虛擬現實技術在油田仿真培訓中的應用

楊冬黎，王 輝，周 勃，顧洪博

（東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318）

傳統的石油開采工作有一些弊端，據不完全統計，油田生產企業中70%一80%的事故是由于人的操作錯誤或違章行為引起的，而虛擬現實技術能大大降低這些問題出現的可能性，通過虛擬技術，呈現出石油開采的一系列過程，能夠使石油開采等工作在我們的控制之中.因此借助虛擬現實技術對油田施工人員的規范化培訓具有重要意義.

目前油田企事業單位對員工的培訓多采用集中觀看錄像、教師講授或上井跟班操作[1]等傳統方式，這種方式內容枯燥，有的甚至影響正常的生產秩序.如果借助虛擬現實技術生成虛擬圖形，然后利用相關軟件對現實世界、現實油田生產設備進行模擬，使油田員工在一種交互式的環境中，擁有與現實世界近乎相同的浸沒感[2]，利用身臨其境的現場模擬訓練，讓被培訓人員遠離真實的大型生產機械，避免操作不當造成的設備擠壓碰撞傷害，有效降低了油田員工操作出錯率.從而使油田員工的工作技術過硬，提高工作效率，同時還能節約培訓成本.

1 虛擬現實技術介紹

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)[3]技術是指利用計算機生成一種模擬環境，并通過多種專用設備使用戶投入到該環境中，讓用戶使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察或操作，同時提供視、聽、觸摸等多種直觀而又自然的實時感知[4].

虛擬現實有3個基本特征[5].其中沉浸性指計算機生成的虛擬世界給人一種身臨其境的感覺.交互性指人能夠以很自然的方式跟虛擬世界中的對象進行交互操作或者交流,著重強調使用手勢、體勢等身體動作(主要是通過頭盔、數據手套、數據衣等來采集信號)和自然語言等自然方式的交流[6].構想性指虛擬環境可使用戶面臨交互環境中，學到新的知識并萌發創意，提高感性和理性認識.

2 系統框架設計

整個系統分為系統平臺建設和應用系統建設兩大部分.油田員工仿真培訓系統框架如圖1所示.

2.1 系統平臺建設

圖1 油田員工仿真培訓系統框架圖

系統平臺是指用來構建與支撐應用軟件的獨立軟件系統.該平臺由算法庫管理系統、圖形化建模系統、控制系統仿真組態軟件、專家評價系統組態軟件、專用仿真實時數據庫、安全分析與培訓系統、在線考試系統七大模塊組成，每個模塊分別獨立，但又可以集成.系統平臺中最重要的是安全分析與培訓系統、在線考試系統兩大模塊.通過在電腦上對這兩個模塊的虛擬練習，可以提高培訓員工的實際操作技能.

安全分析與培訓系統能完成兩個相互關聯的任務，一是為生產技術人員提供一套進行各種事故案例設定、仿真運行、事故分析、處理方案測試等的仿真試驗環境；二是可以將“事故案例分析試驗”的結果由用戶設定為仿真培訓與考核項目，作為操作人員技能培訓與考核的題目[7].

事故案例分析與培訓項目的組合設定使培訓與考核項目無限擴展，比常規的仿真系統發揮的效能更大；使過去、現在或將來開發的仿真系統除具有針對中級工和高級工培訓和考核鑒定功能外，還具備技師和高級技師的培訓功能和考核鑒定功能[8]；通過大量的“事故案例”及其組合定義，對操作人員進行各種事故及組合事故分析、判斷和處理技能等的培訓與考核，提高員工的安全生產操作技能和面對突發事故的分析判斷與操作能力.

在線考試系統采用web方式（局域網和廣域網都行），客戶不需要安裝任何軟件，就可進行通過網絡進行學習或考試.而且該系統還擁有開放的題庫管理功能，可方便的建立題庫，生成試卷.同時，還有保存試卷，對考試成績進行查詢、分析等功能.

2.2 應用系統建設

應用系統是面向終端用戶（在本項目中為教師和學員）的系統，主要由教師機管理系統、培訓考試管理系統、油氣集輸培訓系統和系統幫助這四個模塊構成[9].主要完成教師演示、學員考試，以及學員對油氣集輸等知識和技術的掌握，模擬練習的操作過程，應用系統組成圖如圖2所示.

圖2 應用系統組成圖

油氣集輸是油田生產的關鍵，所以油氣集輸培訓系統是應用系統的重要組成部分.它由原油處理仿真系統、原油脫水仿真系統、原油穩定仿真系統、天然氣脫水仿真系統、污水處理仿真系統這5部分組成.主要負責接收油田各個轉油站的來油，然后進行油氣分離，原油脫水、原油穩定、污水處理、天然氣處理等項工作.

3 系統主要實現功能

根據用戶參與形式和沉浸的程度不同，油田員工既可以用自己的電腦虛擬現實系統，利用個人計算機進行仿真，模擬集輸、采油及控制等工藝流程在正常與異常狀態下進行操作，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，通過鼠標、追蹤球等輸入設備實現與VR世界的充分交互，使油田培訓員工掌握實際生產中，設備正常或異常運行時全部操作過程，這種虛擬培訓易于普及和實現；另外，油田員工可以增強虛擬現實系統對事故進行演練，既可減少構成復雜真實事故環境的開銷，又可對實際物體進行操作，達到了亦真亦幻的境界.這種培訓系統能隨時對學員的操作水平做出評定，給出學員的操作質量分、操作步驟分及綜合成績，并生成評分信息卡[10].下面對其展開詳細介紹.

（1）操作質量：某些過程參數值在操作過程中應該保持在某個范圍內，如果學員在操作中，過程參數值超過了指定范圍，則應從總分中扣除相應的分數.

（2）操作步驟：學員的操作步驟是考核的重要方面，評分系統通過檢查學員的操作情況，根據操作順序來給定學員的分數.

（3）報警情況：顯然在學員的操作中，由于出錯產生的報警太多，則學員的操作就不是一個規范的操作，評分系統可以根據報警情況來給定學員的操作得分.

用戶也可以選擇在線考試，考核測試一下自己操作的能力.根據實時跟蹤、記錄仿真系統狀態和員工的操作動作，最后給出科學公正的操作評價.電腦給出這名操作員的實際分數的同時也指出這名員工的操作錯在哪里.系統主要功能實現圖如圖3所示.

圖3 系統主要實現功能圖

4 結語

油田員工仿真培訓系統在強大的仿真技術幫助下，利用3DMAX和Virtools軟件開發平臺讓每個油田員工都清楚地了解了專業的、抽象的采油、集輸等工藝流程，通過在虛擬場景中逼真的實時交互操作，提高了員工操作技能，減少時操作失誤率，節約了培訓費用.該系統在實際應用中得到了油田用戶的好評，具有行業應用價值.

〔1〕林琳，劉賢梅.基于虛擬現實技術的油田仿真培訓系統的設計[J].計算機技術與發展，2012，22(10):205-207.

〔2〕馮波，李江山，李毅.試析虛擬現實技術在石油勘探中的應用[J].中國新技術新產品，2012.

〔3〕http://wenku.baidu.com/view/5238f229cfc789eb172dc83 9.htm l.

〔4〕王長杰.淺析虛擬現實技術[J].科技信息，2011.631.

〔5〕http://wenku.baidu.com/view/00d5cd33b90d6c85ec3ac6c 2.htm l.

〔6〕楊立強，董寧，鄔長武，趙廷壽.虛擬現實技術在塔河油田油氣勘探中的應用[J].新疆石油地質，2006，27(5)．

〔7〕馮岱鵬,胡炎,邰能靈,金紅核,袁成,林尉,陳康銘,崔鵬程.地下變電站虛擬現實仿真系統的研究[J].電力系統保護與控制,2010(11).

〔8〕李劍峰,董寧,關達.虛擬現實技術在鄂爾多斯東北部低滲透氣藏勘探開發中的應用[J].石油物探,2005(05).

〔9〕徐東印,朱令起,郭立穩.礦井火災模擬技術前沿介紹——虛擬現實技術的應用[J].山東煤炭科技,2008(01).

〔10〕孟憲頤,劉勇.虛擬現實技術在塔機司機訓練培訓中的應用[J].中國工程機械學報,2006(04).