空井筒軟關(guān)井操作仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計

周正健 侯平智

（杭州電子科技大學(xué)一帶一路研究院，浙江杭州 310016）

0.引言

井下作業(yè)是油田勘探開發(fā)過程中保證油水井正常生產(chǎn)的技術(shù)手段。伴隨著油田勘探開發(fā)工藝和技術(shù)的不斷升級，石油開發(fā)作業(yè)的操作工藝越來越復(fù)雜，由于不合理的操作引發(fā)安全事故的問題也越來越多，如何培訓(xùn)出具有專業(yè)水準(zhǔn)的在崗工人，保證企業(yè)安全生產(chǎn)，成為當(dāng)前油田勘探開發(fā)領(lǐng)域的一個重要課題[1]。為了提高井下作業(yè)操作的培訓(xùn)效果，帶給學(xué)員更加真實(shí)的體驗(yàn)，開發(fā)出一套空井筒軟關(guān)井仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)勢在必行。文獻(xiàn)[2]針對油田儲運(yùn)過程中的機(jī)械清罐作業(yè)培訓(xùn)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)；文獻(xiàn)[3]針對電纜射孔工藝開發(fā)出了一套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，上述文獻(xiàn)雖然開發(fā)了一套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，但是都不針對空井筒軟關(guān)井操作工藝，難以用于井下作業(yè)關(guān)井操作培訓(xùn)。本文結(jié)合實(shí)際工藝需求，設(shè)計開發(fā)出了一套基于Unity3D三維開發(fā)引擎的空井筒軟關(guān)井操作仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計采用了組件化架構(gòu)思路，實(shí)現(xiàn)了三維動畫演示、單人模擬演練、多人交互演練、多人交互考核評測等功能，隨著仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)逐步得到應(yīng)用，會有效提高空井筒軟關(guān)井操作培訓(xùn)的效果，這對完善油田勘探開發(fā)領(lǐng)域的仿真教學(xué)有著重要意義。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前的空井筒軟關(guān)井的培訓(xùn)教學(xué)，大都采用老師課堂授課講述操作流程，輔助學(xué)員現(xiàn)場參觀，培訓(xùn)方法存在學(xué)員沉浸感不足和不能隨時進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練的缺點(diǎn)，針對存在的問題，本文設(shè)計并開發(fā)了一套空井筒軟關(guān)井仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為3個層次：顯示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層。

（1）顯示層。主要包括PC端的電腦，老師和受訓(xùn)學(xué)員操作安裝有該系統(tǒng)的電腦，登錄自己的賬號即可進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)。（2）業(yè)務(wù)層。主要包括4部分，分別是三維動畫演示、單人演練業(yè)務(wù)、多人交互演練業(yè)務(wù)、多人交互考核業(yè)務(wù)。三維動畫演示主要為通過讓學(xué)員觀看空井筒軟關(guān)井操作視頻，了解操作流程和各崗位的任務(wù)；單人演練的目的是讓學(xué)員扮演具體某個崗位在流程中進(jìn)行操作，進(jìn)一步加深對關(guān)井流程的了解；多人交互演練業(yè)務(wù)中，關(guān)井操作的5個崗位均需要學(xué)員來操作，每位學(xué)員都需要正確完成自己的操作，關(guān)井流程才可以繼續(xù)，當(dāng)學(xué)員操作錯誤次數(shù)超過3次后，系統(tǒng)會為學(xué)員演示正確的操作；當(dāng)學(xué)員對空井筒軟關(guān)井操作有了充分了解后，可以使用多人交互考核業(yè)務(wù)進(jìn)行考核，系統(tǒng)判斷學(xué)員操作正確與否進(jìn)行打分。（3）數(shù)據(jù)層。用來儲存學(xué)員和老師的賬號信息、演示的三維動畫、音頻資源及仿真場景中的模型數(shù)據(jù)。

2.系統(tǒng)開發(fā)流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

系統(tǒng)的開發(fā)流程共分為工藝考察、三維建模、搭建實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、系統(tǒng)測試4部分，系統(tǒng)的開發(fā)流程圖如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程圖

（1）工藝考察以實(shí)際油田勘探開發(fā)現(xiàn)場為依據(jù)，了解空井筒軟關(guān)井操作所需要的場景和設(shè)備，熟悉各崗位的分工，著重考察空井筒軟關(guān)井操作的工藝流程，以流程中的重要操作作為考核模塊中的得分點(diǎn)。（2）三維建模主要使用3dsMax軟件，將空井筒軟關(guān)井操作所需的場景、設(shè)備、工人模型建模，將搭建好的模型以“.fbx”格式導(dǎo)入到Unity3D軟件中，之后使用這些模型搭建和完善操作場地。（3）搭建實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要包括動畫制作、碰撞檢測、交互控制、腳本編寫4部分，其中動畫制作目的是將整個空井筒軟關(guān)井操作工藝以三維動畫的形式展示給參加培訓(xùn)的學(xué)員。碰撞檢測技術(shù)解決了防止系統(tǒng)中運(yùn)動的物體發(fā)生彼此穿透的現(xiàn)象。交互控制可以將空井筒軟關(guān)井操作過程中的設(shè)備參數(shù)、專業(yè)知識等信息通過聲音、視頻等方式傳遞給學(xué)員，提高了仿真的真實(shí)性。（4）系統(tǒng)測試需要完成實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能的測試及修改，之后將系統(tǒng)資源打包發(fā)布。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）碰撞檢測技術(shù)。在空井筒軟關(guān)井仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)交互功能，于是就產(chǎn)生了碰撞檢測問題。在空井筒軟關(guān)井操作工藝中，如果不采用碰撞體檢測技術(shù)，就會產(chǎn)生在系統(tǒng)中運(yùn)動的兩個物體發(fā)生彼此穿透的現(xiàn)象，同時學(xué)員在操控虛擬崗位工人在場景中運(yùn)動時，也需要碰撞檢測技術(shù)來避免穿透場景中的模型和飛入地下的情況。具體使用起來，我們需要使用Unity3D為場景中的設(shè)備模型添加Mesh Renderer腳本和Mesh Collider腳本，如圖2、圖3所示，這樣設(shè)備模型就成為了網(wǎng)格碰撞體，在交互操作中，不會出現(xiàn)兩個模型相互穿透的現(xiàn)象，而是當(dāng)兩個物體相遇時，就會停止再繼續(xù)運(yùn)動。

圖2 Mesh Renderer腳本

圖3 Mesh Collider腳本

（2）交互技術(shù)。交互技術(shù)的使用，解決了學(xué)員通過鼠標(biāo)和鍵盤設(shè)備來控制仿真系統(tǒng)中的虛擬工人進(jìn)行空井筒軟關(guān)井操作的問題。在空井筒軟關(guān)井操作進(jìn)行過程中，需要多個崗位的工人位于場景中的不同位置進(jìn)行操作，在完成了某項(xiàng)操作之后，需要手勢通知其他崗位的工人，因此引入了交互技術(shù)。學(xué)員可以操作鍵盤上的“W”“A”“S”“D”4個鍵來控制人物的移動，空格鍵控制人物的跳躍，字母“C”鍵控制下蹲動作，按下鼠標(biāo)右鍵可以轉(zhuǎn)動視角，鼠標(biāo)左鍵可以點(diǎn)擊物體。交互技術(shù)的使用可以有效地提高學(xué)員使用系統(tǒng)時的互動性和真實(shí)性。

3.應(yīng)用

將空井筒軟關(guān)井操作仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用于空井筒軟關(guān)井操作培訓(xùn)中，空井筒軟關(guān)井操作共需要五個操作崗位，其中班長負(fù)責(zé)流程的把握，指揮其他工人進(jìn)行操作，操作手負(fù)責(zé)操作修井機(jī)油車大勾的起降，一崗和二崗位于防噴器兩側(cè)進(jìn)行關(guān)井操作，三崗位于節(jié)流管匯位置，進(jìn)行放噴閥門的開關(guān)?？站曹涥P(guān)井操作仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用，大大提高了井下作業(yè)中空井筒軟關(guān)井操作培訓(xùn)的效果，帶給學(xué)員更加真實(shí)的體驗(yàn)，節(jié)約了培訓(xùn)時間，降低了培訓(xùn)成本。

4.總結(jié)

結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，本文設(shè)計并開發(fā)了一套空井筒軟關(guān)井操作仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體采用模塊化的設(shè)計思路，以實(shí)際石油開采現(xiàn)場的空井筒軟關(guān)井工藝為基礎(chǔ)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和交互技術(shù)將流程完整實(shí)現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)了三維動畫演示、單人演練業(yè)務(wù)、多人交互演練業(yè)務(wù)、多人交互考核業(yè)務(wù)等模塊功能。通過對系統(tǒng)的測試，該系統(tǒng)運(yùn)行流暢，性能穩(wěn)定可靠，可以將抽象的關(guān)井流程直觀、形象地展現(xiàn)給參加培訓(xùn)的學(xué)員，大大地激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高教學(xué)質(zhì)量和培訓(xùn)效率，具有較高的推廣價值。在后續(xù)的開發(fā)中，我們將繼續(xù)優(yōu)化該系統(tǒng)，提高空井筒軟關(guān)井操作仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的真實(shí)性和沉浸感，進(jìn)一步提高學(xué)員的培訓(xùn)體驗(yàn)。