基于VR技術高含硫天然氣場站培訓平臺的開發與應用

譚紅 何軍 徐揚 張瑛茵 張雪瑩

【摘? 要】高效的安全培訓能提高石油行業員工的專業技能，是確保天然氣場站安全運行的重要措施之一。論文基于虛擬現實技術，設計并開發了天然氣采氣場站仿真培訓平臺，應用結果表明該平臺實現了在虛擬場景中開展巡檢培訓，為企業員工安全培訓提供了嶄新模式。

【Abstract】Efficient safety training can improve the professional skills of oil industry employees， which is one of the important measures to ensure the safe operation of natural gas station. Based on virtual reality technology， this paper designs and develops a simulation training platform for natural gas production station. The application results show that the platform realizes the development of inspection training in virtual scene， and provides a new mode for safety training of enterprise employees.

【關鍵詞】天然氣場站;VR技術;培訓平臺

【Keywords】natural gas station; VR technology; training platform

【中圖分類號】TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0194-03

1 引言

由于高含硫氣井的高風險性和不斷深入開發，傳統的事故應急演練培訓方式已無法更好地滿足天然氣安全生產的培訓需求。為了彌補傳統培訓的弊端，將虛擬現實技術與實際操作培訓相融合，設計并開發出了天然氣場站培訓平臺。不僅能夠在沉浸式的虛擬場景中開展場站的日常巡檢和應急處置演練，同時，也避免了重復培訓和資金、人力的投入，其應用有利于企業提高安全管理水平。

2 虛擬現實技術概述

虛擬現實技術（Virtual Reality）是利用計算機模擬虛擬環境給人以環境沉浸感，從而實現人機交互。虛擬現實技術具有以下三個主要特性[1]：

多感知性：指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，等等。

交互性：指操作在虛擬環境所遇到的各種對象相互作用的能力。操作者能夠像在自然環境中一樣行走、拿取物件，甚至進行一些專業的操作，同時，虛擬環境能給出與真實環境相同的反饋。

動作性：要求操作者以客觀熟悉的方式在虛擬世界中操作，讓其感受到眼前的是一個真實的環境。

3 系統結構設計

天然氣采氣場站仿真培訓平臺是參照真實高含硫天然氣場站設備設施及實際工況而搭建的一個虛擬場景，利用該系統可以對員工開展站場巡檢要點培訓、考核和緊急情況應急處置考核兩大功能[2]。

3.1 系統特點

①高度還原，用虛擬現實技術高度還原真實場站原貌;

②交互性強，刻錄站場各類工況數據真實，操作者可與虛擬設備互動;

③考核前可由教師自由選擇障礙點及考核內容，測試學員掌握情況;

④事故場景模擬逼真，如泄漏、煙霧、爆炸、燃燒等;

⑤對每個操作步驟后臺賦予相應分值，考試時系統自動計分，利于成績對比分析;

⑥可擴展性強，后續可拓展開發多場站、多角色聯動應急處置等。

3.2 系統設計與實現

根據虛擬仿真技術需求，將整個構架分為以下幾個部分搭建[3]。

3D建模：按1：1的比例復原整個天然氣場站原貌，模擬真實生產運行參數，初步實現場景搭建（圖1）。

UI設計：UI設計是指對軟件的人機交互、操作邏輯、界面美觀的整體設計。需要在編碼之前做好交互設計，確立交互模型、交互規范。

巡檢要點及應急演練腳本設計：本系統設計了一個典型高含硫場站應包含的關鍵巡檢點及其巡檢內容要求，開發了多個泄漏程度條件下的應急處置腳本，整理了對應操作的邏輯關聯順序、判定條件和嚴密的計分規則（圖2）。

交互性能開發：交互性是本平臺的核心，專業特點與虛擬現實技術充分結合，同時，保證其穩定性。包括以下方面[4]：

①閥門儀表操作：還原閥門的開關變化及其引起的壓力等儀表讀數變化，高精度模擬場站操作效果;

②泄漏、爆炸場景：真實模擬出站場在發生氣體泄漏和爆炸時的視覺與聽覺效果，配置嚴密的程序邏輯，達到操作思維和感官反饋與現實基本一致;

③工具選擇：實現工具日常的使用功能，實現即選即用，方便直觀;

④視覺追蹤與切換：實現視覺基本功能，同時，結合用戶輸入，實現多視覺追蹤和切換;

⑤教師端功能：實現考核選擇、畫面角度控制、考核得分查詢等，全方位掌握整個平臺;

⑥數據通信：本軟件教學部分采用C/S軟件體系結構，成績查詢采用B/S框架設計。

4 系統平臺關鍵技術

本系統表現為硬件模擬系統真實生動;軟件系統操作簡單方便、功能完善等特點。在系統無真實介質的情況下，軟硬件相互補充，使整個系統操作更加準確、逼真[5]。

4.1 硬件系統關鍵技術

建立天然氣場站生產現場設備材質、結構、尺寸等一致的工藝系統。由于虛擬仿真系統沒有介質流動無法通過傳感設備提供實時的壓力流量變化，所以在本系統中對閥門操作采取預設模擬。通過對不同閥門（多圈閥門、90°開關閥門、電動閥門、安全閥等）開度設計，采用不同方法實現閥門信號多級感知，實現相應的壓力、流量等生產工況變化。

4.2 軟件系統關鍵技術

建立應急處置各操作步驟內在邏輯關系，嚴密計分規則，避免系統漏洞。采取雙人角色（班長、班員）同時考核，不同職責存在不同分工（下達應急指令、語音匯報、應急處置分工等），計分規則嚴格遵循相對應的崗位職責。

由于在虛擬空間沒有物體的真實握感，在操作某些相對復雜的工具時會比較困難，對此本系統簡化了部分工具的使用過程，但保留其用途及使用效果，讓測試者的精力和時間花在應急處置程序上。

5 系統應用

該系統可分為教師端和操作端考核兩大功能。

5.1 教師端功能

考核教師在考試前可自主選擇員工的考核內容或者考核中出現的障礙，考試開始后可全程任意捕捉角度畫面并進行打分，考核成績會傳輸到教師端和服務器，考試結束后可以查詢操作端考生的錯誤操作事項以及過往成績對比。

5.2 日常巡檢培訓及考核

將高含硫場站日常巡檢要點植入，人員靠近某一設備區域將自動彈出本設備相關信息。對所有需要巡檢的設備儀表都賦予分值，得分條件也與日常巡檢要求相同（如檢查儀表視線要三點一線，輕敲儀表，系統的計分規則也是如此），員工可“真實”開展巡檢，查詢巡檢得分情況。新入廠員工在感知和觸摸的環境中學習更能激發參與感，迅速掌握基本技能（圖3）。

5.3 多種泄漏條件下的應急演練考核

系統設置了多種泄漏點，允許雙人（一個班長、一個班員）開展演練考核。泄漏點可能需要在巡檢中發現，也可能是接到突發報警信號，員工需要判斷泄漏點位置以及泄漏大小等情況，采取相應的處置措施，整個處置過程的語音匯報、應急操作由兩人協作完成，計入總成績，考核時間30min，超時自動結束考核。

在現場操作錯誤時，會引起設備起火爆炸等極端后果（圖4），考核會自動結束并打分。

6 結語

本VR培訓軟件在重慶某天然氣公司員工個人能力培訓中逐漸推廣。按照虛實結合、相互補充、能實不虛的原則開發，讓培訓資源多樣化，減少了培訓資金投入，解決企業生產過程中不方便依靠生產裝置進行的培訓需求，有利于企業員工將傳統理論知識轉化為實際操作技能。

虛擬現實技術開啟了三維應急仿真演練的新紀元，接下來我們將進一步探索，著力對天然氣行業復雜設備仿真培訓系統資源進行開發。

【參考文獻】

【1】王娜，沈力，鄧舒平.VR虛擬現實在電力安全生產教育培訓中的應用[J].通訊電源技術，2017（34）：166-169.

【2】葛銘，朱一龍，魏江，等.石油化工沉浸式3D仿真系統的設計與實現[J].計算機與應用化學，2017（34）：491-496.

【3】李曉東，曲本全，陳暉，等.虛擬仿真軟硬件技術在實踐教學的應用與探索[J].實驗技術與管理，2017，34（3）：130-137.

【4】許靜，曹揚.基于VR虛擬現實技術的電力安全與操作虛擬培訓系統研究與應用[J].智庫時代，2017（16）：177-178.

【5】吳元忠.基于VR技術的電力安全執規方針系統開發[J].通訊電源技術，2018，35（2）：23-26.