譚紅 何軍 徐揚 張瑛茵 張雪瑩

【摘? 要】高效的安全培訓能提高石油行業(yè)員工的專業(yè)技能，是確保天然氣場站安全運行的重要措施之一。論文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了天然氣采氣場站仿真培訓平臺，應用結(jié)果表明該平臺實現(xiàn)了在虛擬場景中開展巡檢培訓，為企業(yè)員工安全培訓提供了嶄新模式。

【Abstract】Efficient safety training can improve the professional skills of oil industry employees， which is one of the important measures to ensure the safe operation of natural gas station. Based on virtual reality technology， this paper designs and develops a simulation training platform for natural gas production station. The application results show that the platform realizes the development of inspection training in virtual scene， and provides a new mode for safety training of enterprise employees.

【關(guān)鍵詞】天然氣場站;VR技術(shù);培訓平臺

【Keywords】natural gas station; VR technology; training platform

【中圖分類號】TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0194-03

1 引言

由于高含硫氣井的高風險性和不斷深入開發(fā)，傳統(tǒng)的事故應急演練培訓方式已無法更好地滿足天然氣安全生產(chǎn)的培訓需求。為了彌補傳統(tǒng)培訓的弊端，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實際操作培訓相融合，設(shè)計并開發(fā)出了天然氣場站培訓平臺。不僅能夠在沉浸式的虛擬場景中開展場站的日常巡檢和應急處置演練，同時，也避免了重復培訓和資金、人力的投入，其應用有利于企業(yè)提高安全管理水平。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）是利用計算機模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感，從而實現(xiàn)人機交互。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下三個主要特性[1]：

多感知性：指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，等等。

交互性：指操作在虛擬環(huán)境所遇到的各種對象相互作用的能力。操作者能夠像在自然環(huán)境中一樣行走、拿取物件，甚至進行一些專業(yè)的操作，同時，虛擬環(huán)境能給出與真實環(huán)境相同的反饋。

動作性：要求操作者以客觀熟悉的方式在虛擬世界中操作，讓其感受到眼前的是一個真實的環(huán)境。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

天然氣采氣場站仿真培訓平臺是參照真實高含硫天然氣場站設(shè)備設(shè)施及實際工況而搭建的一個虛擬場景，利用該系統(tǒng)可以對員工開展站場巡檢要點培訓、考核和緊急情況應急處置考核兩大功能[2]。

3.1 系統(tǒng)特點

①高度還原，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)高度還原真實場站原貌;

②交互性強，刻錄站場各類工況數(shù)據(jù)真實，操作者可與虛擬設(shè)備互動;

③考核前可由教師自由選擇障礙點及考核內(nèi)容，測試學員掌握情況;

④事故場景模擬逼真，如泄漏、煙霧、爆炸、燃燒等;

⑤對每個操作步驟后臺賦予相應分值，考試時系統(tǒng)自動計分，利于成績對比分析;

⑥可擴展性強，后續(xù)可拓展開發(fā)多場站、多角色聯(lián)動應急處置等。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)虛擬仿真技術(shù)需求，將整個構(gòu)架分為以下幾個部分搭建[3]。

3D建模：按1：1的比例復原整個天然氣場站原貌，模擬真實生產(chǎn)運行參數(shù)，初步實現(xiàn)場景搭建（圖1）。

UI設(shè)計：UI設(shè)計是指對軟件的人機交互、操作邏輯、界面美觀的整體設(shè)計。需要在編碼之前做好交互設(shè)計，確立交互模型、交互規(guī)范。

巡檢要點及應急演練腳本設(shè)計：本系統(tǒng)設(shè)計了一個典型高含硫場站應包含的關(guān)鍵巡檢點及其巡檢內(nèi)容要求，開發(fā)了多個泄漏程度條件下的應急處置腳本，整理了對應操作的邏輯關(guān)聯(lián)順序、判定條件和嚴密的計分規(guī)則（圖2）。

交互性能開發(fā)：交互性是本平臺的核心，專業(yè)特點與虛擬現(xiàn)實技術(shù)充分結(jié)合，同時，保證其穩(wěn)定性。包括以下方面[4]：

①閥門儀表操作：還原閥門的開關(guān)變化及其引起的壓力等儀表讀數(shù)變化，高精度模擬場站操作效果;

②泄漏、爆炸場景：真實模擬出站場在發(fā)生氣體泄漏和爆炸時的視覺與聽覺效果，配置嚴密的程序邏輯，達到操作思維和感官反饋與現(xiàn)實基本一致;

③工具選擇：實現(xiàn)工具日常的使用功能，實現(xiàn)即選即用，方便直觀;

④視覺追蹤與切換：實現(xiàn)視覺基本功能，同時，結(jié)合用戶輸入，實現(xiàn)多視覺追蹤和切換;

⑤教師端功能：實現(xiàn)考核選擇、畫面角度控制、考核得分查詢等，全方位掌握整個平臺;

⑥數(shù)據(jù)通信：本軟件教學部分采用C/S軟件體系結(jié)構(gòu)，成績查詢采用B/S框架設(shè)計。

4 系統(tǒng)平臺關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)表現(xiàn)為硬件模擬系統(tǒng)真實生動;軟件系統(tǒng)操作簡單方便、功能完善等特點。在系統(tǒng)無真實介質(zhì)的情況下，軟硬件相互補充，使整個系統(tǒng)操作更加準確、逼真[5]。

4.1 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

建立天然氣場站生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸等一致的工藝系統(tǒng)。由于虛擬仿真系統(tǒng)沒有介質(zhì)流動無法通過傳感設(shè)備提供實時的壓力流量變化，所以在本系統(tǒng)中對閥門操作采取預設(shè)模擬。通過對不同閥門（多圈閥門、90°開關(guān)閥門、電動閥門、安全閥等）開度設(shè)計，采用不同方法實現(xiàn)閥門信號多級感知，實現(xiàn)相應的壓力、流量等生產(chǎn)工況變化。

4.2 軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

建立應急處置各操作步驟內(nèi)在邏輯關(guān)系，嚴密計分規(guī)則，避免系統(tǒng)漏洞。采取雙人角色（班長、班員）同時考核，不同職責存在不同分工（下達應急指令、語音匯報、應急處置分工等），計分規(guī)則嚴格遵循相對應的崗位職責。

由于在虛擬空間沒有物體的真實握感，在操作某些相對復雜的工具時會比較困難，對此本系統(tǒng)簡化了部分工具的使用過程，但保留其用途及使用效果，讓測試者的精力和時間花在應急處置程序上。

5 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)可分為教師端和操作端考核兩大功能。

5.1 教師端功能

考核教師在考試前可自主選擇員工的考核內(nèi)容或者考核中出現(xiàn)的障礙，考試開始后可全程任意捕捉角度畫面并進行打分，考核成績會傳輸?shù)浇處煻撕头掌?，考試結(jié)束后可以查詢操作端考生的錯誤操作事項以及過往成績對比。

5.2 日常巡檢培訓及考核

將高含硫場站日常巡檢要點植入，人員靠近某一設(shè)備區(qū)域?qū)⒆詣訌棾霰驹O(shè)備相關(guān)信息。對所有需要巡檢的設(shè)備儀表都賦予分值，得分條件也與日常巡檢要求相同（如檢查儀表視線要三點一線，輕敲儀表，系統(tǒng)的計分規(guī)則也是如此），員工可“真實”開展巡檢，查詢巡檢得分情況。新入廠員工在感知和觸摸的環(huán)境中學習更能激發(fā)參與感，迅速掌握基本技能（圖3）。

5.3 多種泄漏條件下的應急演練考核

系統(tǒng)設(shè)置了多種泄漏點，允許雙人（一個班長、一個班員）開展演練考核。泄漏點可能需要在巡檢中發(fā)現(xiàn)，也可能是接到突發(fā)報警信號，員工需要判斷泄漏點位置以及泄漏大小等情況，采取相應的處置措施，整個處置過程的語音匯報、應急操作由兩人協(xié)作完成，計入總成績，考核時間30min，超時自動結(jié)束考核。

在現(xiàn)場操作錯誤時，會引起設(shè)備起火爆炸等極端后果（圖4），考核會自動結(jié)束并打分。

6 結(jié)語

本VR培訓軟件在重慶某天然氣公司員工個人能力培訓中逐漸推廣。按照虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則開發(fā)，讓培訓資源多樣化，減少了培訓資金投入，解決企業(yè)生產(chǎn)過程中不方便依靠生產(chǎn)裝置進行的培訓需求，有利于企業(yè)員工將傳統(tǒng)理論知識轉(zhuǎn)化為實際操作技能。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)開啟了三維應急仿真演練的新紀元，接下來我們將進一步探索，著力對天然氣行業(yè)復雜設(shè)備仿真培訓系統(tǒng)資源進行開發(fā)。

【參考文獻】

【1】王娜，沈力，鄧舒平.VR虛擬現(xiàn)實在電力安全生產(chǎn)教育培訓中的應用[J].通訊電源技術(shù)，2017（34）：166-169.

【2】葛銘，朱一龍，魏江，等.石油化工沉浸式3D仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與應用化學，2017（34）：491-496.

【3】李曉東，曲本全，陳暉，等.虛擬仿真軟硬件技術(shù)在實踐教學的應用與探索[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（3）：130-137.

【4】許靜，曹揚.基于VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電力安全與操作虛擬培訓系統(tǒng)研究與應用[J].智庫時代，2017（16）：177-178.

【5】吳元忠.基于VR技術(shù)的電力安全執(zhí)規(guī)方針系統(tǒng)開發(fā)[J].通訊電源技術(shù)，2018，35（2）：23-26.