應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)的虛擬油氣聯(lián)合站構(gòu)建

蘇欣

(承德石油高等專科學(xué)校計算機與信息工程系，河北承德067000)

應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)的虛擬油氣聯(lián)合站構(gòu)建

蘇欣

(承德石油高等專科學(xué)校計算機與信息工程系，河北承德067000)

實訓(xùn)教學(xué)是高職教育的重要組成部分，但是油氣儲運專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)要求在油氣聯(lián)合站進行，存在著高危險、高成本、高能耗等問題。提出一種應(yīng)用于油氣儲運專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)的虛擬油氣聯(lián)合站，在最大程度上模擬真實油氣聯(lián)合站及其油氣處理設(shè)備，同時設(shè)置實訓(xùn)操作內(nèi)容，學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行專業(yè)實訓(xùn)學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)兼顧實訓(xùn)教學(xué)效果與保證人身安全的雙重目標。

虛擬;油氣聯(lián)合站;實訓(xùn)教學(xué)

1　虛擬仿真教學(xué)現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)是近來年出現(xiàn)的高新技術(shù)，它利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，向使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，使用者如同身臨其境。但在高職高專院校中，真正意義上的虛擬仿真教學(xué)工廠還未出現(xiàn)，目前在高職高專院校中實訓(xùn)教學(xué)是以電腦軟件模擬為主，在一些模擬控制設(shè)備的控制臺上，學(xué)生主要是在電腦上完成虛擬教學(xué)實踐，首先不能夠從感觀上真正認識工廠的生產(chǎn)環(huán)境;另外，由于只是通過電腦鼠標進行實踐操作學(xué)習(xí)或僅僅是通過控制臺連接電腦進行操作，學(xué)生并不能夠真實體驗到不同操作所產(chǎn)生的不同結(jié)果。因此在所謂的虛擬教學(xué)工廠中完成的實踐操作與工廠的實際情況相距甚遠，學(xué)生并不能夠從虛擬教學(xué)工廠中感受到工廠的實際生產(chǎn)環(huán)境，也不能夠真正掌握實踐操作的技能，這種所謂的“虛擬教學(xué)工廠”只是有名無實，并不能給學(xué)生帶來身處工廠實習(xí)的真實體驗。

對于高職院校來說，實訓(xùn)教學(xué)是高職教育的重要組成部分，其目標是充分鞏固理論教學(xué)的教學(xué)成果，培養(yǎng)學(xué)生熟練的動手操作能力。但是目前的實訓(xùn)教學(xué)在形式與內(nèi)容上與企業(yè)的具體環(huán)境與要求存在較大差距，對學(xué)生的培養(yǎng)缺乏適應(yīng)性和針對性，學(xué)生就業(yè)后難以適應(yīng)企業(yè)工作環(huán)境，無法滿足崗位要求，不符合企業(yè)對人才的需求。未經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的學(xué)生根本無法在真實的生產(chǎn)工廠環(huán)境中完成實訓(xùn)教學(xué)的要求，而學(xué)校也不具備工廠的實訓(xùn)環(huán)境。很多工科專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)存在著高危險、高成本、高能耗等具體的問題，因此構(gòu)建能夠最大程度上模擬生產(chǎn)工廠的虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)場站，是進行專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)的最優(yōu)選擇［1］。

2　虛擬現(xiàn)實軟件EON Studio

常用的虛擬現(xiàn)實軟件種類較多，在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的有中視典公司的VRP、Eon Studio、OSG開發(fā)平臺等，每一種軟件都具有不同的特點，但均可以進行虛擬建模的開發(fā)與應(yīng)用。

Eon Studio是在國外非常知名的VR制作軟件，經(jīng)常被用于制作產(chǎn)品的虛擬演示，并用于醫(yī)療、教育等行業(yè);也可以用來開發(fā)游戲，適合傾向于編程交互開發(fā)方面的愛好者使用。

Eon Studio能夠輕松導(dǎo)入3D模型，目前市面上90%以上的3D模型軟件產(chǎn)生的文件都能夠很方便地輸入到Eon Studio中。三維模型制作軟件如:3D max、Light wave，計算機輔助設(shè)計軟件如:Solidworks、AutoCAD等都可以很容易地導(dǎo)入。將模型導(dǎo)入之后，可以通過EON的圖形設(shè)計界面方便地為模型添加各種行為動作。

3　基于EON的虛擬油氣聯(lián)合站開發(fā)

對于虛擬教學(xué)來說，我們首先需要通過建模軟件構(gòu)建一個虛擬教學(xué)環(huán)境，然后將這個模型導(dǎo)入到EON軟件之中，再添加教學(xué)所需要的內(nèi)容與動作，完成教學(xué)模型。本文以油氣儲運專業(yè)實訓(xùn)場站——油氣聯(lián)合站為例詳述虛擬仿真教學(xué)環(huán)境的開發(fā)流程。

虛擬油氣聯(lián)合站是對油氣聯(lián)合站最大程度的模擬仿真，不僅包括油氣聯(lián)合站所有的地面建筑、油氣管線展示與說明，還包括油氣處理設(shè)備知識的相關(guān)學(xué)習(xí)。通過研究與搭建三維立體演示環(huán)境，將油氣聯(lián)合站及其內(nèi)部設(shè)備進行建模還原，并導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實軟件之中，在虛擬現(xiàn)實軟件中進行二次編輯與交互學(xué)習(xí)動作的添加，最后進行三維立體展示，使學(xué)生能夠在浸入式的環(huán)境中進行實訓(xùn)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生身臨其境，感覺是在真實的油氣聯(lián)合站中進行實訓(xùn)學(xué)習(xí)，從而最大程度上提高實訓(xùn)教學(xué)的效果［2，3］。

3．1基于3Ds Max的油氣聯(lián)合站建模實施

油氣聯(lián)合站建模實施的具體流程參見圖1，包括獲取場站布局、獲取貼圖資料、劃分場景單元、主要建筑物建模和次要建筑物建模幾個步驟實現(xiàn)。

步驟一:獲取場站布局數(shù)據(jù)。獲取的油氣聯(lián)合站圖紙資料包括大比例航拍照片、地形圖文件、建筑圖紙及規(guī)劃圖紙。獲取到原始資料后，按照一定比例把油氣聯(lián)合站的布局圖片制作成為地形貼圖，以及整理單個建筑體尺寸并按照比例尺進行模型尺寸計算。

步驟二:獲取貼圖資料。在虛擬場景中為了增加模型的逼真效果，通常需要將現(xiàn)場拍攝的圖片制作成紋理，并在3Ds Max中進行加載。但由于拍攝獲取全部現(xiàn)場照片的工作量十分大，因此主要建筑的圖片一般由現(xiàn)場拍攝獲取，其它非主要建筑如道路、樹木、草地等貼圖文件可以由網(wǎng)絡(luò)或素材庫獲取［4］。

步驟三:劃分場景單元。根據(jù)油氣聯(lián)合站的功能區(qū)域，將聯(lián)合站分為油氣分離區(qū)、原油穩(wěn)定區(qū)、原油儲罐區(qū)、消防用水區(qū)等幾個場景單元，并分別在3Ds Max中進行模型構(gòu)建。

步驟四:主要建筑物建模。對于油氣聯(lián)合站的主要建筑及設(shè)備，如油罐、原油穩(wěn)定塔、三相分離器等，要求有較高的逼真度，因此盡可能地使用高分辨率真的紋理映射以提高模型的精細度。

步驟五:次要建筑物建模。對于其它的次要建筑物及設(shè)備如管線、普通房屋等，使用簡單的幾何體和低分辯率的貼圖完成即可。

3．2油氣聯(lián)合站虛擬建模

油氣聯(lián)合站虛擬建模具體是在3Ds Max中構(gòu)建油氣聯(lián)合站的三維模型，模型的精細程度可以根據(jù)實際聯(lián)合站的規(guī)模、教學(xué)的具體方向進行綜合考慮。聯(lián)合站規(guī)模越大、細節(jié)越完整，相應(yīng)生成的文件體積越大，可能會導(dǎo)致在虛擬教學(xué)時進行操作相關(guān)動作的緩慢與延遲。

如圖2所示為在3D max 2009中的油氣聯(lián)合站模型，該模型包括聯(lián)合站中的油氣分離區(qū)、原油穩(wěn)定區(qū)、原油儲罐區(qū)、消防用水區(qū)等區(qū)域。油氣分離區(qū)主要設(shè)備是三相分離器、電脫水器與沉降罐，三相分離器的功能是將管線運輸而來的油氣水混合物進入密閉油氣分離脫水裝置進行油、氣、水的分離。電脫水器的功能是在高壓電場的作用下，原油中的水顆粒發(fā)生碰撞聚結(jié)合并，靠油水密度差分離沉降到脫水器底部，流入集水室，經(jīng)排水管放出，脫出凈化油匯于脫水器頂部集油管，經(jīng)油管排出。沉降罐是原油初步處理設(shè)備，可以含水原油進行初步沉降分離處理，以此降低含水率至30～50%以下。原油穩(wěn)定區(qū)主要設(shè)備是原油穩(wěn)定塔，其功能是對分離的原油進行穩(wěn)定處理。原油儲罐區(qū)主要設(shè)備是儲油罐，功能是存儲原油;消防用水區(qū)的主要設(shè)備是儲水罐及消防泵房，主要功能是存儲消防用水。除上述這些功能區(qū)域外，該模型中還包括了連接各個區(qū)域的油氣管線。

3．3油氣處理設(shè)備建模

在實訓(xùn)教學(xué)中，不僅需要對油氣聯(lián)合站進行瀏覽參觀學(xué)習(xí)，還需要學(xué)習(xí)相關(guān)油氣處理設(shè)備的設(shè)備構(gòu)成與工作原理。以原油脫水處理設(shè)備為例，原油脫水設(shè)備包括沉降罐、電脫水器等。沉降罐如圖3所示為3ds max 2009中沉降罐建模示意圖。沉降罐是原油初步處理設(shè)備，可以對含水原油進行初步沉降分離處理，以此降低含水率至30%～50%以下。圖4所示為電脫水器建模示意圖。電脫水器是原油脫水處理裝置的一種，它的脫水原理是在電場中通過電場對水滴的作用，消弱水滴界面膜的強度，促進水滴碰撞，使水滴聚結(jié)成粒經(jīng)較大的水滴，在原油中沉降下來。

3．4模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件EON Studio

完成油氣聯(lián)合站模型及相關(guān)設(shè)備模型的建模工作，將上述所建模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件EON Studio，并根據(jù)實訓(xùn)教學(xué)需求，在EON中添加參觀線路、功能介紹、設(shè)備操作動作等內(nèi)容。圖5所示為虛擬油氣聯(lián)合站鳥瞰圖。

4　基于EON軟件的油氣聯(lián)合站虛擬實訓(xùn)教學(xué)

油氣儲運專業(yè)學(xué)生所需要的實訓(xùn)場站——油氣聯(lián)合站是一個生產(chǎn)流程嚴謹，安全控制嚴格的生產(chǎn)型工廠，它存在著高危險、高成本、高能耗等具體的問題，未經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的學(xué)生根本無法在這樣的環(huán)境中完成實訓(xùn)教學(xué)所規(guī)定的內(nèi)容。該專業(yè)的學(xué)生在完成學(xué)業(yè)后只是學(xué)習(xí)了聯(lián)合站相關(guān)的理論知識，卻從未參觀過真正的油氣聯(lián)合站，不了解聯(lián)合站的生產(chǎn)過程。這種只進行理論教學(xué)，而忽視現(xiàn)場實踐的培養(yǎng)方式存在著明顯的短板，學(xué)生不能在現(xiàn)場進行實際操作，學(xué)習(xí)專業(yè)技能也就無從談起［5，6］。

而通過EON Studio軟件虛擬顯示的油氣聯(lián)合站可以最大限度地還原油氣聯(lián)合站的情境、生產(chǎn)流程及機械操作方式過程，學(xué)生身臨其境，仿佛置身于油氣聯(lián)合站的生產(chǎn)環(huán)境之中，并且可以讓學(xué)生以虛擬操作的方式對相關(guān)處理設(shè)備進行操作，并觀察操作結(jié)果，能夠使學(xué)生在實踐層面上深入學(xué)習(xí)理論知識及具體生產(chǎn)操作技能;在虛擬仿真的油氣聯(lián)合站中進行學(xué)習(xí)不需要前往油氣聯(lián)合站現(xiàn)場，影響其正常生產(chǎn)秩序，同時也可以避免學(xué)生因誤操作而可能會引發(fā)的生產(chǎn)事故，最大程度兼顧實訓(xùn)效果與學(xué)生人身安全，實現(xiàn)經(jīng)濟成本與人身安全的最大優(yōu)化。

［1］簡祖平．向新加坡“教學(xué)工廠”學(xué)什么——從教學(xué)工廠的概念談起［J］．中國職業(yè)技術(shù)教育，2010(7):34－36．

［2］許亞嵐．煉油化工虛擬工廠建設(shè)與情境教學(xué)探索［J］．化工高等教育，2013(6):59－62．

［3］許亞嵐．基于虛擬工廠的實踐教學(xué)體系構(gòu)建與實施［J］．高教論壇，2013(2):85－87．

［4］崔盟軍．三維建模軟件在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用［J］．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報，2010，12(1):68－71．

［5］黃鑫．基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究［D］．武漢:華中師范大學(xué)碩士研究生論文，2005．

Construction of Virtual Oil and Gas Station Applied to Practical Teaching

SU Xin
(Department of Computer＆Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Practical teaching is an important part of higher vocational education，but real practical teaching in the face of high risk，high cost，high energy consumption and other specific problems．This paper puts forward a virtual oil and gas station applied to the practical teaching，and puts forward practice operation content，students perform professional practice in virtual environment，so as to realize both practical teaching effect and ensure the personal safety．

virtual;oil and gas station;practical teaching

TE8-45

B

1008-9446(2015)02-0013-05

承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(虛擬油氣聯(lián)合站教學(xué)工廠的設(shè)計與研究):201422105

2014-12-04

蘇欣(1981－)，男，河北承德人，承德石油高等專科學(xué)校計算機與信息工程系講師，碩士，主要研究方向為數(shù)字媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。