采油廠安全培訓虛擬仿真平臺設計

徐士凌

摘要： 針對采油廠傳統安全作業培訓方法成本高、培訓效果不佳等問題，本文采用三維模擬仿真技術對采油廠安全培訓虛擬仿真平臺進行設計實現。文中設計了安全培訓虛擬仿真平臺的體系結構與系統組成，重點闡述了安全培訓虛擬仿真平臺中虛擬人建模、靜態事物及動態事物建模等三維場景建模方法，研究解決了虛擬仿真平臺中層次細節及碰撞檢測等關鍵技術。實踐結果顯示，本平臺中的交互式操作演練及高度還原的事故案例明顯提高了安全培訓的效果，達到了減少油田培訓成本、提高員工安全意識與操作水平的目的。

Abstract： For the problems of high cost and poor training effect of traditional safety training methods in oil production plant， this paper designs and realizes the virtual simulation platform of safety training in oil production plant by using 3D simulation technology. The virtual human simulation modeling， static and dynamic objects three dimensional scene modeling method are mainly introduced， and the level of detail and collision detection key technologies are solved in this virtual simulation platform. The results of practice show that the interactive operation drill and the highly reduced accident case obviously enhanced the security training effects， reduced the cost of oil field training and improved staff safety awareness and operational level.

關鍵詞： 三維模擬；虛擬仿真；場景建模；交互式控制

Key words： 3D simulation；virtual simulation；scene modeling；interactive control

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0078-03

0 引言

隨著油田的深入開發，采油廠在石油開采過程中的各種作業工藝變得越來越復雜，安全生產過程中的隱患問題日益突出，安全事故經常發生[1]。因此急需對石油生產一線的作業人員進行切實有效的、系統的安全操作技術培訓，特別是一些危險作業的操作方法的培訓。提高油田工作人員安全技術水平和預防、處理事故的能力，對于石油的安全生產至關重要，其中向油田職工展示以往的錯誤操作致使石油生產過程中發生的事故案例非常必要，以此達到警示的作用。

傳統油田安全操作培訓大部分是以文字資料和多媒體課件為主、實物操作訓練為輔的方式進行集中培訓[2]。這種形式的培訓存在很多問題，例如通過書本學習的培訓方式枯燥無味，實物操作訓練的成本很高，設備和培訓人員的數量都受到限制，難以控制設備的操作時間，由于無法還原事故案例現場，很多事故無法真正再現給培訓人員，如果在實際生產操作中遇到了緊急情況，員工依然是手足無措、容易發生事故，培訓效果不理想，無法實現實時交互式操作訓練功能[3，4]。

因此，針對傳統培訓方法的不足，本文借鑒現代化油田安全培訓方法，將虛擬現實技術應用于采油廠的安全培訓中，使用三維模擬仿真技術，再現采油廠發生過的事故案例現場，描述每個案例的經過和預防措施，以人機交互的方式展現在員工面前，實現三維的高度仿真效果，使培訓者如親臨生產或事故現場。將三維模擬仿真技術應用到油田培訓工作中，讓培訓者在這個過程中既能學習到正確的操作步驟，又能起到防范的作用，很大程度上解決了油田培訓中的困難， 對油田的安全生產與管理起到積極的推進作用。

1 系統設計

采油廠事故案例虛擬仿真平臺主要利用虛擬現實技術，將采油生產事故案例和安全防范措施進行仿真，仿真平臺主要應用3DS Max進行建模、貼圖和渲染，通過Virtools工具將各個三維模型按照一定的結構進行集成，用來組建完整的場景，仿真平臺可以通過接口如鼠標、鍵盤、控制手柄、操縱臺等輸入設備實現設備操作、故障處理等來實現人機交互。

本文的虛擬仿真平臺根據系統的分層結構進行劃分，可以分為數據服務層，仿真管理層、用戶界面層三個層次。操作者與系統進行交互時，通過界面顯示層輸入數據的訪問請求，通過仿真層中的各種服務，轉換為對數據服務層的訪問請求，數據服務處理請求后，將結果通過中間層，返回給界面層輸出。該系統的體系結構如圖1所示。

采油廠事故案例虛擬仿真平臺由模擬仿真訓練、事故案例再現、應急救援措施三個部分組成。模擬仿真訓練主要實現采油工、電力變電、抽油機等安全操作的三維仿真，同時可以自由漫游于井廠配電間等；事故案例再現主要通過三維技術再現采油廠近些年發生的典型安全事故案例，并且分析事故原因；事故應急救援主要針對采油廠易發生的配電失誤、油氣泄露導致爆炸等事故，制作完整的事故應急救援三維仿真。系統組成結構如圖2所示。

2 場景建模

在三維仿真系統中最重要的是場景數據庫的管理與三維模型的建立，整個場景三維建模過程也就是場景數據庫的建立和管理過程[5]。建立場景數據庫首先要做好前期準備工作，收集和處理數據，并且確定場景數據庫的層次結構，其次是建立三維實體模型，最后對模型進行集成優化并測試，場景數據庫建立流程圖如圖3所示。

采油廠事故案例虛擬仿真平臺中的物體模型分為三大類：虛擬人、靜態物體模型和動態物體模型。虛擬人為供操作人員控制的替身或是與操作人員控制的替身合作完成任務的助手或監護人等；靜態物體模型為場景中靜止不動的實體模型，例如房屋、樹木、道路等地形、地物；動態物體模型指的是具有運動屬性的各種仿真實體模型，如按鈕、開關、閥門等[6]。

2.1 虛擬人建模

虛擬人是整個虛擬仿真平臺的主體，其中人物模型的建立、人和動態物體間的行為描述對虛擬仿真平臺的質量起決定性作用。由于虛擬人具有運動的特性，為了使虛擬人的動作看起來更加流暢、更加合理，本平臺采用曲面細分建模技術來構建虛擬人的外形，其特點是虛擬人在運動過程中產生的皮膚拉伸和擠壓不會失真，并且運用正向運動與反向運動學技術對人物骨骼的運動進行虛擬仿真，然后通過蒙皮技術將人物的外形與骨骼模型進行連接最終構建了完整的虛擬人。虛擬人的動作表現、行為控制、人與物體的交互也是虛擬仿真平臺的關鍵問題[7]。

通過對油田作業中常見操作活動的分析，將油田工人的一個操作活動分解成幾個基本行為，而每個基本行為是由幾個基本動作的不同組合完成，現將這些基本動作進行分類，建立人物動作庫，庫中的動作包含了操作活動的所有基本動作，每個動作在語義上是獨立的，并且具有可重用性和通用性，這樣一個操作活動就可以通過基本動作的組合來實現。

2.2 靜態物體建模

靜態建模大部分是通過幾何建模技術，利用建模工具從形狀以及外觀上對實體進行模擬，并且通過使用紋理映射等方式來降低模型的復雜度[8]。根據井場內實體的位置和重要程度確定建模順序，然后分別對其進行建模，最后進行集成。3DS Max建模工具為用戶提供了優秀的樹狀層次結構來組織管理模型，并且3DS Max中的圖形操作非常靈活，因為可以從最基本的元單位點、線、面等開始建立自己的三維模型，而且建立的所有三維模型都是通過樹形結構組織在一起的。

2.3 動態物體建模

在虛擬仿真平臺中，閥門的開關，分離液的流動等都屬于動態物體建模。對運動部件進行動態建模時，首要任務就是建立運動對象，其方法是在已經建好的模型文件中添加自由度節點，設立其相應的局部坐標，并進行定位[9]。在本文中通過粒子系統制作分離液和氣體流動的動態效果，來實現液體、氣體等不規則物體的模擬仿真。在不規則物體的建模方法中，相對來說粒子系統是一種比較好的方法，該方法的特點是能夠用很小的計算代價達到真實感很強的模擬效果，能充分體現不規則物體的動態性和隨機性[10，11]。本文中把分離液和被分離出的氣體都定義為粒子，這些粒子是具有生命周期并且是隨機運動的，而且粒子的運動狀態能夠被改變，通過動態控制粒子的運動軌跡來實現液體和氣體沿著管道內壁流動的效果。分液的流動效果如圖4所示。

3 關鍵技術

3.1 層次細節技術

在本平臺中采用層次細節技術進行場景優化，使用一組復雜程度逐漸增加的層次細節模型描述相同的對象，在場景漫游時，根據虛擬人視點距離目標實體模型的遠近來選擇不同層次的細節模型，當視點和目標實體的距離較大時，選用細節程度較低的模型，反之則選用細節程度高的模型，動態調節虛擬場景中模型的復雜度，這種技術使系統在不影響整體視覺效果的同時又提高了場景的運行效率，實現不同視點觀看到復雜程度不同的模型，建立的四合一罐效果如圖5（a）、（b）所示。

3.2 碰撞檢測技術

本文中虛擬平臺的交互控制主要有系統漫游，控制閥門、開關等操作，而實現交互控制的重點就是碰撞檢測。為了避免平臺中兩個不可穿透的物體彼此穿透，所以在虛擬現實的建模中經常會用到碰撞檢測技術。

本文中的碰撞檢測是根據兩個物體的相對位置計算它們之間的距離，例如現在進行更換法蘭墊片操作，虛擬人需要行走到設備前，系統實時檢測虛擬人與設備的相對位置，當人與設備的距離L超過系統設定的距離Ls時，則不會發生碰撞，人繼續朝著設備行進，當L

4 結論

本文建立了采油廠安全培訓虛擬仿真平臺，通過三維模擬仿真技術模擬了采油生產過程與典型事故案例的再現事故應急。由于在生產崗位中的各種關鍵設備，在正常生產情況下是無法看見其內部結構和它們的運轉情況的，培訓時為了能使學員們了解設備的內部結構，本文在三維軟件中按比例建立了四合一罐實物的整體和分部模型，建立場景數據庫，然后進行整體效果渲染，模擬設備的運行，使學員有身臨其境之感。

本文中的虛擬仿真平臺融入了采油廠安全培訓的知識，并且其平臺的交互性與可操作性極大地增強了培訓人員的學習效果，提高了操作人員的應急處理能力與操作水平，并在很大程度上減小了油田培訓的成本，對于油田的數字化發展有很大的意義。

參考文獻：

[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）：205-208.

[2]Wu J X， Chen G C， Chang C W， et al. Development of virtual-reality simulator system for minimally invasive surgery （MIS） using fractional-order vascular access [C]. SAI Computing Conference（SAI）， 2016. IEEE， 2016： 1257-1259.

[3]張銘江.油田井控安全教育培訓系統的設計及實現[D].大慶：東北石油大學，2016.

[4]閆蘇斌.基于虛擬現實技術的鉆井安全培訓系統設計[J]. 科技與企業，2015（13）：73-74.

[5]Luca Chittaro， Roberto Ranon. Web3D technologies in learning， education and training： Motivations， issues， opportunities[J]. Computers & Education， 2007， 49（1）： 3-18.

[6]李金永，吳寅生，鄭建峰，等.基于Unity3D的油田作業仿真考核系統移動設備客戶端的設計與實現[J].系統仿真技術， 2016，12（1）：71-77.

[7]吳桐桐，周國輝.基于虛擬現實的三維建模技術的研究[J]. 智能計算機與應用，2016，6（2）：113-115.

[8]喻曉和.虛擬現實技術基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2015.

[9]趙國梁.綜采工作面安全生產虛擬現實系統關鍵技術研究[D].西安：西安科技大學，2012.

[10]張紅巖.基于虛擬現實技術的煤礦安全培訓系統[J].工礦自動化，2014，40（2）：88-92.

[11]劉宇航，顧營迎，高瞻宇，等.基于實時手勢識別與跟蹤的人機交互實現[J].科學技術與工程，2016，16（24）：71-78.