基于虛擬現(xiàn)實(shí)的油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

苑得鑫，李嘉俊，李佳萍

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，青島 266580）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源需求的不斷增長(zhǎng)，油氣企業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，然而，油氣井場(chǎng)具有火災(zāi)、爆炸、高壓物料刺漏、機(jī)械傷害、高處墜落、物體打擊、觸電等諸多風(fēng)險(xiǎn)，在生產(chǎn)運(yùn)行和檢維修過程中易出現(xiàn)安全事故［1］，因此，安全培訓(xùn)十分重要。傳統(tǒng)安全培訓(xùn)的主要形式包括上課和觀看視頻，這種培訓(xùn)形式不僅缺少交流互動(dòng)，枯燥乏味，更重要的是不易調(diào)動(dòng)起學(xué)員的積極性，以致很難達(dá)到必要的培訓(xùn)深度，難以使學(xué)員對(duì)井場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)形成深刻認(rèn)識(shí)。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)的發(fā)展，利用其交互性、沉浸感和構(gòu)想性三個(gè)最突出的特征，可以構(gòu)建交互式三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，為操作者提供視覺、聽覺、觸覺等感官體驗(yàn)，使操作者如同身臨其境同三維空間內(nèi)的事物進(jìn)行交互［2-4］。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于礦山、醫(yī)療、電力、交通等領(lǐng)域的教育培訓(xùn)，對(duì)學(xué)員掌握操作技能、提升綜合素質(zhì)起到了巨大的輔助和促進(jìn)作用［5］。

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)相結(jié)合，通過提煉油氣井場(chǎng)典型的風(fēng)險(xiǎn)隱患，設(shè)計(jì)合理的體驗(yàn)場(chǎng)景和交互情節(jié)，利用3dsMax建立模型，并導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine 4 引擎，利用HTC Vive 作為輸出設(shè)備，構(gòu)建油氣井場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)對(duì)提高學(xué)員的安全意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力，促進(jìn)學(xué)員安全綜合素質(zhì)提升具有積極作用。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程與功能

1.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)既應(yīng)符合一般軟件工程項(xiàng)目的開發(fā)流程，又應(yīng)注重油氣井場(chǎng)安全工程背景，其整體開發(fā)流程如圖1所示，主要分為三個(gè)階段。第一階段為總體策劃，應(yīng)結(jié)合油氣井場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及典型事故案例，對(duì)交互場(chǎng)景和交互情節(jié)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；第二階段為模型庫(kù)建立，根據(jù)設(shè)備CAD圖紙及現(xiàn)場(chǎng)照片、視頻等資料，利用3dsMax 進(jìn)行單體設(shè)備的三維建模，設(shè)計(jì)相關(guān)場(chǎng)景的平面圖，將模型文件以FBX 格式導(dǎo)出；第三階段是交互開發(fā)，將FBX格式的模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine 4中，進(jìn)行貼圖及燈光的處理，結(jié)合井場(chǎng)布局圖進(jìn)行場(chǎng)景構(gòu)建和碰撞檢測(cè)，通過藍(lán)圖可視化編程，根據(jù)設(shè)計(jì)好的交互情節(jié)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的交互功能，最終完成油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)旨在提高進(jìn)入井場(chǎng)作業(yè)人員的安全意識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力以及事故預(yù)防與處置能力，重在直觀體驗(yàn)。綜合考慮事故發(fā)生發(fā)展規(guī)律及學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體功能，如圖2所示。

在充分辨識(shí)油氣井場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合GB 6441對(duì)于事故類型的劃分，設(shè)定了皮帶夾手、高處作業(yè)、閥門刺漏、人員觸電、旋轉(zhuǎn)擠入、光桿擠手、火災(zāi)及爆炸等八項(xiàng)體驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際事故案例，設(shè)計(jì)合理的交互情節(jié)，引導(dǎo)操作者“犯下一個(gè)個(gè)小錯(cuò)誤”，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。操作者通過HTC Vive 設(shè)備第一視角直觀體驗(yàn)事故帶來的強(qiáng)烈感官刺激和嚴(yán)重后果，隨后站在第三視角上觀看事故回放，對(duì)事故發(fā)生發(fā)展的全過程進(jìn)行復(fù)盤，對(duì)事故產(chǎn)生的原因形成直觀認(rèn)知。在事故體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過圖文、語(yǔ)音、視頻等形式，多方式提示事故預(yù)防措施及應(yīng)急處置方法，強(qiáng)化知識(shí)吸收。此外，每個(gè)體驗(yàn)內(nèi)容均包含了即時(shí)測(cè)試題目，學(xué)員考核合格后，方可解鎖下一體驗(yàn)場(chǎng)景，否則需要重新體驗(yàn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于3dsMax的抽油機(jī)模型動(dòng)畫建立

抽油機(jī)是油氣井場(chǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其零部件眾多，根據(jù)CAD 圖紙，利用3dsMax 作為建模工具進(jìn)行建模。由于抽油機(jī)是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的，為真實(shí)還原生產(chǎn)場(chǎng)景，應(yīng)建立抽油機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)模型動(dòng)畫，并帶入到Unreal Engine 4中。

通過分析抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在皮帶輪軸、曲柄銷、中軸承等五處添加骨骼，其位置和作用見表1。為建立各骨骼之間的約束關(guān)系，按照曲柄、連桿、游梁、驢頭的順序，依次連環(huán)設(shè)置IK 解算鏈。通過骨骼蒙皮技術(shù)建立骨骼與各運(yùn)動(dòng)模型間的物理和幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)各模型運(yùn)動(dòng)受到不同骨骼動(dòng)作影響的權(quán)重進(jìn)行精確設(shè)定［6］。

根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，確定驢頭上死點(diǎn)、驢頭下死點(diǎn)、曲柄上死點(diǎn)、曲柄下死點(diǎn)、游梁水平位置為關(guān)鍵位置，即關(guān)鍵幀。在TimeLine上，分別對(duì)各關(guān)鍵幀下所有骨骼關(guān)鍵點(diǎn)的角度及位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，在曲線編輯器中，對(duì)各關(guān)鍵幀之間位置變化的加速度進(jìn)行精細(xì)Bezier Curve校對(duì)，并進(jìn)行逐幀檢查，以保證抽油機(jī)動(dòng)作連續(xù)平穩(wěn)。根據(jù)實(shí)際抽油機(jī)的沖次范圍，設(shè)定模型動(dòng)畫單次循環(huán)為120 幀，若超出120 幀范圍，將模型動(dòng)畫的循環(huán)規(guī)律設(shè)定為“循環(huán)”模式，最終得到連續(xù)運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)模型動(dòng)畫。

2.2 基于UE4的交互場(chǎng)景構(gòu)建

Unreal Engine 4（UE4）又稱虛幻引擎，該引擎具有強(qiáng)大的藍(lán)圖可視化編程功能，可與C++編程結(jié)合互補(bǔ)使用，同時(shí)，其系統(tǒng)開源，利用編譯版本可以十分方便地接入其他插件，十分便于開發(fā)；其光照渲染、物理引擎、材質(zhì)編輯器等功能和效果基本處于業(yè)內(nèi)頂尖水平，同時(shí)對(duì)VR 手柄和VR 控制器等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備提供了良好的支持。

將FBX 格式的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4 后，在UE4 引擎中完成環(huán)境創(chuàng)建及場(chǎng)景渲染，UE4 材質(zhì)系統(tǒng)能夠創(chuàng)建出極為真實(shí)的材質(zhì)，利用真實(shí)拍攝的抽油機(jī)照片貼圖以及結(jié)合運(yùn)用MindTex2軟件生成的法線、高光等貼圖，完成真實(shí)的、表面具有凹凸感的材質(zhì)。導(dǎo)入U(xiǎn)E4 中的設(shè)備模型已經(jīng)在3dsMax 中完成了UV 展開處理，能夠?qū)崿F(xiàn)為同一個(gè)物體的不同表面賦予不同的材質(zhì)。燈光渲染能夠讓整體的場(chǎng)景更加真實(shí)，主要分為直接光照和全局光照。油氣井場(chǎng)為野外環(huán)境，其直接光照主要為太陽(yáng)光，在場(chǎng)景界面或藍(lán)圖界面均可設(shè)置太陽(yáng)光的角度和位置；全局光照為環(huán)境光，利用Lightmass 來存儲(chǔ)全局光照，可使環(huán)境光更具真實(shí)感［7］。利用UE4 渲染的油氣井場(chǎng)效果如圖3所示。

圖3 油氣井場(chǎng)渲染效果展示

2.3 基于UE4的事故傷害特效設(shè)計(jì)

在安全體驗(yàn)系統(tǒng)中，事故傷害特效的展示尤為重要，直接決定了操作者受到感官震撼和沖擊的程度?；赨E4 強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)渲染能力，通過與實(shí)際傷害現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了符合各項(xiàng)事故體驗(yàn)內(nèi)容的事故傷害特效，充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的視覺、聽覺、觸覺感知，使體驗(yàn)更加真實(shí)。

為展示事故特效，需進(jìn)行多項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定。以人物倒地效果為例，應(yīng)進(jìn)行如下設(shè)置：

（1）物理倒下，即空間位置改變；

（2）鏡頭旋轉(zhuǎn)設(shè)置，模擬人物滾動(dòng)效果；

（3）尖叫聲觸發(fā)，模擬聽覺感受；

（4）屏幕材質(zhì)貼圖更換為紅色血跡，模擬流血效果；

（5）禁止手柄指令，保證觸發(fā)后手柄無(wú)法繼續(xù)操作，以便充分展示事故效果；

（6）屏幕晃動(dòng)，模擬人員站不穩(wěn)的效果。

各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化與測(cè)試，最終得到最具真實(shí)感的事故傷害體驗(yàn)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性、沉浸感和構(gòu)想性應(yīng)用于教育培訓(xùn)領(lǐng)域，可以提高學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，增加學(xué)習(xí)的趣味性，易于通過切身感受引發(fā)深入思考。本文以油氣井場(chǎng)安全體驗(yàn)為主題，通過深挖工程內(nèi)涵，利用3dsMax 建立模型和動(dòng)畫，基于Unreal Engine 4引擎構(gòu)建交互場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)交互功能，利用HTC Vive 作為輸出設(shè)備，建立了油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)，能夠使學(xué)員完全沉浸地、自主地、交互地進(jìn)行安全體驗(yàn)和學(xué)習(xí)。實(shí)踐表明，基于該系統(tǒng)開展的安全培訓(xùn)，更加有助于提高學(xué)員的安全意識(shí)和安全技能，培訓(xùn)效果優(yōu)于傳統(tǒng)培訓(xùn)方式。