采油廠安全培訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

徐士凌

摘要： 針對(duì)采油廠傳統(tǒng)安全作業(yè)培訓(xùn)方法成本高、培訓(xùn)效果不佳等問題，本文采用三維模擬仿真技術(shù)對(duì)采油廠安全培訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。文中設(shè)計(jì)了安全培訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成，重點(diǎn)闡述了安全培訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)中虛擬人建模、靜態(tài)事物及動(dòng)態(tài)事物建模等三維場(chǎng)景建模方法，研究解決了虛擬仿真平臺(tái)中層次細(xì)節(jié)及碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐結(jié)果顯示，本平臺(tái)中的交互式操作演練及高度還原的事故案例明顯提高了安全培訓(xùn)的效果，達(dá)到了減少油田培訓(xùn)成本、提高員工安全意識(shí)與操作水平的目的。

Abstract： For the problems of high cost and poor training effect of traditional safety training methods in oil production plant， this paper designs and realizes the virtual simulation platform of safety training in oil production plant by using 3D simulation technology. The virtual human simulation modeling， static and dynamic objects three dimensional scene modeling method are mainly introduced， and the level of detail and collision detection key technologies are solved in this virtual simulation platform. The results of practice show that the interactive operation drill and the highly reduced accident case obviously enhanced the security training effects， reduced the cost of oil field training and improved staff safety awareness and operational level.

關(guān)鍵詞： 三維模擬；虛擬仿真；場(chǎng)景建模；交互式控制

Key words： 3D simulation；virtual simulation；scene modeling；interactive control

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）11-0078-03

0 引言

隨著油田的深入開發(fā)，采油廠在石油開采過程中的各種作業(yè)工藝變得越來越復(fù)雜，安全生產(chǎn)過程中的隱患問題日益突出，安全事故經(jīng)常發(fā)生[1]。因此急需對(duì)石油生產(chǎn)一線的作業(yè)人員進(jìn)行切實(shí)有效的、系統(tǒng)的安全操作技術(shù)培訓(xùn)，特別是一些危險(xiǎn)作業(yè)的操作方法的培訓(xùn)。提高油田工作人員安全技術(shù)水平和預(yù)防、處理事故的能力，對(duì)于石油的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，其中向油田職工展示以往的錯(cuò)誤操作致使石油生產(chǎn)過程中發(fā)生的事故案例非常必要，以此達(dá)到警示的作用。

傳統(tǒng)油田安全操作培訓(xùn)大部分是以文字資料和多媒體課件為主、實(shí)物操作訓(xùn)練為輔的方式進(jìn)行集中培訓(xùn)[2]。這種形式的培訓(xùn)存在很多問題，例如通過書本學(xué)習(xí)的培訓(xùn)方式枯燥無味，實(shí)物操作訓(xùn)練的成本很高，設(shè)備和培訓(xùn)人員的數(shù)量都受到限制，難以控制設(shè)備的操作時(shí)間，由于無法還原事故案例現(xiàn)場(chǎng)，很多事故無法真正再現(xiàn)給培訓(xùn)人員，如果在實(shí)際生產(chǎn)操作中遇到了緊急情況，員工依然是手足無措、容易發(fā)生事故，培訓(xùn)效果不理想，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互式操作訓(xùn)練功能[3，4]。

因此，針對(duì)傳統(tǒng)培訓(xùn)方法的不足，本文借鑒現(xiàn)代化油田安全培訓(xùn)方法，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于采油廠的安全培訓(xùn)中，使用三維模擬仿真技術(shù)，再現(xiàn)采油廠發(fā)生過的事故案例現(xiàn)場(chǎng)，描述每個(gè)案例的經(jīng)過和預(yù)防措施，以人機(jī)交互的方式展現(xiàn)在員工面前，實(shí)現(xiàn)三維的高度仿真效果，使培訓(xùn)者如親臨生產(chǎn)或事故現(xiàn)場(chǎng)。將三維模擬仿真技術(shù)應(yīng)用到油田培訓(xùn)工作中，讓培訓(xùn)者在這個(gè)過程中既能學(xué)習(xí)到正確的操作步驟，又能起到防范的作用，很大程度上解決了油田培訓(xùn)中的困難， 對(duì)油田的安全生產(chǎn)與管理起到積極的推進(jìn)作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采油廠事故案例虛擬仿真平臺(tái)主要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將采油生產(chǎn)事故案例和安全防范措施進(jìn)行仿真，仿真平臺(tái)主要應(yīng)用3DS Max進(jìn)行建模、貼圖和渲染，通過Virtools工具將各個(gè)三維模型按照一定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成，用來組建完整的場(chǎng)景，仿真平臺(tái)可以通過接口如鼠標(biāo)、鍵盤、控制手柄、操縱臺(tái)等輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作、故障處理等來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

本文的虛擬仿真平臺(tái)根據(jù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，可以分為數(shù)據(jù)服務(wù)層，仿真管理層、用戶界面層三個(gè)層次。操作者與系統(tǒng)進(jìn)行交互時(shí)，通過界面顯示層輸入數(shù)據(jù)的訪問請(qǐng)求，通過仿真層中的各種服務(wù)，轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)層的訪問請(qǐng)求，數(shù)據(jù)服務(wù)處理請(qǐng)求后，將結(jié)果通過中間層，返回給界面層輸出。該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采油廠事故案例虛擬仿真平臺(tái)由模擬仿真訓(xùn)練、事故案例再現(xiàn)、應(yīng)急救援措施三個(gè)部分組成。模擬仿真訓(xùn)練主要實(shí)現(xiàn)采油工、電力變電、抽油機(jī)等安全操作的三維仿真，同時(shí)可以自由漫游于井廠配電間等；事故案例再現(xiàn)主要通過三維技術(shù)再現(xiàn)采油廠近些年發(fā)生的典型安全事故案例，并且分析事故原因；事故應(yīng)急救援主要針對(duì)采油廠易發(fā)生的配電失誤、油氣泄露導(dǎo)致爆炸等事故，制作完整的事故應(yīng)急救援三維仿真。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 場(chǎng)景建模

在三維仿真系統(tǒng)中最重要的是場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫的管理與三維模型的建立，整個(gè)場(chǎng)景三維建模過程也就是場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫的建立和管理過程[5]。建立場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫首先要做好前期準(zhǔn)備工作，收集和處理數(shù)據(jù)，并且確定場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫的層次結(jié)構(gòu)，其次是建立三維實(shí)體模型，最后對(duì)模型進(jìn)行集成優(yōu)化并測(cè)試，場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫建立流程圖如圖3所示。

采油廠事故案例虛擬仿真平臺(tái)中的物體模型分為三大類：虛擬人、靜態(tài)物體模型和動(dòng)態(tài)物體模型。虛擬人為供操作人員控制的替身或是與操作人員控制的替身合作完成任務(wù)的助手或監(jiān)護(hù)人等；靜態(tài)物體模型為場(chǎng)景中靜止不動(dòng)的實(shí)體模型，例如房屋、樹木、道路等地形、地物；動(dòng)態(tài)物體模型指的是具有運(yùn)動(dòng)屬性的各種仿真實(shí)體模型，如按鈕、開關(guān)、閥門等[6]。

2.1 虛擬人建模

虛擬人是整個(gè)虛擬仿真平臺(tái)的主體，其中人物模型的建立、人和動(dòng)態(tài)物體間的行為描述對(duì)虛擬仿真平臺(tái)的質(zhì)量起決定性作用。由于虛擬人具有運(yùn)動(dòng)的特性，為了使虛擬人的動(dòng)作看起來更加流暢、更加合理，本平臺(tái)采用曲面細(xì)分建模技術(shù)來構(gòu)建虛擬人的外形，其特點(diǎn)是虛擬人在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的皮膚拉伸和擠壓不會(huì)失真，并且運(yùn)用正向運(yùn)動(dòng)與反向運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)對(duì)人物骨骼的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行虛擬仿真，然后通過蒙皮技術(shù)將人物的外形與骨骼模型進(jìn)行連接最終構(gòu)建了完整的虛擬人。虛擬人的動(dòng)作表現(xiàn)、行為控制、人與物體的交互也是虛擬仿真平臺(tái)的關(guān)鍵問題[7]。

通過對(duì)油田作業(yè)中常見操作活動(dòng)的分析，將油田工人的一個(gè)操作活動(dòng)分解成幾個(gè)基本行為，而每個(gè)基本行為是由幾個(gè)基本動(dòng)作的不同組合完成，現(xiàn)將這些基本動(dòng)作進(jìn)行分類，建立人物動(dòng)作庫，庫中的動(dòng)作包含了操作活動(dòng)的所有基本動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作在語義上是獨(dú)立的，并且具有可重用性和通用性，這樣一個(gè)操作活動(dòng)就可以通過基本動(dòng)作的組合來實(shí)現(xiàn)。

2.2 靜態(tài)物體建模

靜態(tài)建模大部分是通過幾何建模技術(shù)，利用建模工具從形狀以及外觀上對(duì)實(shí)體進(jìn)行模擬，并且通過使用紋理映射等方式來降低模型的復(fù)雜度[8]。根據(jù)井場(chǎng)內(nèi)實(shí)體的位置和重要程度確定建模順序，然后分別對(duì)其進(jìn)行建模，最后進(jìn)行集成。3DS Max建模工具為用戶提供了優(yōu)秀的樹狀層次結(jié)構(gòu)來組織管理模型，并且3DS Max中的圖形操作非常靈活，因?yàn)榭梢詮淖罨镜脑獑挝稽c(diǎn)、線、面等開始建立自己的三維模型，而且建立的所有三維模型都是通過樹形結(jié)構(gòu)組織在一起的。

2.3 動(dòng)態(tài)物體建模

在虛擬仿真平臺(tái)中，閥門的開關(guān)，分離液的流動(dòng)等都屬于動(dòng)態(tài)物體建模。對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模時(shí)，首要任務(wù)就是建立運(yùn)動(dòng)對(duì)象，其方法是在已經(jīng)建好的模型文件中添加自由度節(jié)點(diǎn)，設(shè)立其相應(yīng)的局部坐標(biāo)，并進(jìn)行定位[9]。在本文中通過粒子系統(tǒng)制作分離液和氣體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)效果，來實(shí)現(xiàn)液體、氣體等不規(guī)則物體的模擬仿真。在不規(guī)則物體的建模方法中，相對(duì)來說粒子系統(tǒng)是一種比較好的方法，該方法的特點(diǎn)是能夠用很小的計(jì)算代價(jià)達(dá)到真實(shí)感很強(qiáng)的模擬效果，能充分體現(xiàn)不規(guī)則物體的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性[10，11]。本文中把分離液和被分離出的氣體都定義為粒子，這些粒子是具有生命周期并且是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的，而且粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠被改變，通過動(dòng)態(tài)控制粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)液體和氣體沿著管道內(nèi)壁流動(dòng)的效果。分液的流動(dòng)效果如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 層次細(xì)節(jié)技術(shù)

在本平臺(tái)中采用層次細(xì)節(jié)技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景優(yōu)化，使用一組復(fù)雜程度逐漸增加的層次細(xì)節(jié)模型描述相同的對(duì)象，在場(chǎng)景漫游時(shí)，根據(jù)虛擬人視點(diǎn)距離目標(biāo)實(shí)體模型的遠(yuǎn)近來選擇不同層次的細(xì)節(jié)模型，當(dāng)視點(diǎn)和目標(biāo)實(shí)體的距離較大時(shí)，選用細(xì)節(jié)程度較低的模型，反之則選用細(xì)節(jié)程度高的模型，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)虛擬場(chǎng)景中模型的復(fù)雜度，這種技術(shù)使系統(tǒng)在不影響整體視覺效果的同時(shí)又提高了場(chǎng)景的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)不同視點(diǎn)觀看到復(fù)雜程度不同的模型，建立的四合一罐效果如圖5（a）、（b）所示。

3.2 碰撞檢測(cè)技術(shù)

本文中虛擬平臺(tái)的交互控制主要有系統(tǒng)漫游，控制閥門、開關(guān)等操作，而實(shí)現(xiàn)交互控制的重點(diǎn)就是碰撞檢測(cè)。為了避免平臺(tái)中兩個(gè)不可穿透的物體彼此穿透，所以在虛擬現(xiàn)實(shí)的建模中經(jīng)常會(huì)用到碰撞檢測(cè)技術(shù)。

本文中的碰撞檢測(cè)是根據(jù)兩個(gè)物體的相對(duì)位置計(jì)算它們之間的距離，例如現(xiàn)在進(jìn)行更換法蘭墊片操作，虛擬人需要行走到設(shè)備前，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)虛擬人與設(shè)備的相對(duì)位置，當(dāng)人與設(shè)備的距離L超過系統(tǒng)設(shè)定的距離Ls時(shí)，則不會(huì)發(fā)生碰撞，人繼續(xù)朝著設(shè)備行進(jìn)，當(dāng)L

4 結(jié)論

本文建立了采油廠安全培訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)，通過三維模擬仿真技術(shù)模擬了采油生產(chǎn)過程與典型事故案例的再現(xiàn)事故應(yīng)急。由于在生產(chǎn)崗位中的各種關(guān)鍵設(shè)備，在正常生產(chǎn)情況下是無法看見其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它們的運(yùn)轉(zhuǎn)情況的，培訓(xùn)時(shí)為了能使學(xué)員們了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文在三維軟件中按比例建立了四合一罐實(shí)物的整體和分部模型，建立場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫，然后進(jìn)行整體效果渲染，模擬設(shè)備的運(yùn)行，使學(xué)員有身臨其境之感。

本文中的虛擬仿真平臺(tái)融入了采油廠安全培訓(xùn)的知識(shí)，并且其平臺(tái)的交互性與可操作性極大地增強(qiáng)了培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)效果，提高了操作人員的應(yīng)急處理能力與操作水平，并在很大程度上減小了油田培訓(xùn)的成本，對(duì)于油田的數(shù)字化發(fā)展有很大的意義。

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