解析基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維輸氣管道仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道中原輸油氣分公司德州培訓(xùn)基地 山東 德州 253020

當(dāng)前,我國(guó)管道業(yè)務(wù)的發(fā)展進(jìn)程十分快速,其技術(shù)的進(jìn)步也十分顯著,這使得管道業(yè)務(wù)的培訓(xùn)工作面臨著越發(fā)顯著的挑戰(zhàn)?；诖它c(diǎn),迫切需要建立一個(gè)完備的學(xué)習(xí)指導(dǎo)平臺(tái),能夠有效的去提升作業(yè)人員對(duì)于技術(shù)與設(shè)備的使用熟練度,進(jìn)而提升管道業(yè)務(wù)的質(zhì)量。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)前最為流行的科學(xué)技術(shù)之一,是一種綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體學(xué)、傳感學(xué)、遙感學(xué)以及仿真學(xué)的人工智能性的技術(shù),其實(shí)質(zhì)是一種系統(tǒng)仿真技術(shù)的進(jìn)一步產(chǎn)物。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠好地將人類與實(shí)際自然之間提供一種互通的體驗(yàn)接口,利用虛擬環(huán)境的現(xiàn)實(shí)模擬,能夠更好地將實(shí)現(xiàn)人們對(duì)于事實(shí)體環(huán)境的操作,通過改變虛擬的環(huán)境,進(jìn)而達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)改變現(xiàn)實(shí)的最終目的。此類的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)如今的二維計(jì)算機(jī)世界變成三維立體的世界,更具有感知性、沉浸感、構(gòu)想性[1]等色彩,徹底改變了原有的二維世界。

二、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)場(chǎng)景的模型構(gòu)建。對(duì)于三維立體的場(chǎng)景模型構(gòu)建,當(dāng)是選用3DMax等幾何建模的軟件,分場(chǎng)景構(gòu)建虛擬的輸氣管道仿真,以更細(xì)致的場(chǎng)景構(gòu)建來達(dá)到培訓(xùn)的效果。

(二)三維引擎的查看。三維引擎的查看是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)投入使用的核心工具,建設(shè)完整體的建模場(chǎng)景后,需要進(jìn)行整體的查漏補(bǔ)缺,反復(fù)測(cè)試虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)之間的偏差,以此來達(dá)到更高的仿真效果。而現(xiàn)在市面上有很多類似的3D引擎,具有渲染效果、用戶制定以及版本的擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)的引擎便是Unity3D[2]。

(三)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。該平臺(tái)仿真系統(tǒng)從功能方面主要實(shí)現(xiàn)了沉浸式的虛擬訪問、輸氣站三維交互的操作,能夠通過AR等三維投影的設(shè)備進(jìn)行全景的展示。

(四)平臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)布。當(dāng)仿真系統(tǒng)開發(fā)完成后,需要將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行線下的測(cè)試,進(jìn)行系統(tǒng)的打包上傳,當(dāng)內(nèi)部用戶和開發(fā)員進(jìn)行完整測(cè)試后,進(jìn)行系統(tǒng)的上線,進(jìn)而使得其他用戶進(jìn)行系統(tǒng)的使用,避免更多的漏洞出現(xiàn)。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)的架構(gòu)

(一)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。該虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是C/S模式,僅用于企業(yè)內(nèi)部的培訓(xùn),按照C/S的架構(gòu)設(shè)置服務(wù)器與培訓(xùn)終端,在其終端位置設(shè)置相應(yīng)的培訓(xùn)系統(tǒng)軟件與模型,其主界面是由終端位置進(jìn)行完成,交換數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行傳輸交互,同時(shí)也可以設(shè)置相關(guān)的遠(yuǎn)程訪問功能,對(duì)于已經(jīng)授權(quán)的用戶也可以在B/S的模式下進(jìn)行遠(yuǎn)程的訪問。

(二)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。該虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)通過集成軟件平臺(tái)[3]、三維建模平臺(tái)、三維引擎平臺(tái)、仿真系統(tǒng)平臺(tái)、多媒體播放品臺(tái)以及控制平臺(tái)等所構(gòu)成,也可以實(shí)現(xiàn)多種用戶平臺(tái)的功能。

四、三維管道仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

(一)基于虛擬場(chǎng)景的漫游技術(shù)?；谔摂M場(chǎng)景的漫游技術(shù)通常將已經(jīng)搭建好的三維場(chǎng)景進(jìn)行導(dǎo)入,通過簡(jiǎn)單地設(shè)置進(jìn)行基礎(chǔ)性的漫游,為開發(fā)虛擬場(chǎng)景的用戶節(jié)省了大部分的時(shí)間與費(fèi)用。而對(duì)于三維管道的仿真培訓(xùn)系統(tǒng),其模型的搭建是最艱難的環(huán)節(jié),其模型構(gòu)建的越復(fù)雜,其觀測(cè)漫游的實(shí)時(shí)效果也就越差。這主要是其虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)視野發(fā)生變化后人眼的場(chǎng)景也會(huì)隨之變化,而目前的漫游軟件難以達(dá)到復(fù)雜場(chǎng)景繪制的速度需要,因此這就需要去削減其管道的復(fù)雜性,但是又會(huì)讓用戶跳脫出真實(shí)感?；诖它c(diǎn),就需要在復(fù)雜度與測(cè)繪度進(jìn)行一個(gè)折中的決策,以此來更好的實(shí)現(xiàn)三維管道的仿真。

(二)基于虛擬場(chǎng)景的圖像顯示技術(shù)。對(duì)于三維管道仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)還包含著圖像的顯示技術(shù),這類的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)于建模的真實(shí)感要求十分高,因此,其圖像的顯示技術(shù)也在不斷地升級(jí)之中,從建模的圖像中抽出紋理和光照的信息,進(jìn)而快速構(gòu)建出真實(shí)感的模型,加上真實(shí)的建模參數(shù),使得其建模的圖像顯示更加真實(shí),更利于全方位的3D漫游。

(三)圖形紋理映射的技術(shù)。圖形的紋理映射技術(shù)適用于生成物體表面的紋理細(xì)節(jié),是真實(shí)圖感的一種組成部分,也是計(jì)算機(jī)科學(xué)的主要研究方向之一。它包含著二維紋理和三維紋理,而對(duì)于管道的紋理映射則是三維紋理,通過對(duì)真實(shí)的管道進(jìn)行逐層的圖形分解,能夠有效的去深入管道表面細(xì)節(jié)之處,但是這所需要的內(nèi)存空間十分巨大,也會(huì)影響其運(yùn)行的內(nèi)存速度,其圖像的紋理處理也會(huì)很慢。

五、三維管道仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)方式

(一)管道場(chǎng)景的漫游。虛擬仿真的培訓(xùn)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的便是三維的管道場(chǎng)景構(gòu)建,而這類的虛擬場(chǎng)景圖景便是管道,這類細(xì)節(jié)的建模能夠很好地讓運(yùn)作人員對(duì)管道進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的觀測(cè)與操作,能夠更深入地去了解與研究管道的結(jié)構(gòu),進(jìn)而提升運(yùn)作人員的培訓(xùn)效果。

(二)三維交互式操作。這款的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中最能夠幫助提升培訓(xùn)質(zhì)量與效果的便是三維的交互式操作,能夠?qū)F(xiàn)實(shí)中的管道問題進(jìn)行模擬,讓運(yùn)作人員進(jìn)行虛擬的操作,且當(dāng)實(shí)際的管道出現(xiàn)問題后,也可以通過相關(guān)的參數(shù)收集,先進(jìn)行管道的模擬修復(fù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的狀況,確定好最佳的解決方案,進(jìn)而提升實(shí)際的操作效果。

結(jié)束語

綜上所述,伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)深入各大工業(yè)的領(lǐng)域之中,能夠?qū)⒑芏喱F(xiàn)實(shí)中不容許失敗的操作進(jìn)行虛擬化的多次演練,進(jìn)而提升其實(shí)際操作的成功性,就拿三維管道的仿真而言,其培訓(xùn)系統(tǒng)的推出,能夠很好的解決當(dāng)前管道運(yùn)作人員所存在的問題,也能夠進(jìn)一步提升他們的專業(yè)技能。