井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

李 剛，侯平智

（杭州電子科技大學(xué)一帶一路信息技術(shù)研究院，浙江杭州 310016）

井下安全作業(yè)是油田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中保證油水井正常生產(chǎn)的技術(shù)手段。井下作業(yè)工作為油田生產(chǎn)最前沿的崗位，因其作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，無(wú)法依靠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行系統(tǒng)、有效的安全應(yīng)急技能培訓(xùn)［1］。國(guó)內(nèi)部分高校及研究機(jī)構(gòu)已將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到井下作業(yè)的教學(xué)中，但大多局限在單人模式的人機(jī)交互方面，無(wú)法為用戶(hù)提供支持多人協(xié)作演練的虛擬培訓(xùn)環(huán)境［2-4］。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)沉浸感強(qiáng)、支持多崗位協(xié)同操作訓(xùn)練的井下作業(yè)仿真系統(tǒng)，對(duì)提高井下作業(yè)人員的協(xié)同配合能力、保證生產(chǎn)安全、提高生產(chǎn)效率具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為彌補(bǔ)井下作業(yè)傳統(tǒng)培訓(xùn)方式交互性差、沉浸感弱，且無(wú)法開(kāi)展多崗位協(xié)同演練的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種基于Unity3d游戲引擎的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，分為三層：接口層、數(shù)據(jù)處理層、基礎(chǔ)設(shè)施層，井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)3D建模模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝置，制作3D動(dòng)畫(huà)模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景及通過(guò)仿真設(shè)備模擬現(xiàn)場(chǎng)操作，提供與現(xiàn)場(chǎng)情況高逼真度的仿真操作環(huán)境；學(xué)員可以在該環(huán)境中漫游巡檢，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作，識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源以及接受生產(chǎn)巡檢、安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案的單人或多人協(xié)同的演練培訓(xùn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

1.1 接口層

接口層提供一系列網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口，負(fù)責(zé)與教師端Web網(wǎng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用于學(xué)員登錄身份驗(yàn)證，接收教師端發(fā)布的培訓(xùn)任務(wù)，喚起指定規(guī)程的指定模式，保存學(xué)員考核成績(jī)至教師端數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)處理人機(jī)交互教學(xué)培訓(xùn)業(yè)務(wù)邏輯，由教學(xué)策略、交互邏輯處理器、教學(xué)結(jié)果處理器三個(gè)模塊組成。

教學(xué)策略模塊制定了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的教學(xué)模式。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際教學(xué)任務(wù)需要，將整個(gè)教學(xué)模式分為單人和多人協(xié)同兩大模式，每種模式均由講解、引導(dǎo)、訓(xùn)練以及考核四種基本的策略構(gòu)成。（1）講解：系統(tǒng)會(huì)以三維動(dòng)畫(huà)形式用語(yǔ)音并配合文字對(duì)知識(shí)點(diǎn)或操作流程進(jìn)行講解，在講解過(guò)程中學(xué)員可以進(jìn)行暫停、回放、重放等簡(jiǎn)單操作，無(wú)需與虛擬設(shè)備交互。（2）引導(dǎo)：系統(tǒng)會(huì)將操作員定位到要進(jìn)行交互操作的地方，以語(yǔ)音配合文字提示的形式引導(dǎo)操作員逐步完成當(dāng)前的整套操作任務(wù)。（3）訓(xùn)練：系統(tǒng)給學(xué)員下達(dá)當(dāng)前要訓(xùn)練的操作任務(wù)，不提供自動(dòng)定位和與操作相關(guān)的任何提示，學(xué)員需自主尋找當(dāng)前操作點(diǎn)所在的位置，僅當(dāng)操作學(xué)員完成當(dāng)前步驟后再對(duì)操作結(jié)果給予即時(shí)反饋。（4）考核：考核是培訓(xùn)系統(tǒng)一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)，為檢查學(xué)員對(duì)指定規(guī)程的掌握程度，系統(tǒng)在該模式中增設(shè)考核點(diǎn)，對(duì)學(xué)員的操作步驟實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)判。考核結(jié)束后，系統(tǒng)將學(xué)員考核成績(jī)通過(guò)接口層上傳到服務(wù)器端。

交互邏輯處理器用于處理場(chǎng)景中三維物體所有的點(diǎn)擊事件。判斷學(xué)員是否到達(dá)指定考核點(diǎn)，以及是否按照工序正確點(diǎn)擊指定物體。

教學(xué)結(jié)果處理器用于搜集操作詳情和統(tǒng)計(jì)操作結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)教學(xué)結(jié)果處理器提供的數(shù)據(jù)計(jì)算出考核成績(jī)。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層提供通用的基礎(chǔ)功能模塊，采用Unity3d組件化的設(shè)計(jì)思想，在系統(tǒng)中被數(shù)據(jù)處理層調(diào)用，協(xié)同完成如日志管理、回放管理、異步加載等基礎(chǔ)功能，極大地優(yōu)化了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。Unity3d是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類(lèi)型的互動(dòng)內(nèi)容多平臺(tái)的綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專(zhuān)業(yè)游戲引擎。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬仿真環(huán)境搭建

本系統(tǒng)采用三維建模技術(shù)搭建虛擬仿真環(huán)境，以新疆油田工程技術(shù)公司的通用標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備裝置和工藝，按照實(shí)物真實(shí)比例建模和制作材質(zhì)，應(yīng)用主流三維軟件（Maya/3DMax等）高度還原真實(shí)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，縮減學(xué)員從課程學(xué)習(xí)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操的適應(yīng)周期。小修作業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與仿真場(chǎng)景對(duì)比如圖2所示。

圖2 小修作業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與仿真場(chǎng)景對(duì)比Fig.2 Comparison between production site and simulation scene of minor repair operation

2.2 場(chǎng)景渲染優(yōu)化策略

三維場(chǎng)景中包含了大量的三維模型需要實(shí)時(shí)渲染，為了保證美術(shù)效果和保持幀率，系統(tǒng)綜合采用靜態(tài)批處理技術(shù)、光照貼圖技術(shù)、LOD（多層次細(xì)節(jié)）技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)化技術(shù)。采用靜態(tài)批處理方式將場(chǎng)景中眾多渲染材質(zhì)相同的模型合并為一個(gè)更大的渲染對(duì)象進(jìn)行渲染，提高渲染性能。光照貼圖技術(shù)是一種增強(qiáng)靜態(tài)場(chǎng)景光照效果的技術(shù)，將光線效果預(yù)渲染成貼圖應(yīng)用到多邊形上模擬光影效果，降低場(chǎng)景渲染時(shí)的性能消耗。LOD技術(shù)則根據(jù)場(chǎng)景模型的復(fù)雜程度和人體視覺(jué)特點(diǎn)，簡(jiǎn)化遠(yuǎn)距離幾何體的繪制，增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)感［5］。場(chǎng)景渲染優(yōu)化后效果如圖3所示。

圖3 小修作業(yè)場(chǎng)景渲染優(yōu)化后效果圖Fig.3 Rendering of minor repair scene after optimization

2.3 多人協(xié)同演練的實(shí)現(xiàn)

為彌補(bǔ)單人模式下無(wú)法實(shí)現(xiàn)多崗位協(xié)同操作訓(xùn)練的缺陷，本系統(tǒng)利用Unity序列工具Timeline及Mirror網(wǎng)絡(luò)同步框架，設(shè)計(jì)了一種基于TCP/IP通信協(xié)議的多人協(xié)同演練模式。Timeline是一個(gè)線性編輯工具，是不同元素序列化的載體，包括動(dòng)畫(huà)剪輯、音頻、虛擬攝像機(jī)、粒子特效等。通過(guò)編寫(xiě)自定義的腳本軌道（Track），實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和三維動(dòng)畫(huà)播放等功能。如圖4所示，使用Cinemachine軌道控制人物位置，在Check Point軌道上設(shè)置檢查點(diǎn)，檢測(cè)學(xué)員的操作是否符合規(guī)范等。

圖4 Timeline時(shí)間軸技術(shù)Fig.4 Timeline technology

Mirror是Unity用于構(gòu)建多人游戲的基于Unet的新版網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，框架簡(jiǎn)潔、可維護(hù)性強(qiáng)。在局域網(wǎng)中，Timeline時(shí)間線順序掃描各崗位CheckPoint軌道上的檢查點(diǎn)，Mirror將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層TCP/IP協(xié)議同步至其他崗位Timeline中對(duì)應(yīng)的檢查點(diǎn)，使不同崗位的Timeline始終保持同步播放狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)多崗位操作同步。Mirror實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同原理如圖5所示。用戶(hù)可以以較高的自由度使用鼠標(biāo)鍵盤(pán)同三維場(chǎng)景中的各種虛擬設(shè)備進(jìn)行基本的交互，體驗(yàn)各種不同的操作任務(wù)，配合完成井下及井控的各項(xiàng)操作，增強(qiáng)學(xué)員的協(xié)同配合能力。

圖5 Mirror實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同原理圖Fig.5 Schematic diagram of multi person collaboration realized by mirror

3 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在小修作業(yè)溢流關(guān)井中的應(yīng)用

小修作業(yè)指井下作業(yè)中對(duì)油氣井的修理和維護(hù)，其基本方法是以起下油管為手段，將井中工具通過(guò)油管起出后，進(jìn)行檢泵、換封等作業(yè)。在起下管柱時(shí)，井內(nèi)壓力平衡受不同因素影響遭到破壞而出現(xiàn)溢流，作業(yè)隊(duì)需按照應(yīng)急預(yù)案協(xié)同配合迅速完成關(guān)井操作，防止井噴［6］。以小修作業(yè)中溢流時(shí)關(guān)井操作為例，在發(fā)生溢流時(shí)，各崗位應(yīng)在班長(zhǎng)指揮下依次完成發(fā)出信號(hào)、停止起下作業(yè)、搶裝旋塞、打開(kāi)放噴閥，關(guān)防噴器和旋塞、關(guān)放噴閥、讀取壓力七步操作。起下作業(yè)時(shí)溢流關(guān)井流程如圖6所示。

圖6 起下作業(yè)時(shí)溢流關(guān)井流程圖Fig.6 Flow chart of overflow shut in during tripping operation

3.1 操作步驟

學(xué)員登錄培訓(xùn)系統(tǒng)后，選擇小修作業(yè)溢流關(guān)井規(guī)程。初次學(xué)習(xí)該規(guī)程時(shí)，需在單人講解模式下熟悉起下作業(yè)發(fā)生溢流時(shí)的關(guān)井工序。在引導(dǎo)模式中跟隨系統(tǒng)指引，與場(chǎng)景中的虛擬仿真設(shè)備交互，如使用管鉗擰開(kāi)油管、使用扳手關(guān)閉旋塞、操作修井機(jī)起降等，體驗(yàn)沉浸式的仿真教學(xué)；接著在訓(xùn)練模式中進(jìn)行關(guān)井操作訓(xùn)練；訓(xùn)練結(jié)束后，在考核模式下完成對(duì)個(gè)人關(guān)井操作的檢查。

系統(tǒng)在接收到教師端發(fā)布的溢流關(guān)井多人培訓(xùn)任務(wù)后，開(kāi)啟多人協(xié)同演練模式。在局域網(wǎng)中，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)號(hào)將學(xué)員分配至指定房間，同組成員按照不同崗位職責(zé)分工，選擇好崗位后，協(xié)同完成溢流關(guān)井操作的訓(xùn)練或考核，見(jiàn)圖7。

圖7 井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使用流程Fig.7 Application process of downhole operation simulation training system

3.2 效果評(píng)價(jià)

井下作業(yè)虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，已在中國(guó)石油新疆培訓(xùn)中心的師生中開(kāi)展應(yīng)用。在井下小修作業(yè)溢流關(guān)井操作的教學(xué)中，2019級(jí)井下作業(yè)1班采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，2班采用仿真平臺(tái)教學(xué)方式，并組織現(xiàn)場(chǎng)模擬考核。綜合兩個(gè)班級(jí)學(xué)員的學(xué)習(xí)耗時(shí)、操作錯(cuò)誤率、考核成績(jī)對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，采用虛擬仿真培訓(xùn)方式，可有效提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率、降低操作錯(cuò)誤率。

表1 不同教學(xué)模式下考核結(jié)果Tab.1 Assessment results under different teaching modes

4 結(jié) 語(yǔ)

井下作業(yè)培訓(xùn)是為中國(guó)石油提供高技能人才的必要途徑，而傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)因其技術(shù)陳舊、仿真效果差，已不能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)代化背景下的教學(xué)要求。本文將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于井下作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)中，解決了傳統(tǒng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)虛擬沉浸感弱且無(wú)法實(shí)現(xiàn)多崗位協(xié)同演練的問(wèn)題，有效地促進(jìn)了學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果，為未來(lái)油田培訓(xùn)系統(tǒng)的改革拓展一個(gè)新的思路。