石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

白金美 張少輝 何巖峰

[摘要]石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心利用信息化技術，結合石油行業的特點和高等工程教育的發展需求，以培養學生的工程實踐能力和創新能力為目標，深入開展了虛擬仿真實驗教學探索和研究，凝練出“遞歸跟進式”實踐教學理念，形成了“五目標、三層次、三模式”特色鮮明的培養體系。經過多年發展，中心在實驗教學體系建設、教學模塊設計開發、教學模式實施、開放共享等方面取得了顯著成效。

[關鍵詞]石油鉆采;儲運工程;虛擬仿真;實驗教學

[中圖分類號]G642.423 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）07-0060-03

信息技術對高等教育發展具有革命性影響，推動信息技術與教育的雙向融合創新是促進高等教育改革創新、提高高等教育質量的有效途徑。信息技術在教育教學領域和管理過程中的應用正在逐步深入，虛擬仿真實驗教學中心的建設順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，是學科專業與信息技術深度融合的產物。其有力地促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革，激發了學生的學習積極性，拓展了學生學習的時空，促進了學生實踐創新能力的全面提升。

石油鉆采與儲運行業安全生產責任大、生產任務重，在企業進行實踐教學的難度大;鉆采與儲運機械價格高昂、耗電驚人，實踐培訓成本高;鉆采與儲運現場工作環境復雜、事故隱患多、安全風險大，很多實驗難以采用傳統的方式實現，無法保證教學效果。鉆采和儲運是密切聯系的兩個石油生產環節，國內高校分別側重于培養為石油鉆采服務的工程師和為石油儲運服務的工程師。經調研，國內已建成的虛擬仿真實驗中心，面向的教學對象分別為石油工程專業或油氣儲運工程專業的學生，這樣培養出的人才知識結構較為單一。為此，常州大學基于自身在石油工程、油氣儲運工程、油田化學、油氣安全工程等方面的綜合優勢，針對石油行業特點和高等教育內涵式發展對實驗教學和人才培養提出的新要求，在與中國石化共建的國家級工程實踐教育中心和兩個省級實驗教學中心的支撐下，組建了服務于石油與天然氣工程領域人才培養的石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心。經過10多年的建設和發展，現已成為特色鮮明、多學科融合、具有示范和共享作用的教學科研基地。其建立了6個虛擬仿真實驗教學模塊，探索實施了3種虛擬仿真教學模式，產學研深度融合，自主研發了大量工業化的仿真訓練教學裝備及軟件，為學生提供了系統化、高水平的石油工業虛擬仿真實踐教學平臺。

一、構建系統化虛擬仿真實驗教學體系

石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心在江蘇省重點建設礦業類專業（石油工程與油氣儲運工程專業）、教育部綜合改革試點專業（安全工程）等優勢明顯和特色鮮明的教學科研平臺支持下，凝練出了保障人才培養質量的“遞歸跟進式”教學理念，構建了獨具特色的“五目標、三層次、三模式”的虛擬仿真實驗教學體系。學生通過在高度仿真的虛擬環境中完成實驗，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，達到了教學大綱培養目標的要求。虛擬仿真實驗教學體系如圖1所示。

經過多年的教學實踐和完善，以“教學情景化、課程模塊化、實訓平臺化、能力工程化、素質綜合化、監控常態化”的“五目標”為基礎，建立了“專業基礎實驗”“培養工程實踐能力的專業實踐教學”“培養創新能力的科研與實訓教學”的“三層次”的訓練教學核心環節，安全環保教育貫穿全部環節的油氣鉆采儲運工程實踐教學體系。在教學過程中，利用油氣井工程（鉆井）、油氣田開發工程（采油）、油氣集輸、石油處理與管輸、天然氣處理與管輸和油氣安全應急處理等6大虛擬仿真實驗模塊的100余套仿真軟件，可安全地模擬地層和密閉管道中“不可視”環境下的油氣流動與設備工況，并通過人機交互將操作結果及時反饋給操作者，從而讓操作者得以“視微”而了解地下油層內的微觀油氣滲流規律;得以“知著”而了解到生產工藝流程的各環節之間的相互影響和協調性;得以“習邇”而能夠根據計算機的模擬仿真結果，學習診斷和解決復雜故障的方法;得以“及遠”而掌握使用自動化裝置遠程操作的能力。這加強了學生對石油鉆采與儲運工程的基本認知，強化了基本實踐操作技能，實現了與生產現場的零距離接觸，可以有效培養學生的實踐能力與創新精神。

二、“遞歸跟進式”教學理念

“需求一目標一實施一評價一反饋一改進”閉式循環改進的跟進式教學理念對于持續改進教學質量非常有效，可以將其引入實踐教學環節。仿真中心先將此閉式循環引入培養方案的設計與改進，根據企業的需求確定實踐課程;然后將此閉式循環引人實踐課程中對實踐項目進行設計與改進，確保實踐項目的內容和數量滿足培養方案中對應用型工程技術人才工程實踐能力的培養要求;最后，將此閉式循環引入每個實踐項目中，對該次課的教學內容進行設計與改進，確保知識目標和能力目標的達成。總體上看，為培養出企業需要的人才，需要將教學質量持續改進的閉式循環從宏觀的調整培養方案，向設置實踐項目，以及更為微觀化的規劃實踐課程的教學內容方向逐步深入，是同一個閉式循環逐步深入地自身調用，這就是“遞歸跟進式”實踐教學理念，具體如圖2所示。

三、虛擬仿真實驗教學模塊建設

石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心結合教學需求和專業特點，不斷豐富教學資源，建立了油氣井工程（鉆井）、油氣田開發工程（采油）、油氣集輸、石油處理與管輸、天然氣處理與管輸和油氣安全應急處理6個虛擬仿真實驗實訓教學模塊和100余套仿真軟件，使不可視、不可及的作業場景可視化，使不可控、不可逆的場景重復再現化，使高風險、高污染的作業安全環保化。本文介紹其中3個模塊的功能和特點。

（一）鉆井工程虛擬仿真實驗教學軟件模塊

鉆井工程虛擬仿真實驗教學軟件模塊共開設17個實驗實訓教學項目，主要適用于本科3年級以上、專業核心課和專業選修課階段的教學。本模塊實體主要由計算機數據仿真控制系統、3D鉆井作業場景動畫系統、實體教學設備（鉆機模型、井控設備模型、泥漿循環系統模型、鉆井管柱模型等）、多媒體顯示器、模擬音效系統等五大系統組成，完整地再現石油鉆井工藝操作流程，展現工作現場場景和工作氣氛，提高學生對鉆井作業現場的感性認識，具體如圖3所示。

（二）油氣集輸虛擬仿真實驗教學軟件模塊

實體設備主要由油氣集輸設備仿真模型、天然氣長輸管道虛擬仿真實訓裝置、原油長輸管道虛擬仿真實訓裝置、油氣水三相流虛擬仿真實訓裝置等組成。該平臺能夠真實展現油氣集輸的地下、地上相關整個工藝流程并實現互動操作。通過本教學模塊的項目訓練，學生可以學習油氣集輸中五站（采油站、計量站、轉油站、注水站、聯合站）設備的工作原理、分布、功能和使用方法，掌握常見的油氣集輸工藝，實現油氣集輸設備仿真實訓、天然氣及原油長輸管道工藝虛擬實訓、油氣水三相流虛擬實訓等教學功能，具體如圖4所示。

（三）天然氣處理及管輸實驗教學軟件模塊

本模塊主要針對天然氣處理控制設備進行模擬仿真，具備完整的控制功能和操作畫面。可實現天然氣生產過程中參數、設備的控制;流程和趨勢的顯示;故障設置、報警和處理;圖表的產生和繪制等功能。最終實現：可模擬再現天然氣處理生產情景，滿足天然氣處理生產過程所有項目的操作訓練和考核的需求。

通過本教學模塊的項目訓練，學生可以學習天然氣處理的關鍵設備的工作原理、分布、功能和使用方法，掌握常見的天然氣處理工藝，實現天然氣處理工藝操作、故障處理仿真實訓等功能，具體如圖5所示。

四、探索多元化虛擬仿真教學手段

為了保障虛擬仿真教學內容的順利開展，石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心不斷加強研究與實踐，開發了桌面式虛擬實驗、沉浸式仿真訓練、親歷式互動實訓3種虛擬仿真教學模式，根據教學目的，因地制宜，合理實施，相互補充，促進了實驗教學效果顯著提升。

（一）桌面式虛擬實驗

根據特色化的石油鉆采和儲運工程實踐教學項目，進行了實體實驗設備和桌面式虛擬仿真教學軟件的研發。桌面式虛擬仿真教學軟件指采用虛擬現實技術模擬鉆采井場、儲運場站、設備等，將井下和生產設備內不可視的場景展現為安全可視的三維虛擬場景，是人機互動相對較少的軟件。仿真中心重點對實體裝置無法模擬的高溫高壓、易燃易爆和高成本實驗進行了“桌面式”仿真教學軟件的開發，共形成軟件50余套，顯著提高了學習效率。

（二）沉浸式仿真訓練

根據各個層次實踐內容的特點，開發沉浸式虛擬仿真軟件，即具有視、聽等多種感知的逼真虛擬環境，可在計算機上模擬鉆進、開采、儲運、事故處理等活動，進行交互式視景仿真和信息交流的軟件。同時，針對多人在線的情況，學生還可以進行模型化、角色化、事件化的訓練模擬，使其訓練更接近真實情景。

（三）親歷式互動實訓

基于工程實踐教育中心的實體實驗設備資源，開發“虛實結合”的親歷式虛擬仿真軟件，即將石油勘探開發相關實驗設備、油氣田現場生產作業裝備制作成模型，具備真實裝備所具有的相關結構、功能，將其與虛擬仿真軟件相對接，使操作者實現仿真裝備與虛擬環境的有效互動。此類軟件的單次操作人員少，但更為接近真實工況。

五、結束語

石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心經過長期的教學實踐與文化積累，在教學理念、教學體系、教學平臺、評價機制等方面都取得了新發展。已經建設成為全面落實工程素質教育，培養兼通油氣儲運和石油工程知識的高層次工程應用型人才的重要基地。目前，仿真中心開設的實驗實訓教學科目類型齊全，滿足了全校不同專業對石油與天然氣工程訓練教學的需要，提高了大學生的實踐動手能力。仿真中心的實踐教學體系完善，師資工程經驗豐富，創新能力強，實驗教學效果好，本科生受訓后的創新精神、工程能力和團隊合作精神明顯提高。中心將繼續夯實基礎，突出特色，堅持產學研結合可持續發展的道路，不斷加強自身內涵建設，促進實驗教學改革與創新。