虛擬現實技術在油氣管道應急救援培訓中的應用

卓海森

（國家管網集團（福建）應急維修有限責任公司 福建莆田 351100）

0 引言

長輸（油氣）管道作為國家重要的基礎設施和公用設施，關系到國家能源安全和社會穩定。截止2017 年我國長輸天然氣管道總里程數7.4 萬km，預計到2020 年、2025 年，我國天然氣主干管道將分別達到10.4 萬km、16.3 萬km。油氣具有易燃、易爆和毒性等特點，管道的安全運營非常重要。油氣管道長期服役后，會因外部干擾、腐蝕、管材和施工質量等原因，導致火災、爆炸、中毒事件的發生，造成重大經濟損失、人員傷亡和環境污染。長輸油氣管道應急救援能力的建設耗資巨大，基礎設施建設考慮人員辦公值守，應急救援物資存儲，應急救援人員演練和訓練等；設備配備考慮山地、丘陵、沼澤、戈壁灘等復雜地形應急救援物資的運輸設施、帶壓開孔封堵設施、應急通訊設施、堵漏設施等；人員要包括焊接、封堵、機械、電氣、儀表等專業，如何在較少的投入下就能滿足應急救援人員的技能水平，是每家基地都在關注的問題。虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）的發展和應用為解決這一問題提供了一種有效的方法。通過VR 技術，進行人機互動，在虛擬環境中讓人接受培訓，然后階段性的實操考核，既可以滿足人員訓練要求，又大大降低了成本。

1 VR 在管道搶維修中應用的關鍵技術

虛擬現實技術是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合。針對油氣管道搶維修提供針對性的培訓內容，構建虛擬現實培訓環境的關鍵技術包括培訓體系與場景構建、高精度建模、碰撞檢測和數值模擬技術。

1.1 培訓體系與虛擬場景構建

油氣管道搶維修虛擬現實培訓體系的構建主要包括作業流程訓練和安全意識培訓，見圖1。其中作業流程訓練方面細分包括在虛擬環境中完成對設備結構、工作原理、故障分析和維護維修的培訓內容；安全意識培訓方面包括事故體驗、事故處置、風險識別和安全預防4 個主要內容。通過將上述內容構建與開發，使得受訓人員能夠從高度逼真的訓練環境中獲得生動直觀的知識性和感性認識，增進對抽象原理的理解和安全事故的真實體驗。

圖1 基于虛擬現實環境的培訓體系

1.2 高精度建模技術

油氣管道設備多為含有復雜曲面的設備，測繪難度大，難以進行精確建模。為清晰地展示設備的結構和工作原理，除了采用傳統的精確測量工具實地測量以外，對于一些復雜的零部件擬通過三維掃描方式實現設備的高精度逆向建模。逆向建模技術參考和融合了3D 打印技術的三維掃描和重構造型技術。

逆向技術的研究內容包含：基于“脈沖—相位”測距的三維掃描技術，利用脈沖利用脈沖式測距實現對距離的粗測，利用相位式測距實現對距離的精測；基于特征的參數化建模技術，在參數化建模軟件中對已有掃描的點云數據進行拼接和精細擬合，建立參數化模型。

1.3 碰撞檢測技術

虛擬環境的培訓應用中能夠進行模型之間的交互操作，不僅僅需要表達三維模型之間的裝配關系，還需要在設備交互操作中實現對裝配關系的零件間的碰撞檢測，才能真實和正確地獲得交互操作體驗。對于碰撞檢測算法的分類，從不同的角度出發有多種不同的分類方式，比較常見的2 種方式分別是從時間域的角度進行分類以及從空間域的角度進行分類，分類結構如圖2 所示。

圖2 碰撞檢測算法結構

從空間域角度出發，碰撞檢測算法可以分為基于圖像空間和基于幾何空間的碰撞檢測算法，兩者的區別是前者將圖形硬件作為輔助來解決碰撞檢測問題，后者則利用幾何領域的理論知識來解決碰撞檢測問題。根據搶維修設備和作業過程的特點，構建的系統采用基于圖像空間的碰撞算法，即利用圖形硬件將模型投影到二維平面空間，再根據這些投影的相交情況和模型的各類緩存信息來判斷模型之間是否碰撞。

1.4 數值模擬技術

數值模擬是采用力學與微積分方法把大自然的各種規律歸結為一組常微分方程或者偏微分方程，通過程序和計算機的迭代計算求解，再用圖形圖像的方式重現物理現象的技術。該技術的應用使虛擬環境呈現的內容更為貼近物理現象，并且能夠實現采用不同參數獲得不同的交互結果。以管道泄漏氣體為例，采用數值模擬流動場模型對氣體泄漏后在不同風速環境下的擴散范圍進行了模擬，為應急救援提供科學的分析依據。

2 VR 在管道搶維修中的應用案例與分析

2.1 基于全息投影的設備認知培訓

該案例展示了在全息投影虛擬設備中對應急搶維修設備的結構進行解析，在無需佩戴負責虛擬現實設備的條件下可以360°觀察設備的整體結構、組成零件以及其工作原理，并且在交互設備的輔助下，實現設備的標準拆裝方法。受訓人員通過全方位和生動的設備展示，掌握該設備在實際中的應用方法。

2.2 沉浸式大場景作業過程培訓

在實際的應急搶維修過程中，涉及到復雜的作業環境和在標準作業流程要求的各種設備協同工作。開發沉浸式大場景作業過程訓練模塊，受訓人員通過佩戴虛擬設備（如虛擬現實頭盔、VR 眼鏡等），在接近真實搶維修作業虛擬環境中學習整個作業現場的全貌、作業設備之間的工作流程和邏輯、以及針對性地對某一作業設備進行標準化拆裝操作等。通過系列學習，能夠在虛擬環境中完成全面的搶維修作業學習、掌握相關標準流程和設備操作。

2.3 沉浸式安全事故體驗與處置

傳統作業事故演練培訓，一般采用模擬理想的事故發生的方式，模擬場景難以表達實際突發事故情況，并且在設置模擬事故時會消耗大量的人力和物力。開發的沉浸式安全事故體驗與處置模塊，能夠通過構建不同的事故虛擬環境，讓受訓人員體驗在誤操作或突發事故中的體驗（如燃氣管道的氣體泄漏、燃爆等），并可結合模擬仿真計算結果，來演練事故形成后的應急處置措施，從而使受訓人員深刻體驗事故帶來的后果，以及掌握突發事故的應急處置技能。

3 結論

針對油氣管道救援的復雜性和特殊性，相關的培訓難以完成全面的模擬所有險情進行訓練的問題，研究VR 虛擬油氣管道救援培訓系統的關鍵技術，并完成系統的開發。該系統在實際的培訓中得到了應用，應用表明，所開發的VR 培訓系統能夠讓受訓人員對設備的原理進行全面的認知、對整個應急搶維修作業流程進行體驗式訓練，以及在虛擬環境中體驗事故和對突發事件進行應急處置訓練。該系統的開發和應用，為建設高素質的應急搶維修隊伍提供了更低成本、更科學和更有效的方法。