石油工程生產事故應急實訓虛擬仿真系統開發研究

倪攀 孟海龍

摘? 要：21世紀以來，世界范圍內不斷發生著各種各樣的事故，但現有的應急預案制定過程中由于缺乏科學的理論和方法的指導，大多數應急預案基于管理者個人經驗或照搬照抄其他預案，導致所制定的應急預案自身存在應急責任不清、對整個應急過程中的需求和責任分析不充分、方案措施缺乏針對性等問題。在突發事件應對過程中，人們逐漸認識到文本應急預案形式所存在的不足，開始積極探索運用計算機信息技術、網絡技術、仿真模擬技術等現代科技手段提升應急預案功能的技術方法。基于此，開發出一套石油工程生產事故應急實訓虛擬仿真系統，能讓學生掌握石油HSE生產知識和石油工程作業場所的危險辨識、風險評價和應急控制的基本方法。

關鍵詞：石油工程;事故應急;實訓教學;仿真教學

中圖分類號：TP391.9;G712? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0097-03

Development and Research of Virtual Simulation System for

Petroleum Engineering Production Accident Emergency Training

NI Pan1，MENG Hailong2

（1.Tianjin Petroleum Vocational and Technical College，Tianjin? 301607，China;

2.No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company，Ordos? ?017300，China）

Abstract：Since the 21st century，various accidents have been happening all over the world. However，due to the lack of scientific theories and methods in the process of formulating emergency plans，most of them are based on managers’personal experience or copy other plans，which leads to the unclear emergency responsibility，the need and responsibility for the whole emergency process. Some problems such as inadequate analysis and lack of pertinence of scheme and measures are discussed. In the process of dealing with emergencies，people gradually realize the shortcomings of text emergency plans，and begin to actively explore the use of computer information technology，network technology，simulation technology and other modern scientific and technological means to enhance the function of emergency plans. Based on this，a virtual simulation system for emergency training of petroleum engineering production accidents is developed，which enables students to master the knowledge of petroleum HSE production and the basic methods of risk identification，risk assessment and emergency control in petroleum engineering workplaces.

Keywords：petroleum engineering;accident emergency;training teaching;simulation teaching

0? 引? 言

石油工業在我國能源領域中占有極其重要的地位，屬于高度自動化、技術密集型行業，油田的業務范圍具有點多、線長、面廣，屬易燃易爆、有毒有害、高溫高壓的高危行業，抓好應急管理尤其重要而迫切。但由于石油工程生產的特殊性，生產事故偶發的危險性，決定了在實際生產過程中無法依靠生產現場對在校大學生或現場操作人員進行系統、有效的安全應急技能培訓，也導致高素質的生產運行安全人員急缺。為此，依托三維建模、虛擬現實、多媒體、人工智能和網絡通訊等技術，結合國內外先進的教學與培訓理念，建設本項目提出的模擬石油工程生產中常發、易發的安全生產事故，演示事故發生的原因、危害，進行應急處置及預防事故發生訓練的教學實訓系統非常必要。

人類接受知識的過程是多通道綜合作用的過程，這些通道主要有感覺通道，包括視覺、聽覺、觸覺、平衡感覺、嗅覺和味覺;運動通道，包括手、眼、足、身體和語言;思維通道，包括大腦的記憶、分析、聯想和決策。傳統的教學方法只利用了較少的通道，如視覺、聽覺等，因此教學效率不高。現代科學的發展不僅對教學改革提出了要求，也為此提供了可能。充分運用現代科學的思想、方法、技術、手段，特別是系統論、信息論、控制論、協同論、突變論等科學方法及一切現代化媒體和信息與計算機技術的最新成果，使虛擬仿真實訓系統應運而生。

把虛擬仿真技術引入實訓教學，學員置身于仿真環境之中，可以充分調動感覺通道、運動通道和思維通道的學習機能，是學生接受知識的效率明顯提高。借助高技術手段深化教學改革，實現教學訓練模擬仿真化，是一場創新教學手段和方法的變革，而這場變革的核心就是模擬和仿真，再現事故生產現場的真實訓練場景，讓受訓人員熟悉操作規程和應急預案，嚴格按照規程操作，明確事故處置流程，增加針對性，提高教學效果具有重要的意義。

1? 研究內容

針對高職學院石油工程技術專業建設及石油行業發展需要，以應用為導向，按照“學—練—考—評”的教育理念，系統研究的內容包括為綜合知識認知系統、事故應急處置訓練系統以及應急預案研究與創新三個部分。

1.1? 綜合知識認知

將HSE基礎知識、風險預防與應急處置、典型事故案例等難于講解或不易理解的相關知識點，利用三維建模、多媒體制作等技術，制作成多媒體動畫課件，以網絡為載體，實現線上線下的自主學習，旨在達到學習與知識鞏固的目的。

1.2? 事故應急處置訓練系統

利用三維建模、虛擬現實等現代信息技術，情景再現石油工程事故現場，如油井著火、油井泄露、計量間泄露、計量間著火、人員觸電、機械傷害、有毒有害氣體中毒事故等;按照油田生產現場相應應急處置預案，通過三維指令化操作訓練，使學生明確自身職責和任務、掌握事件處置流程、事件處置中的溝通和協調能力、事故處置采取的措施等。

1.3? 應急預案研究與創新

實現應急處置預案的數字化編輯及推演過程，提取應急預案組織結構、應急資源、應急流程階段、評估標準等信息，實現紙質預案向數字化預案的轉變，達到實訓安全預案編制及預案檢驗創新實踐的目的。

2? 研究設計方案

石油工程生產事故應急實訓虛擬仿真系統的受眾為石油工程技術、油氣儲運技術等相關專業的學生及油田生產與管理人員。軟件的設計標準規范包括油氣采集輸相關標準規范、采油集輸事故應急預案、GB 8566-88《計算機軟件開發規范》、CJJ/T 157-2010《城市三維建模技術規范》等。系統以訓練為主、展示為輔、突出實操，旨在提高教學效果。

2.1? 總體設計思路

系統以綜合知識認知、事故應急處置訓練、事故應急推演與創新為教學主線，利用三維建模、虛擬現實、人機交互、多媒體等先進技術，開發具有知識學習與鞏固、模擬演示、沉浸體驗、虛擬操作訓練、情景構建等多模式的教學培訓資源，能夠對不同受眾人員實現“培訓教材標準化、受訓環境情景化、培訓手段現代化、操作訓練多樣化”，提升大學生對石油工程生產事故的應急處置能力、事故處置的協同能力以及事故處置方法的創新能力。

2.2? 知識學習網絡平臺

知識學習網絡平臺主要是三維視頻資源的運載平臺，學生可遠程隨時學習。主要分為學生端和后臺管理端。學生端主要具備視頻的學習功能，考核功能以及課表的查看等功能。學生通過分配的賬號登錄后可以通過我的班級查看本次培訓的班級課程表，對于學生端，該模塊可以幫助學員進行課件資源的學習。學生學習系統具備公告瀏覽、課程學習。課程學習可實現播放、暫停、快速拖放、全屏、聲音調節等功能。基礎知識通過動畫模擬的方式講解，聲音與動畫相結合，展示設備的用途、結構及其原理。學生可以直觀形象地對抽象知識進行學習，提高其學習興趣和學習效率。

2.3? 基于動畫模擬的學習資源

動畫的作用是將課程中難于講解，不易理解的知識點，采用動畫模擬的方式制作成課件，直觀形象，以網絡為載體，實現線上線下學習與交流互動。動畫制作方法流程為：腳本編制—場景建模—設備建模—燈光材質—動作調制—動畫合成—輸出成片（可以為MP4、AVI、FLV、WMV等多種格式，清晰度為1080P），三維建模采用3D MAX軟件開發，合成軟件采用AE平臺開發。

2.4? 事故應急處置訓練系統

利用三維建模、虛擬現實等現代信息技術，情景再現石油工程事故現場，如油井著火、油井泄露、計量間泄露、計量間著火、人員觸電、機械傷害、有毒有害氣體中毒事故等;按照油田生產現場相應應急處置預案，通過三維指令化操作訓練，使學生明確自身職責和任務、掌握事件處置流程、事件處置中的溝通和協調能力、事故處置采取的措施等。

事故應急處置系統是利用虛擬現實技術構建三維可交互式技能訓練系統，系統通過三維可視化、情景化、互動式的培訓方式代替傳統的被動式授課培訓方式，通過學、練、考、評一體化的組合形式，對覆蓋全部事故作業流程、技術要求及注意事項進行情景化教學。系統提供引導模式、訓練模式兩種教學模式，能有效解決教學的成本、安全和效果問題，實現高效培訓。

引導模式是指學員在執行培訓的過程中，系統對于各個任務的完成給予文字步驟提示，以引導學員正確的完成任務，該培訓模式適合用于新學員初期培訓自學及新任務培訓。訓練模式是指在培訓執行過程中，系統不提供引導參考信息，學員需根據培訓設定內容自主完成培訓的模式，在培訓結束后，系統將根據學員的作答情況給出錯誤記錄，該模式適用于學員自測。

2.5? 事故應急三維電子沙盤推演與創新平臺

事故應急三維電子沙盤推演與創新平臺：對于課程中理論知識與實際應用結合密切的知識點，教師或學生形成的問題或案例，進行互動式或探究式學習。發動學生頭腦思維風暴，發揮學生的協作能力，引導學生進行創新創意實踐。情景構建所推演的石油工程事故三維電子沙盤，設置事故點、類型及大小，通過現場查看、資源調配、力量部署等推演過程，實現對事故的分析，預案執行、演練對抗等方面知識的學習與訓練，驗證其推演方案的優劣，并不斷地進行優化改進。

3? 結? 論

通過開發石油工程生產事故應急實訓虛擬仿真模擬系統，能實現教學訓練模擬仿真化，促進了教學培訓模式的改革與創新，還可以豐富教學培訓資源，提升教學培訓質量與學習效率，開發出的項目將可支撐80課時的培訓教學任務，包括事故預防理論與方法、石油工程風險識別、石油工程風險評價、石油工程風險控制、應急管理與應急預案等，在努力應用新科技、研發石油工程應急資源之外，還能促進自適應學習的應用開發，積極應用人工智能拓展石油教學培訓方式，系統具備畫面逼真、直觀形象、可反復使用等特點，將大大降低教學培訓成本，同時提高學習效率和效果。

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作者簡介：倪攀（1982-），男，漢族，湖北漢川人，碩士，副教授，教師，研究方向：石油工程。