基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬仿真系統(tǒng)研究

馬 強(qiáng)，安維崢，柳依何，賈紀(jì)川，顧繼俊

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣資源消耗量不斷增加，陸上油氣勘探開發(fā)日趨成熟，其資源總量持續(xù)下降[1]，海洋油氣資源作為滿足未來油氣需求的重要儲(chǔ)備力量，已成為當(dāng)今油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)[2]通過水下井口、采油樹、水下管匯和海底管道等生產(chǎn)設(shè)施將開采的油氣就近輸送到平臺(tái)或浮式油輪進(jìn)行處理與外輸，可節(jié)省大量開發(fā)成本，縮短建造周期，而且水下生產(chǎn)系統(tǒng)受災(zāi)害天氣影響較小[3-5]，因此水下生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸成為海洋油氣開采的主要技術(shù)裝備，并得到廣泛應(yīng)用，其安裝拆除等作業(yè)過程是整個(gè)深海油氣田開發(fā)任務(wù)中的重要環(huán)節(jié)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)對(duì)其作業(yè)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)，對(duì)于海洋油氣田的開發(fā)、建設(shè)、生產(chǎn)具有重要意義[6-7]。

文中將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)與水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝、維修、拆除工藝流程相結(jié)合，通過對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的三維建模及可視化漫游制作，開發(fā)了集成海上作業(yè)測試功能的虛擬仿真測試軟件，有效地解決了工作人員因水下生產(chǎn)環(huán)境惡劣而不方便觀察研究的難題，為員工培訓(xùn)、作業(yè)流程指導(dǎo)、問題研究等方面提供了有效的幫助。

1 虛擬仿真系統(tǒng)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)[8]，具有沉浸性、交互性、想象力[9]3 個(gè)基本特征。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括虛擬環(huán)境、感知和傳感設(shè)備。虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成的三維逼真圖像。除了計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的視覺感知之外，還有聽覺、觸覺、力感知，甚至嗅覺和味覺的多重感知屬性。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備，包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、3D 鼠標(biāo)和用戶佩戴的其他設(shè)備，以及設(shè)置在真實(shí)環(huán)境中的傳感器設(shè)備，如照相機(jī)、地面壓力傳感器等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、建筑與軍事實(shí)踐等領(lǐng)域，虛擬仿真系統(tǒng)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬各種場景，并為用戶在視覺、聽覺、觸覺方面生成極其逼真的虛擬環(huán)境。Gonzalez-Badillo 等人[10]開發(fā)了一套基于觸覺反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)，用于汽車裝配培訓(xùn)。Freitag 等人[11]將虛擬現(xiàn)實(shí)用于家具行業(yè)的設(shè)計(jì)與展示過程。徐等人[12]開發(fā)出了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)，使起重機(jī)操作人員能夠安全地體驗(yàn)到真實(shí)的事故現(xiàn)場。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

虛擬仿真系統(tǒng)采用Unity 3D 引擎作為開發(fā)平臺(tái)。Unity 3D 中內(nèi)置了NVIDIA Physx[13]物理引擎，其優(yōu)秀的渲染效果，可為用戶提供逼真的沉浸體驗(yàn)，且Unity 3D 同時(shí)支持Directx 與OpenGL 圖形優(yōu)化技術(shù)。Unity 3D 支持使用面向?qū)ο蟮恼Z言開發(fā)，大大簡化了開發(fā)流程，且其開發(fā)的產(chǎn)品可在Windows、iOS、Mac、Android 等多平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布。

如圖1 所示，系統(tǒng)分為5 個(gè)架構(gòu)層，分別為數(shù)據(jù)層、支撐層、模型層、功能層、交互層。各層間的邏輯關(guān)系為：支撐層提供場景搭建、仿真平臺(tái)運(yùn)行、程序腳本等后臺(tái)基礎(chǔ)服務(wù)功能，模型層為仿真培訓(xùn)和訓(xùn)練考核提供仿真模型調(diào)用，功能層為交互層提供系統(tǒng)功能調(diào)用，支撐層、模型層、功能層調(diào)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均從數(shù)據(jù)層進(jìn)行提取，同時(shí)將仿真過程生成的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)層以便下次調(diào)用。

圖1 總體架構(gòu)

1.3 系統(tǒng)開發(fā)流程

開發(fā)基于Unity 3D 的水下生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬仿真測試系統(tǒng)，首先需要采用3ds Max 對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的作業(yè)場景與作業(yè)機(jī)具模型進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行紋理渲染、格式轉(zhuǎn)換，將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 中進(jìn)行場景搭建，重現(xiàn)實(shí)際作業(yè)場景，達(dá)到真實(shí)的場景還原效果；采用多鏡頭技術(shù)對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行多方位展現(xiàn)；通過C#語言編寫程序腳本，結(jié)合射線檢測與碰撞檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真操縱；采用Unity 中的UGUI 進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計(jì)，經(jīng)過對(duì)仿真流程、虛擬仿真系統(tǒng)的反復(fù)測試、優(yōu)化，最終發(fā)布生成水下生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬仿真系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 登錄模塊

為方便對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的管理，需要設(shè)置用戶管理功能，通過Unity 3D 中的UGUI 進(jìn)行人機(jī)交互界面制作，并在界面上添加上相應(yīng)控件，實(shí)現(xiàn)賬號(hào)及密碼驗(yàn)證保護(hù)機(jī)制，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)登錄界面

2.2 場景開發(fā)與異步加載

可選擇的建模技術(shù)有兩種方式，一種為采用Unity3D 自身的功能建模，另一種為通過別的建模軟件（如3ds Max、Maya 等）導(dǎo)入到Unity 中。由于場景所需模型數(shù)量較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用3ds Max 建模后將模型生成的FBX 格式文件導(dǎo)入到Unity 3D中，搭建虛擬場景及作業(yè)機(jī)具模型庫。虛擬仿真系統(tǒng)需要進(jìn)行多場景切換，為避免因計(jì)算機(jī)性能不足導(dǎo)致在進(jìn)行場景漫游時(shí)無法及時(shí)完成幀處理，而影響了場景切換的流暢性出現(xiàn)卡頓的問題，應(yīng)對(duì)模型中的三角形面數(shù)進(jìn)行減面處理[14]。

該系統(tǒng)由18 個(gè)子場景組成，用戶可通過場景間的鏈接來進(jìn)行場景切換。每個(gè)場景都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的工藝過程，在當(dāng)前場景完成作業(yè)過程的培訓(xùn)后，點(diǎn)擊UI界面上的按鍵便可進(jìn)行場景的跳轉(zhuǎn)，繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)培訓(xùn)。由于系統(tǒng)環(huán)境較大，為縮短場景加載時(shí)的耗時(shí)，采用異步加載的方法來進(jìn)行場景加載。場景的加載分為同步加載與異步加載[15]，同步加載在保留原場景的基礎(chǔ)上加載新的場景，異步加載在不影響當(dāng)前場景的基礎(chǔ)下加載新的場景，新場景加載完成后對(duì)原場景進(jìn)行銷毀，釋放內(nèi)存。

2.3 碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測用于檢測虛擬場景中的物體是否相交以及對(duì)各種交互動(dòng)作進(jìn)行觸發(fā)。虛擬仿真系統(tǒng)中存在著物體間的接觸與碰撞，為保證虛擬場景的真實(shí)性，避免物體間發(fā)生穿透現(xiàn)象以及保證物體間的物理作用，因此需要采用碰撞檢測技術(shù)，使系統(tǒng)對(duì)物體碰撞作出響應(yīng)。在Unity 3D 中，只需對(duì)物體添加剛體（Rigidbody）和碰撞體（Collider）組件便可實(shí)現(xiàn)相互碰撞。根據(jù)物體的形狀不同可選擇不同的Collider，Unity 3D 提供了BoxCollider、SphereCollider、WheelCollider、MeshCollider[16]等多種碰撞器,其采用了目前應(yīng)用較多的碰撞檢測算法中的層次包圍盒法。系統(tǒng)中的碰撞檢測如圖3 所示。

圖3 碰撞檢測

3 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

3.1 功能劃分

系統(tǒng)功能分為三大模塊，分別為仿真培訓(xùn)模塊、場景漫游模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊，下面著重介紹仿真培訓(xùn)模塊和場景漫游模塊。

3.1.1 仿真培訓(xùn)模塊

仿真培訓(xùn)模塊包括安裝工藝仿真、維修工藝仿真、測試工藝仿真、拆除工藝仿真四大子模塊。在各模塊的仿真培訓(xùn)中，用戶根據(jù)系統(tǒng)UI 界面的操作提示，先進(jìn)行工藝流程的理論學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完成后，通過系統(tǒng)中的交互操作進(jìn)行工藝仿真模擬，系統(tǒng)對(duì)用戶的操作進(jìn)行監(jiān)測并對(duì)錯(cuò)誤操作進(jìn)行提示。

安裝工藝的案例仿真包括吸力錨、跨接管、水下管匯。維修工藝仿真是對(duì)艙內(nèi)的干式采油樹小修過程（更換節(jié)流閥）進(jìn)行仿真。拆除工藝仿真是對(duì)安裝工藝中的典型案例進(jìn)行拆除操作仿真。測試工藝仿真是對(duì)安裝、維修、拆除各工藝流程中的環(huán)節(jié)進(jìn)行測試，主要包括：安裝過程中的吸力錨水平度與深度測試、跨接管的連接器鎖緊測試、采油樹的壓力測試、水下管匯的功能測試；維修過程中的節(jié)流閥更換測試；拆除過程中的跨接管連接器解鎖測試。

3.1.2 場景漫游模塊

場景漫游功能包括人物漫游與機(jī)器漫游，由于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海底作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、操作風(fēng)險(xiǎn)大，因此海下作業(yè)均由ROV（水下機(jī)器人）來完成，水下機(jī)器人是能在海底行走的具有觀察能力和使用機(jī)械手或其他工具進(jìn)行水下作業(yè)的自動(dòng)化裝置[17]，實(shí)際的機(jī)器人均依靠黑白或彩色攝像頭與攝像俯仰云臺(tái)進(jìn)行水下觀察。

虛擬仿真系統(tǒng)中采用水下機(jī)器人進(jìn)行場景漫游，將Unity3D 中的Camera 組件掛載于ROV，通過控制Camera 對(duì)象調(diào)整視角，通過多鏡頭技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位觀察。該系統(tǒng)的控制方式為：1）編寫ROV 運(yùn)動(dòng)腳本，通過Translate()函數(shù)與Rotate()函數(shù)[18]實(shí)現(xiàn)ROV 的升沉、進(jìn)退與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；2）編寫Camera 腳本，通過鍵盤WASD 鍵控制Camera 的前后左右移動(dòng)，鼠標(biāo)控制觀察方向。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為加強(qiáng)顯示效果，采用大屏幕投影的方式將系統(tǒng)部分場景進(jìn)行展示，虛擬仿真測試系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖4 所示，實(shí)現(xiàn)了海面作業(yè)環(huán)境與海底作業(yè)環(huán)境仿真，分別展示了絞車起吊吸力錨和ROV 觀測水下管匯的虛擬仿真。交互方式主要通過鍵盤實(shí)現(xiàn)絞車、ROV 的運(yùn)動(dòng)控制，鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)觀察視角的變換。

圖4 系統(tǒng)展示

4 結(jié)論

文中使用Unity 3D 軟件開發(fā)了水下生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬了水下生產(chǎn)系統(tǒng)中典型裝備從安裝、維修、測試到拆除的過程，有效解決了從業(yè)人員培訓(xùn)受環(huán)境限制的問題，使用戶獲得了沉浸式、交互式體驗(yàn)。虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)流程原理展示、仿真培訓(xùn)、場景漫游等功能，用戶可在虛擬環(huán)境中近距離學(xué)習(xí)裝備結(jié)構(gòu)及工作流程，在培訓(xùn)中為用戶提供一種新的學(xué)習(xí)方法。