本，動(dòng)作腳本結(jié)束后執(zhí)行判斷“本步驟是否完成”，如圖8所示。

完成操作后用Set As Active Camera模塊重新定位攝影機(jī)的位置，未完成操作同樣使用Get Cell模塊取出操作選擇“跳過”和“觀看正確操作”并結(jié)合Text Display模塊和Set 2D Position模塊顯示在屏幕上固定位置。

圖8 驗(yàn)證本步驟是否完成的腳本Fig．8 Script to validate the completion of this step

5 結(jié) 論

本文利用3D Max的建模技術(shù)和Virtools三維場景管理軟件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三維井控仿真教育培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用將大大提高員工教育培訓(xùn)的效率，縮短培訓(xùn)時(shí)間，降低培訓(xùn)成本，對其他行業(yè)同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)也有一定的借鑒意義。

［1］ 劉明昆．三維游戲設(shè)計(jì)師寶典—Virtools開發(fā)工具篇［M］．成都:四川出版集團(tuán)電子音像出版中心，2005．LIU Mingkun．3 d game designer—The part of Virtools development tool［M］．Chengdu:Sichuan Publishing Group，Electronic Audio and Video Publishing Center，2005．

［2］ Ebert D S，Parent R E．Rendering and animation of gaseous phenomena by combining fast volume and scanline a buffer techniques［J］．ACM Computer Graphics(SIGGRAPH;90)，1990，24(4):357－366．

［3］ 李長山，劉曉明，朱麗萍，等．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2006．LI Changshan，LIU Xiaoming，ZHU Liping，et al．Virtual reality technology and its application［M］．Beijing，Petroleum Industry Press，2006．

［4］ 牟萍．虛擬校園建模、漫游技術(shù)研究及其實(shí)踐［D］．重慶:重慶師范大學(xué)，2006．MU Ping．Modeling and walk through teehnology of studying and praetiseing in virtua lCamPus［D］．Chongqing:Chongqing Normal University，2006．

［5］ Virtools SA．Virtools dev user guide［S］．［s．l．］:Virtools SA，2001．