基于VRML的半潛式海洋平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)

齊明俠,黃魯蒙,許亮斌

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東東營(yíng)257061;2.中海石油研究中心,北京100027) *

基于VRML的半潛式海洋平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)

齊明俠1,黃魯蒙1,許亮斌2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東東營(yíng)257061;2.中海石油研究中心,北京100027)*

針對(duì)海洋石油開(kāi)發(fā)投資極大,國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)較少,工作人員對(duì)深水鉆井工藝較陌生,人員培訓(xùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題,提出了構(gòu)建基于VRML的半潛式海洋平臺(tái)虛擬漫游場(chǎng)景。結(jié)合三維軟件Solid-Works建模能力與虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言VRML強(qiáng)大的仿真能力,綜合運(yùn)用視點(diǎn)技術(shù)、聲音建模技術(shù)、VRML自身的動(dòng)畫(huà)節(jié)點(diǎn)和JavaScript腳本語(yǔ)言等,實(shí)現(xiàn)了海洋鉆井主要操作過(guò)程的仿真,構(gòu)建一個(gè)生動(dòng)直觀、豐富多彩的虛擬漫游學(xué)習(xí)場(chǎng)景。

虛擬現(xiàn)實(shí);海洋平臺(tái);VRML;虛擬仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱VR)是指綜合利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等多種技術(shù)以及計(jì)算機(jī)、各種顯示和控制等硬件設(shè)備,在計(jì)算機(jī)上生成具有沉浸性、交互性以及逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)等一體化的三維虛擬環(huán)境的技術(shù),其中,計(jì)算機(jī)生成的可交互三維環(huán)境稱為虛擬環(huán)境(Virtual Environment,簡(jiǎn)稱VE),其中的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(Virtual Reality Modeling Language, VRML)是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最經(jīng)典、最著名的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]。從石油行業(yè)第1套虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)“多學(xué)科協(xié)同研究-決策虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”到今天,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已應(yīng)用于石油石化行業(yè)很多領(lǐng)域。

海洋油氣工程裝備產(chǎn)業(yè)是直接關(guān)系到海洋油氣資源開(kāi)發(fā),并影響國(guó)家能源穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[2-3]。由于海洋石油裝備的技術(shù)含量高、投資巨大,深海鉆井的費(fèi)用昂貴,如果沒(méi)有扎實(shí)的操作技能和處理事故的經(jīng)驗(yàn),會(huì)承受潛在的巨大安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

我國(guó)目前在用的深水石油鉆井平臺(tái)數(shù)量較少,且大多為國(guó)外制造,國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)工作人員對(duì)深水鉆井工藝較為陌生,人員培訓(xùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此,本文提出一種與傳統(tǒng)的基于三維CAD軟件的石油鉆機(jī)可視化技術(shù)不同的仿真技術(shù),即基于VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬半淺式鉆井平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)和平臺(tái)布置,并對(duì)鉆井過(guò)程中的主要操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,結(jié)合環(huán)境建模、聲音建模、虛擬化身等技術(shù),構(gòu)建一個(gè)具有交互性和臨場(chǎng)感的三維鉆機(jī)虛擬場(chǎng)景。VRML圖形渲染過(guò)程具有實(shí)時(shí)性,觀察者可以全方位不受約束的瀏覽,甚至進(jìn)入各種模型的內(nèi)部觀察。

1 技術(shù)方案

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采取先對(duì)半潛式平臺(tái)及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行分析,通過(guò)查閱海洋鉆井平臺(tái)的大量資料,了解了海洋鉆井平臺(tái)上各個(gè)設(shè)備的型號(hào)及參數(shù),并對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能分析;再根據(jù)海洋鉆井平臺(tái)對(duì)各種設(shè)備工作能力的要求,進(jìn)行設(shè)備選型分析。在選型分析的基礎(chǔ)上利用三維軟件SolidWorks對(duì)平臺(tái)及其各種鉆井設(shè)備進(jìn)行建模,根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)組裝成一個(gè)統(tǒng)一的海洋鉆井平臺(tái)仿真裝配體;最后再利用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(VRML)構(gòu)建整個(gè)場(chǎng)景,利用VRML自帶傳感器、插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)以及Script(腳本)節(jié)點(diǎn)(VRMLScript或JavaScript腳本語(yǔ)言)實(shí)現(xiàn)交互的現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)仿真。技術(shù)方案如圖1。

圖1 海洋平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)方案

2 海洋平臺(tái)虛擬場(chǎng)景的創(chuàng)建

2.1 平臺(tái)及設(shè)備主體建模

海洋平臺(tái)系統(tǒng)擁有眾多復(fù)雜的設(shè)備,對(duì)其可視化,其建模工作的關(guān)鍵在于如何快速高效地建立這些零部件的三維模型。VRML本身提供了一些簡(jiǎn)單的造型節(jié)點(diǎn),例如長(zhǎng)方體(Box)、球體(Sphere)、圓柱體(Cylinder)等[4]。但是,考慮到石油鉆機(jī)系統(tǒng)零部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、精確的裝配關(guān)系、數(shù)量等因素,顯然使用這些簡(jiǎn)單造型節(jié)點(diǎn)來(lái)建模很不現(xiàn)實(shí),效率低、工作量大。對(duì)此,可以借助專門的三維建模軟件來(lái)建模。因?yàn)槟壳暗娜S建模軟件都或多或少地提供了幾種三維文件的轉(zhuǎn)換接口,其中就包括VRML文件。可以使用這些三維建模軟件建立各種復(fù)雜的模型,然后通過(guò)軟件自帶的接口轉(zhuǎn)換為VRML文件,為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所用,這樣可極大提高建模效率。

根據(jù)三維建模軟件所屬行業(yè)的不同,可以分為通用三維建模軟件和三維CAD建模軟件2類。前者主要有3DS MAX、MA YA等[5];后者則以Pro/ E、SolidWorks、U G等軟件為代表。通用三維建模軟件由于其強(qiáng)大的渲染能力,多用于建筑、游戲、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域,三維CAD建模軟件則以其參數(shù)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的裝配能力多用于機(jī)械行業(yè)等工程領(lǐng)域。考慮到石油鉆機(jī)這一特殊系統(tǒng),其零部件對(duì)于尺寸和裝配關(guān)系有著精確的要求,因此建模選擇三維CAD建模軟件SolidWorks。

由于海洋鉆井平臺(tái)是一個(gè)非常復(fù)雜的龐大系統(tǒng),為了使得導(dǎo)出的VRML模型體積盡可能小,實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)虛擬對(duì)象分離,并且便于對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行控制。在使用SolidWorks軟件建立鉆機(jī)各零部件模型時(shí),需遵循4個(gè)重要原則。

1) 在不影響視覺(jué)效果、基本結(jié)構(gòu)和工作原理的情況下,盡量簡(jiǎn)化零部件模型。常用的簡(jiǎn)化方法有:設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化;齒輪、螺紋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化。

2) 盡量做到“一設(shè)備一裝配體”,當(dāng)然該裝配體下還可以包含更多的子裝配體。所有鉆井設(shè)備的VRML模型都是從鉆機(jī)最終的總裝配體圖中導(dǎo)出的,考慮到在虛擬場(chǎng)景中可能需要對(duì)某個(gè)零部件進(jìn)行交互控制,導(dǎo)出VRML文件時(shí)一次只能導(dǎo)出一件設(shè)備,其余設(shè)備需要隱藏,不予正常顯示。

3) 在SolidWorks中盡量給零部件賦予真實(shí)的材質(zhì)。SolidWorks支持VRML模型材質(zhì)的導(dǎo)出,對(duì)于大型復(fù)雜的鉆井設(shè)備,例如井架、絞車,導(dǎo)出后再在VRML文件中逐個(gè)編輯所有零件的材質(zhì),工作量巨大,極大降低了建模效率。若在SolidWorks中就給每個(gè)零部件上色,不僅操作起來(lái)方便,而且導(dǎo)出后的模型在VRML場(chǎng)景所見(jiàn)即是在SolidWorks中所見(jiàn)。

4) 在SolidWorks中盡量給零部件賦予真實(shí)的材質(zhì)。SolidWorks支持VRML模型材質(zhì)的導(dǎo)出,對(duì)于大型復(fù)雜的鉆井設(shè)備,例如井架、絞車,導(dǎo)出后再在VRML文件中逐個(gè)編輯所有零件的材質(zhì)。

具體的建模過(guò)程是先利用SolidWorks軟件對(duì)各種設(shè)備建模并按裝配關(guān)系組裝起來(lái),包括半潛式鉆井平臺(tái)、鉆井系統(tǒng)零部件(例如頂驅(qū)、天車、游車、絞車、鐵鉆工、鉆桿排放裝置、天車升沉補(bǔ)償裝置等)以及其他平臺(tái)相關(guān)布置設(shè)備(例如隔水管排放區(qū)、鉆桿放置區(qū)、吊車、飛機(jī)平臺(tái)等);然后分別以VRML格式導(dǎo)出,并虛擬裝配起來(lái),建立的平臺(tái)設(shè)備主體的虛擬模型如圖2。

圖2 平臺(tái)及設(shè)備主體虛擬裝配圖

2.2 虛擬化身建模

為了增強(qiáng)石油鉆機(jī)可視化系統(tǒng)的沉浸性,在虛擬場(chǎng)景中導(dǎo)入一個(gè)用戶的虛擬化身(Avatar)是常用的方法。有了虛擬化身,用戶就可以控制其在虛擬場(chǎng)景走動(dòng)、與虛擬對(duì)象交互等。Blaxxun Avatar Studio是一款免費(fèi)的虛擬化身制作軟件,通過(guò)它可以用來(lái)建立基于 H-Anim標(biāo)準(zhǔn)的虛擬世界中使用的包含動(dòng)畫(huà)的3D替身。該軟件可以簡(jiǎn)單直觀建立化身,設(shè)置化身身體及其不同部分的比例以及皮膚、顏色、頭發(fā)等。基本的體貌特征建立以后,可以給化身選擇服裝、鞋帽、眼鏡、皮包、以及其他配件,如圖3所示。

圖3 虛擬化身

3 場(chǎng)景動(dòng)態(tài)和交互實(shí)現(xiàn)

VRML中定義了6種插補(bǔ)器和8種傳感器,通過(guò)路由可以在各個(gè)造型節(jié)點(diǎn)之間傳遞事件,實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象的各種運(yùn)動(dòng),為瀏覽者創(chuàng)建一個(gè)身臨其境、動(dòng)態(tài)逼真、可以交互溝通的虛擬環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的過(guò)程仿真,通過(guò)建立腳本節(jié)點(diǎn),引入程序設(shè)計(jì),將會(huì)充分發(fā)揮編程的靈活性和控制手段的多樣性,從而為場(chǎng)景增加交互性和動(dòng)態(tài)性。

3.1 虛擬對(duì)象6自由度運(yùn)動(dòng)建模

VRML默認(rèn)坐標(biāo)為笛卡爾坐標(biāo)系。VRML文件中造型節(jié)點(diǎn)Transform下的translation域的x、y、z值可以用來(lái)控制對(duì)象的平動(dòng),實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。VRML中提供了PositionInterpolator(位置插補(bǔ)器)節(jié)點(diǎn),利用該節(jié)點(diǎn)可以輕松實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象的平動(dòng)。

虛擬對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)也是通過(guò) Transform下的rotation域值來(lái)控制的,但要注意的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)其繞自身對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作,在默認(rèn)模式下對(duì)象是繞總體坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。控制方法有2種:①利用VRML模型默認(rèn)變換順序(先縮放、再旋轉(zhuǎn)、后平移),即先將對(duì)象平移到總體坐標(biāo)處,再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),然后再平移到原位置,就可以實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象自身轉(zhuǎn)動(dòng);②直接利用 Transform下的center域值設(shè)定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。對(duì)于虛擬對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng),VRML中也提供了OrientationInterpolator(方向插補(bǔ)器)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)法定義和用法與PositionInterpolator(位置插補(bǔ)器)節(jié)點(diǎn)相類似,在此不再贅述。利用該節(jié)點(diǎn),理論上可以實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象任意復(fù)雜的非線性轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。

4 半潛式海洋平臺(tái)虛擬仿真模塊

海洋平臺(tái)鉆井的操作主要?jiǎng)澐譃檎ｃ@進(jìn)、起升鉆桿、下方鉆桿、升沉補(bǔ)償?shù)葞状竽K,可以分別演示操作過(guò)程,如圖4。

圖4 半潛式海洋平臺(tái)虛擬系統(tǒng)模塊框圖

各個(gè)模塊中運(yùn)動(dòng)部件主要包括頂驅(qū)游車、鉆桿、鐵鉆工、吊卡、鉆桿自動(dòng)排放裝置、天車升沉補(bǔ)償裝置等。例如,鉆進(jìn)模塊主要模擬深水鉆井平臺(tái)鉆機(jī)正常鉆進(jìn)過(guò)程,如圖5。主要包括以下操作:首先通過(guò)放頂驅(qū)帶動(dòng)鉆桿,從而帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石。然后頂驅(qū)與鉆桿卸扣,頂驅(qū)上升復(fù)位。通過(guò)鉆桿自動(dòng)排放機(jī)構(gòu)抓住1根立根到井口。鐵鉆工到井口,對(duì)鉆桿進(jìn)行上扣操作。頂驅(qū)在上部與鉆桿上扣。繼續(xù)鉆進(jìn)。接另1根立根時(shí)又重復(fù)上述操作,每接1根立根構(gòu)成1個(gè)鉆進(jìn)循環(huán)。其他還有起下鉆模塊、升沉補(bǔ)償模塊等,不再贅述。

圖5 鉆進(jìn)模塊

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù),觀察者可以全方位不受約束的瀏覽,以及通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井設(shè)備的交互控制。另外,該系統(tǒng)還引入了聲音建模、虛擬化身、流體仿真等,極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的真實(shí)感和沉浸感。本系統(tǒng)生動(dòng)地模擬了半淺式鉆井平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)和布置,演示了鉆井基本操作過(guò)程和海洋平臺(tái)鉆進(jìn)設(shè)備的工作原理,可以使用戶對(duì)海洋石油鉆井及其作業(yè)流程有一個(gè)整體、直觀的了解。

[1] 劉 浩,戴居豐,楊 磊,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(1):200-201,151.

[2] 張用德,袁學(xué)強(qiáng).我國(guó)海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(1):14-17.

[3] 賴笑輝,王維旭,欒 蘇.我國(guó)海洋鉆井裝備國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(12): 15-18.

[4] 宋麗紅,華 斌.基于VRML和Java技術(shù)的虛擬校園三維查詢系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2005,31(6):173-175.

[5] 李延軍,陳 瑋.基于VRML的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與信息工程,2008,(2):46-48.

[6] 孫 麒,劉迎春,徐春霞.基于VRML的虛擬場(chǎng)景漫游實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2008,29(14):3 748-3 751.

Virtual Simulation Technology of Semi Submersible Drilling Platform Based on VRML

QI Ming-xia1,HUANG Lu-meng1,XU Liang-bin2
(1.China University ofPetroleum(Huadong),Dongying257061,China; 2.Research Center of China N ational Of f shore Oil Corporation,Beijing100027,China)

There are enormous investment and less domestic offshore platforms in offshore oil development.Staff is not more familiar in deep water drilling technology.In order to overcome the difficulty of staff training,VRML-based semi submersible drilling platform of the virtual tour scene is presented.SolidWorks software of modeling capabilities combined with VRML software of virtual reality modeling language.The technology point of view,sound modeling,VRML nodes of their animation scripting languages such as JavaScript is integrated to use.The main operation of drilling process is simulated,and vivid scene virtual tour to learn having realized.

virtual reality;offshore platform;VRML;virtual simulation

1001-3482(2011)05-0001-04

TE951

A

2010-11-01

國(guó)家重大專項(xiàng)“深水油氣田開(kāi)發(fā)鉆完井工程配套技術(shù)”(2008ZX05026-001)

齊明俠(1955-),男,河北故城人,教授,從事石油礦場(chǎng)機(jī)械研究和教學(xué)工作,E-mail:qmxia@upc.edu.cn。