基于VR的海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張健庚 賀保衛(wèi) 張 健 胡麗麗

（1.中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266520；2.青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266061）

0 引言

海洋平臺(tái)在石油勘探、開發(fā)過程中占據(jù)非常重要的位置。石油開采過程中，各種作業(yè)工藝越來越復(fù)雜，主要包括如何使鉆井工人快速而且正確地掌握安全操作以及當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障后如何快速進(jìn)行診斷[1]。由于海洋平臺(tái)作業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動(dòng)化程度也越來越高，設(shè)備中各種元器件相互聯(lián)系、相互依賴，因此這就增大了設(shè)備故障診斷的難度[2]，對(duì)平臺(tái)作業(yè)來說，能否及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行快速診斷并排除故障[3]是非常重要的。

建立海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)可以克服地域和時(shí)間的限制，實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程診斷。遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)涉及多學(xué)科工作組的協(xié)同作業(yè)，可以有效地提高工作效率和成果的準(zhǔn)確性，同時(shí)利用專家決策技術(shù)搭建系統(tǒng)性平臺(tái)，為存在的問題提出有效的解決方案。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該文根據(jù)海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)文件，充分結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)維實(shí)際工況和遠(yuǎn)程運(yùn)維的迫切需求，設(shè)計(jì)了一套基于VR的海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，該系統(tǒng)共包括系統(tǒng)軟件、視景顯示、網(wǎng)絡(luò)通信、接口采集、音響報(bào)警以及輔助診斷6個(gè)部分。系統(tǒng)利用接口采集模塊實(shí)時(shí)采集海洋平臺(tái)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，在終端打包處理后，通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)傳到岸端，在系統(tǒng)軟件、視景顯示模塊中進(jìn)行仿真與顯示，通過音響報(bào)警模塊在仿真系統(tǒng)中為運(yùn)維人員提供身臨其境的聽覺感受，并在該基礎(chǔ)上通過輔助診斷系統(tǒng)形成專家決策，從而完成整個(gè)遠(yuǎn)程運(yùn)維過程。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體構(gòu)架圖

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)利用相應(yīng)的軟件，完成數(shù)據(jù)計(jì)算、圖像生成、圖像建模以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真等過程，并實(shí)時(shí)處理用戶與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互過程。該部分主要用于模擬運(yùn)維過程中的外部視覺環(huán)境，為運(yùn)維人員提供空間定向的視覺信息，從而提高仿真感受的真實(shí)性。

2.2 視景顯示模塊

視景顯示系統(tǒng)主要由柱形投影幕、投影器、投影校正計(jì)算機(jī)、投影控制和輔助設(shè)備組成，該模塊主要用于形成遠(yuǎn)程運(yùn)維的視覺顯示場景，進(jìn)一步利用VR眼鏡顯示虛擬場景，提高運(yùn)維的真實(shí)性和沉浸感。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)和各系統(tǒng)仿真計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)的組織、交換以及轉(zhuǎn)發(fā)等過程，是整個(gè)運(yùn)維系統(tǒng)的樞紐部分。

組成系統(tǒng)的所有計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)（包括語音數(shù)據(jù)）均通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的“人在回路”分布交互式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，具有分布交互式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的4個(gè)典型特征：異構(gòu)性、分布性、交互性和實(shí)時(shí)性。該程序具有3個(gè)功能：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的廣播接收發(fā)送功能；一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的實(shí)時(shí)接收發(fā)送功能；分時(shí)、分級(jí)和分段的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理能力。

2.4 接口采集模塊

接口采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)海洋平臺(tái)各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工作，并將采集到的接口數(shù)據(jù)發(fā)送到仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維的數(shù)據(jù)交互功能。為了使設(shè)備具有較高的可靠性和易維修性，信號(hào)量的采集與驅(qū)動(dòng)采用模塊化的信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)板來完成，主要由電源模塊、485通信模塊、TCP/IP通信模塊以及輸入輸出模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)要求，信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)板采用高性能單片機(jī)作為主控芯片，通過高效的軟件算法對(duì)外部模擬量和數(shù)字輸入量（DI）進(jìn)行采集，所有仿真信號(hào)量采用專門設(shè)計(jì)的采集通信板進(jìn)行采集。為了方便兼容，設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮接口采集的一致性問題，布線時(shí)將所有的開關(guān)量放在前面并保留一定的擴(kuò)充能力，保證后續(xù)接口充足，然后再放置模擬量。

2.5 音響報(bào)警模塊

音響模塊是仿真系統(tǒng)中為運(yùn)維人員提供聽覺感受的非常重要的分系統(tǒng)。它負(fù)責(zé)模擬真實(shí)環(huán)境中的各種聲響信號(hào)，在聽覺方面為運(yùn)維人員提供身臨其境的感受，是回路仿真系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。

音響系統(tǒng)仿真內(nèi)容包括環(huán)境聲、警告聲、撞擊聲以及機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行的噪聲。這些聲音應(yīng)與操縱、視景系統(tǒng)的情況協(xié)調(diào)一致。

高風(fēng)險(xiǎn)人群：主要有男男同性性行為者、靜脈注射毒品者、與HIV/AIDS者有性接觸者、多性伴人群、性傳播感染（STI）者。

音響通信模擬系統(tǒng)包括音響分系統(tǒng)和通信分系統(tǒng)2個(gè)部分，由計(jì)算機(jī)、音響播放設(shè)備等組成。其中，計(jì)算機(jī)上插有網(wǎng)卡，負(fù)責(zé)音響通信計(jì)算機(jī)與主計(jì)算機(jī)之間的通信；音響播放設(shè)備有聲卡、功率放大器和音箱，負(fù)責(zé)聲音的播放。

2.6 輔助診斷模塊

輔助診斷模塊對(duì)接收到的海洋平臺(tái)設(shè)備信息進(jìn)行處理、分析和計(jì)算，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步評(píng)估，并將評(píng)估內(nèi)容與意見發(fā)送給相應(yīng)專家進(jìn)行查閱。專家通過設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及系統(tǒng)評(píng)估意見做出指導(dǎo)，給出檢修意見及計(jì)劃，并通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送至海洋平臺(tái)，相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)專家提供的技術(shù)指導(dǎo)意見對(duì)設(shè)備做出相對(duì)應(yīng)的檢修、處理和維護(hù)操作。

3 基于VR的系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)突顯效果的關(guān)鍵[4]，通過手柄在海洋中漫游，可以在平臺(tái)上穩(wěn)定地行走；通過樓梯登山鉆臺(tái)面可以進(jìn)入司鉆房的控制操作平臺(tái)；也可以通過井架攀梯方式登上二層臺(tái)進(jìn)行檢查；通過漫游查看各機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)維人員能夠直觀地查看泥漿系統(tǒng)、盤剎系統(tǒng)、大鉤提升系統(tǒng)、游車、氣動(dòng)卡瓦、動(dòng)力貓道機(jī)以及多功能機(jī)械手等設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，提高運(yùn)維效果，還可以獲得更直觀的效果[5]。

3.1 三維建模

三維建模的任務(wù)是在虛擬環(huán)境中還原海洋平臺(tái)各個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、外觀及部件的連接方式，并分析系統(tǒng)本身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)理。

模型的創(chuàng)建采用Maya或3Ds Max的Polygons多邊形工具精準(zhǔn)地進(jìn)行參數(shù)化建模，該方式的建模優(yōu)勢在于可以在保證模型精準(zhǔn)性和美觀性的同時(shí)，有效控制組成模型本身面的數(shù)量，能夠使輸入?yún)?shù)和輸出型體之間建立精確、可控的聯(lián)系，有效地優(yōu)化場景的大小，提升后期的渲染速度，對(duì)中期的UV貼圖的制作以及零部件細(xì)節(jié)的還原也有很大的幫助。模型制作的主要問題在于保持真實(shí)機(jī)械的原始比例尺寸，通過對(duì)機(jī)械零部件細(xì)節(jié)部分的準(zhǔn)確性還原保證中期綁定、動(dòng)畫等工作的順利進(jìn)行。

三維物體模型構(gòu)建分3步：幾何建模、物理建模（紋理、顏色、光照處理）和運(yùn)動(dòng)建模；通過紋理處理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、細(xì)節(jié)層次處理以及調(diào)試等步驟完成建模過程。

模型的格式為了滿足不同的需求，需要在MB、OBJ和FBX之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。渲染即對(duì)模型進(jìn)行美化，使其表現(xiàn)更貼近實(shí)物，采用當(dāng)下CG行業(yè)比較主流的高品質(zhì)Maya & Mental ray渲染器來進(jìn)行渲染。作為當(dāng)下最流行的MR渲染器，它經(jīng)常用來制作超寫實(shí)的工業(yè)展示，其優(yōu)勢在于參數(shù)的多樣性、可控性，能夠通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)，達(dá)到還原真實(shí)場景的目的，再通過HDR圖等手段對(duì)周圍大環(huán)境進(jìn)行模擬，以達(dá)到預(yù)期的效果。

海洋平臺(tái)鉆修井作業(yè)一體化智能系統(tǒng)裝備包括動(dòng)力貓道機(jī)、自行走液壓大鉗、鉆臺(tái)機(jī)械手、二層臺(tái)機(jī)械手、液壓吊卡以及動(dòng)力卡瓦等設(shè)備。其中，動(dòng)力貓道機(jī)三維模型如圖2所示，自行走液壓大鉗三維模型如圖3所示。

圖2 動(dòng)力貓道機(jī)三維模型

圖3 自行走液壓大鉗三維模型

3.2 圖像生成

由成像計(jì)算機(jī)生成的視景圖像，需要經(jīng)邊沿融合校正計(jì)算機(jī)完成圖像的幾何形變校正、電子和光學(xué)邊緣融合以及對(duì)對(duì)比度亮度進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，以保證各通道之間的完整和連續(xù)，獲得整個(gè)投影畫面的無縫效果，無論白天或是黑夜場景，均可保證圖像的完整性及沉浸效果。

3.3 場景搭建

平臺(tái)及外部場景在Untiy 3D軟件中進(jìn)行搭建，通過行為模型和渲染模型完成對(duì)海洋平臺(tái)環(huán)境的搭建和形成三維立體的顯示、輸出。

具體場景包括動(dòng)態(tài)井場環(huán)境虛擬建設(shè)，絞車系統(tǒng)、提升系統(tǒng)（游車）、轉(zhuǎn)盤、井架和底座、天車、司鉆房、生活區(qū)、修井機(jī)循環(huán)設(shè)備、鉆臺(tái)設(shè)備（液壓貓頭、司鉆房和動(dòng)力卡瓦）、部分管子處理設(shè)施等建設(shè)與渲染、周圍海洋環(huán)境建設(shè)與渲染以及光照環(huán)境渲染等。

3.4 交互軟件業(yè)務(wù)方案

交互軟件主要展示設(shè)備工藝過程的操作使用戶和軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互，當(dāng)操作用戶單擊任意畫面（按鈕）進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)維檢測過程時(shí)，每個(gè)設(shè)備的動(dòng)作流程要保存至數(shù)據(jù)庫，保證操作過程全程可追溯。通過動(dòng)作流程的記錄，用戶如果操作失誤，可以進(jìn)行撤銷動(dòng)作返回上一級(jí)操作的狀態(tài)，UI交互如圖4所示。

圖4 UI交互圖

基于Unity，根據(jù)工藝流程對(duì)海洋平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)及腳本編寫。考慮到與實(shí)際設(shè)備的操作相結(jié)合，需要進(jìn)行業(yè)務(wù)交互設(shè)計(jì)。在交互軟件應(yīng)用平臺(tái)中，整個(gè)業(yè)務(wù)模塊包括基礎(chǔ)信息管理、權(quán)限管理、工藝流程管理、數(shù)據(jù)管理、儀表展示模塊、統(tǒng)計(jì)查詢以及業(yè)務(wù)預(yù)留接口6個(gè)部分，并加入急停、遙控-司控室切換、巡檢崗位職責(zé)、單個(gè)設(shè)備及集成工程切換，保證業(yè)務(wù)的完整性。

3.5 交互軟件UI設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺(tái)將采用Microsoft.NET Framework作為系統(tǒng)框架，前臺(tái)場景設(shè)置和構(gòu)建采用了當(dāng)前流行的Maya軟件和Unity 3D 引擎，后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信采用基本SOAP的加密數(shù)據(jù)傳輸，使用C#程序采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示層基于微軟的WinForm技術(shù)，并結(jié)合了ADO.NET技術(shù)動(dòng)態(tài)訪問數(shù)據(jù)庫。

采用Unity技術(shù)構(gòu)建實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫互動(dòng)內(nèi)容，將Unity嵌入.NET平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)采集板卡與實(shí)體輸入設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，實(shí)時(shí)渲染效果，而且將來不需要對(duì)太多代碼進(jìn)行改動(dòng)，方便在手機(jī)客戶端進(jìn)行發(fā)布并與海洋平臺(tái)進(jìn)行交互。

4 通信設(shè)計(jì)

船端通過各種傳感器采集各設(shè)備信息，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸至司鉆房監(jiān)控系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)打包后，通過船舶網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送至船上CDMA設(shè)備或衛(wèi)星通信設(shè)備，由網(wǎng)關(guān)或衛(wèi)星地面站中轉(zhuǎn)后，經(jīng)Internet傳輸?shù)桨抖?。岸端的?shù)據(jù)處理中心接到船端發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過監(jiān)控服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，成功后即存儲(chǔ)到岸端相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，供岸上用戶終端進(jìn)行分析與處理，數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

另外，在海洋平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合中使用分簇技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)，成為簇頭節(jié)點(diǎn)，由這些簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)來處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并定期或不定期地重新選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。該方式提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存時(shí)間，為遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的船岸數(shù)據(jù)通信提供了保障。

5 結(jié)論

該文對(duì)海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維進(jìn)行研究，建立了一套基于VR的海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，克服了地域和時(shí)間的限制，實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程診斷，從而減少海洋平臺(tái)的維護(hù)時(shí)間，提高海洋平臺(tái)的工作效率。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)可以解決以下問題：1） 提高作業(yè)安全性和智能化操作的可靠性。2） 遠(yuǎn)程診斷運(yùn)維系統(tǒng)增加設(shè)備可靠性。3）遠(yuǎn)程診斷運(yùn)維系統(tǒng)縮短故障診斷時(shí)間，提高故障診斷效率。