虛擬交互技術(shù)在氣田開發(fā)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

錢福源

近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，將計算機技術(shù)融合應(yīng)用在各專業(yè)領(lǐng)域已成為一種趨勢。人機交互技術(shù)是指通過計算機輸入設(shè)備、輸出設(shè)備，以有效的方式來實現(xiàn)人與計算機對話的技術(shù)。本文首先闡述了虛擬交互應(yīng)用于氣田開發(fā)過程中采用的關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)，然后介紹三項應(yīng)用實例并討論了其應(yīng)用效果。

一、現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

現(xiàn)有技術(shù)只能提供平面示意圖及文字操作流程，缺乏展示站場工藝流程的虛擬仿真技術(shù)，無法清晰展現(xiàn)天然氣從井口進站、加熱降壓、分離、計量外輸?shù)纫幌盗辛鞒蹋緝?nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)展示不直觀。

管網(wǎng)內(nèi)氣體狀態(tài)復(fù)雜，且分布情況因各站管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同差別較大，但通用的節(jié)點參數(shù)模擬技術(shù)還是一項空白，通過研究通用的節(jié)點參數(shù)模擬技術(shù)，對管網(wǎng)節(jié)點參數(shù)進行精確模擬，以避免因壓力系統(tǒng)異常而產(chǎn)生的安全隱患。

缺乏針對天然氣業(yè)務(wù)的人機交互技術(shù)，增大了員工誤判斷、誤操作的概率。通過建立與實際站場相同的虛擬場景，模擬虛擬場景中的各項操作及突發(fā)情況，保障井站正常安全生產(chǎn)。

二、虛擬交換技術(shù)的研發(fā)

（一）虛擬模型的建立

在實際工作中通常采用的建模方式有三種 通過二維平面圖紙生成三維模型，三維建模軟件制作，利用掃描儀實地掃描生成模型。需要根據(jù)不同的需求優(yōu)選建模方式，或采用多種建模方式相結(jié)合以提高建模效率。

由于站場建設(shè)前的設(shè)計圖紙一般采用AutoCAD繪制，利用二維的設(shè)計圖生成三維模型，具有很高的建模效率和建模精度，但這種建模方式有一定的局限性，對地面區(qū)域、道路或建筑等大型模型及場景的建?？刹捎眠@種方式，但不適宜用于設(shè)備，管線等精細模型的建立，可以在虛擬場景搭建的初期，快速生成場地的模型，后續(xù)可以在該模型基礎(chǔ)上，采用其他建模手段對模型進行精細調(diào)整，以豐富模型細節(jié)。

三維建模可以對實際場景、建筑、設(shè)備及工藝外觀尺寸進行仿真，利用貼圖技術(shù)模擬物體表面的顏色、材質(zhì)、粗糙度和反光度等屬性，提高仿真程度。此外，還需要對動態(tài)的物體模型添加質(zhì)量，表面摩擦系數(shù)等物理屬性，從而在功能上實現(xiàn)對模型的運動狀態(tài)的物理計算。

（二）交互模擬技術(shù)

在虛擬場景中視角的移動、對虛擬設(shè)備的操控等功能的實現(xiàn)，需要將三維模型導(dǎo)入到3D引擎中。目前最常用到的三維引擎主要有Unity3D. Unreal engine等，3D引擎可以高效地開發(fā)各類三維應(yīng)用程序，有效減少底層開發(fā)的工作量，把開發(fā)工作重心轉(zhuǎn)移到功能的設(shè)計上，同時對三維場景的渲染效果也十分出色，提高虛擬場景的仿真程度。

除視角控制外，交互模擬的重點是用戶與虛擬場景與虛擬設(shè)備之間的交互，虛擬交互的基礎(chǔ)是3D引擎對用戶觸發(fā)的事件進行響應(yīng)，在可交互的三維物體上添加觸發(fā)器組件，可針對用途設(shè)置不同觸發(fā)條件，用來監(jiān)聽用戶控制的角色與觸發(fā)器產(chǎn)生碰撞、用戶鼠標點擊、鍵盤按鍵等多種交互形式。對于可運動的三維物體，首先要制作各個狀態(tài)下的動畫片段，3D引擎中的動畫狀態(tài)機可以根據(jù)物體的狀態(tài)切換不同的動畫片段，從而響應(yīng)多種狀態(tài)下的用戶交互。在播放動畫的同時，還需要通過腳本代碼控制場景中的參數(shù)，使其符合操作后整體場景的參數(shù)變化。

（三）數(shù)據(jù)接入與模擬技術(shù)

在真實的氣田站場中，設(shè)備和管線工藝的關(guān)鍵節(jié)點都通過儀表測量關(guān)鍵參數(shù)，測量的范圍包括介質(zhì)的溫度、壓力、流量、液位等數(shù)值，這些參數(shù)可以反映出站場的整體工作狀態(tài)，當生產(chǎn)出現(xiàn)問題時，也需要通過這些參數(shù)來判斷故障原因，從而解決問題。虛擬場景中必須對虛擬設(shè)備和工藝引入相關(guān)參數(shù)，使靜態(tài)的三維模型模擬出真實生產(chǎn)站場的工作狀態(tài)，針對不同的需求，可以將真實的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過接口接入虛擬模型中，也可以構(gòu)建站內(nèi)的參數(shù)模型，研究相關(guān)算法模擬生成數(shù)據(jù)。

實時數(shù)據(jù)的接入是通過真實站內(nèi)的工控系統(tǒng)將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過網(wǎng)絡(luò)存儲于實時數(shù)據(jù)庫，虛擬場景通過讀取數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)投射于相應(yīng)的位置進行展示，通過這種方式將真實場景的工作狀態(tài)遠程反映到虛擬場景中。

對于一些需要模擬站內(nèi)特定工作狀態(tài)的場景，需要通過數(shù)值模擬的方式還原場景中各節(jié)點參數(shù)的狀態(tài)，而數(shù)值模擬技術(shù)的核心是數(shù)學模型和算法。首先針對虛擬場景中的設(shè)備、管線等工藝的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立出相應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)，進而建立虛擬井站的數(shù)學模型。該數(shù)學模型描述了站內(nèi)各節(jié)點間的相互關(guān)系，再根據(jù)介質(zhì)在管道內(nèi)物理狀態(tài)的算法編制腳本代碼，就可以實現(xiàn)當單一節(jié)點發(fā)生變化時，其他節(jié)點的聯(lián)動反應(yīng)。算法的負責程度根據(jù)相關(guān)需求進行調(diào)整，當只需要簡單的設(shè)備流程等虛擬操作時，可以簡化模型，模擬的重點在于計算管線內(nèi)介質(zhì)的連通性、管道腔體內(nèi)壓力溫度等參數(shù)。當需要輔助指導(dǎo)生產(chǎn)、判斷故障的更加精確嚴謹?shù)挠嬎愎δ軙r，還需要融合更多的參數(shù)，例如介質(zhì)的非均質(zhì)性、壓力溫度傳導(dǎo)的時效、實際氣體狀態(tài)方程等，但過于復(fù)雜的算法會嚴重影響運行效率。

三、虛擬交互技術(shù)的應(yīng)用

（一）模擬日常設(shè)備操作

氣田生產(chǎn)中使用的設(shè)備專業(yè)性強，操作難度大，對操作人員的操作水平要求高的特點，利用交互技術(shù)可以使以上問題得到解決。

首先，對設(shè)備進行三維精確建模，建立仿真度較高的三維設(shè)備模型。然后，研究設(shè)備的各個可交互部件的運動方式和規(guī)律，使用C#語言編寫腳本，模擬手動操作過程中的部件運動。最后，將各個部件的運動邏輯進行整合，編寫狀態(tài)機腳本，記錄虛擬設(shè)備的工作狀態(tài)，監(jiān)測操作人員的輸入并給予響應(yīng)，實現(xiàn)虛擬設(shè)備功能的整合。在使用過程中，操作人員可以通過計算機的輸入設(shè)備實現(xiàn)虛擬場景中的工具控制，從而完成相關(guān)的設(shè)備模擬操作流程。

（二）虛擬應(yīng)急演練

由于氣田站場具有高危、易爆的特點，保障生產(chǎn)安全尤為重要，員工需要在突發(fā)狀況發(fā)生時快速采取合理的應(yīng)對措施，應(yīng)急演練是提高員工應(yīng)急能力的關(guān)鍵途徑。在應(yīng)急演練中融合交互技術(shù)可以顯著提高演練的效果。

在虛擬場景中模擬實際站內(nèi)的工作狀態(tài)是虛擬應(yīng)急演練的基礎(chǔ)，每個集氣站都具有獨特的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，因此，首先運用數(shù)值模擬技術(shù)推導(dǎo)出適合所有站場的參數(shù)算法。在實際運用中，把站內(nèi)管道的閥門抽象為控制節(jié)點，根據(jù)這些節(jié)點的開關(guān)，將管網(wǎng)分割為若干個氣體連通體，每個連通體都擁有相對獨立的壓力系統(tǒng)，計算機會根據(jù)特定算法計算這些連通體的壓力分布，然后將各個連通體根據(jù)不同站場的管線拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)在一起，從而達到模擬真實井站中氣體壓力分布的目的。

完成了數(shù)值模擬之后，還需要對虛擬場景中增加火災(zāi)、爆炸等一系列特效以模擬緊急狀態(tài)時的環(huán)境變化。添加人機交互腳本，允許操作人員在虛擬場景中自由移動、操作設(shè)備以及倒換流程，進而在虛擬場景中排除險情。

在應(yīng)用了交互技術(shù)以及數(shù)值模擬技術(shù)后進行虛擬應(yīng)急演練，可以擺脫場地的制約，不影響井站的正常生產(chǎn)，且保障了演練人員的安全性。此外，在虛擬場景中可以更加真實的模擬火焰、煙霧等逼真的特效，在常規(guī)的應(yīng)急演練模式中難以實現(xiàn)這些效果。

（三）氣田數(shù)字化生產(chǎn)輔助

目前，集氣站都采用了安裝有SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），通過光纜接人網(wǎng)絡(luò)，使其具備數(shù)據(jù)自動采集、自動回傳、統(tǒng)一入庫的硬件條件。物理信號通過PLC遠程傳感器的轉(zhuǎn)換，將電信號傳送到各站的工控機，工控機將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)寫入實時數(shù)據(jù)庫，模擬交互系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫，并實時投射在虛擬場景中，反應(yīng)在虛擬場景中的設(shè)備中。

管理人員可以通過投射于虛擬場景的各項參數(shù)判斷各個站場的工作狀態(tài)，直觀了解具體參數(shù)在實際站內(nèi)的精確位置。系統(tǒng)的相關(guān)算法可根據(jù)以往生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進行判斷參數(shù)的異常情況，并根據(jù)數(shù)字模型的拓撲結(jié)構(gòu)輔助判斷發(fā)生故障的位置和可能原因，可提高管理人員對故障處置的準確性和及時性。

四、結(jié)語

虛擬交互技術(shù)應(yīng)用于氣田開發(fā)，可顯著提高員工的工作效率和處理緊急情況的能力，有效保障生產(chǎn)安全，可快速對生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理及分析，且開發(fā)成本和應(yīng)用成本低，運維方便，對新建站場可拓展性較強，應(yīng)用前景廣闊。