VR技術(shù)海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）工作培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

馬圣濤 艾萍

摘要：簡述海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）應(yīng)用 VR 技術(shù)的優(yōu)勢，對VR 技術(shù)進(jìn)行概述，分析浮式生產(chǎn)儲油船工作培訓(xùn)的內(nèi)容，選取需要并適用 VR 技術(shù)仿真的培訓(xùn)內(nèi)容。將VR技術(shù)與海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）工作培訓(xùn)相結(jié)合，對工作人員培訓(xùn)進(jìn)行設(shè)計，運用VR技術(shù)手段，打造沉浸式體驗與模擬實操環(huán)境，優(yōu)化培訓(xùn)模式，為VR技術(shù)海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）工作培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)提供參考價值。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);FPSO ;培訓(xùn)工作 ;系統(tǒng)開發(fā)

浮式生產(chǎn)儲油船是海洋石油開采的重工船舶，被視為“海上原油加工廠”。它是海上原油加工、海上油庫、海上卸油終端、海上電站熱站等的集合體，為經(jīng)濟(jì)、快捷、高效地開發(fā)海上油田的關(guān)鍵船舶產(chǎn)品，在國際上享有高技術(shù)、高附加值船的美名。為此，世界造船大國競相參與市場競爭，改進(jìn)科技含量，積極承接訂單業(yè)務(wù)。

1.海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）應(yīng)用 VR 技術(shù)的優(yōu)勢

浮式生產(chǎn)儲油船融生產(chǎn)處理、儲存外輸及生活、動力供應(yīng)集一體，油氣生產(chǎn)裝置系統(tǒng)較為復(fù)雜、價格也高于同噸位油船，F(xiàn)PSO裝置是海洋油氣開發(fā)系統(tǒng)的組成部分，通常和水下采油裝置及穿梭油船組合完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，成為當(dāng)下海洋工程船舶中的高新技術(shù)產(chǎn)品。同時也具有高附加值、高風(fēng)險、高投入、高回報、高技術(shù)的海洋工程特征。FPSO就像“海上油氣加工廠”用油井里的油氣水等混合液通過處理加工為合格的原油或天然氣，成品原油儲存于貨油艙，滿足儲量時通過外輸系統(tǒng)輸送到穿梭油輪。FPSO抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲/卸油能力大和轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域和邊際油田的開發(fā)。

使用虛擬現(xiàn)實（ Virtual Reality，VR） 等技術(shù)方式，運用網(wǎng)龍華漁 101VR 編輯器，設(shè)立浮式生產(chǎn)儲油船培訓(xùn)場景，開發(fā)基于VR沉浸式培訓(xùn)系統(tǒng)。使用虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，突破時空及環(huán)境所限，創(chuàng)設(shè)高度交互及體驗的培訓(xùn)系統(tǒng)，體驗情境下的培訓(xùn)，多角度、全方位地展開培訓(xùn)。使用系統(tǒng)開發(fā)，完善培訓(xùn)模式，減少培訓(xùn)因場景、設(shè)備的訴求及培訓(xùn)風(fēng)險，完成分散式培訓(xùn)與實時培訓(xùn)，提高培訓(xùn)的實效性。

2.VR 技術(shù)概述

VR 技術(shù)通過傳感、計算機(jī)視覺、人工智能等高新技術(shù)，實現(xiàn)實時交互、多樣、沉浸式人機(jī)交互體驗情境，帶有沉浸性、交互性和構(gòu)想性的主要特點。使用VR 技術(shù)與現(xiàn)實需要相融合，創(chuàng)設(shè)多維度虛擬信息空間、高度還原真實場景及增強(qiáng)體驗者的身臨其境感;使用頭盔式的VR眼鏡、控制手柄、步移器等感知來控制設(shè)備，實現(xiàn)感知控制，增強(qiáng)體驗者的交互操作;運用科學(xué)、合理的場景設(shè)置、關(guān)卡設(shè)計，實現(xiàn)體驗者在虛擬空間的自主感知，在體驗過程中獲取知識。因此，VR 技術(shù)能夠有效的運用浮式生產(chǎn)儲油船技能培訓(xùn)，實現(xiàn)在有限的空間，通過不同場景、不同的維度，從高度模擬還原現(xiàn)實生活中再現(xiàn)真實場景，實現(xiàn)將教學(xué)與交互操作有效結(jié)合，實現(xiàn)分步培訓(xùn)教學(xué)、細(xì)節(jié)展示、重點突出等培訓(xùn)開發(fā)。

3.基于 VR 技術(shù)的浮式生產(chǎn)儲油船工作培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

通過浮式生產(chǎn)儲油船工作培訓(xùn)的內(nèi)容，選取需要并適用 VR 技術(shù)仿真的培訓(xùn)內(nèi)容。運用 3DSMAX，MAYA，Unity3D 等建模及虛擬現(xiàn)實軟件，創(chuàng)設(shè)培訓(xùn)場景，通過網(wǎng)龍華漁 101VR 資源庫及平臺搭建虛擬現(xiàn)實完成工作培訓(xùn)系統(tǒng)。

3.1 VR系統(tǒng)的平臺架構(gòu)設(shè)計

從浮式生產(chǎn)儲油船工作培訓(xùn)系統(tǒng)來看，結(jié)合VR 系統(tǒng)的平臺架構(gòu)，主要具有數(shù)據(jù)庫、模擬場景、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、VR虛擬現(xiàn)實軟件平臺。這里的模擬場景主要有實物模擬場景和虛擬模型場景;數(shù)據(jù)庫主要有培訓(xùn)信息數(shù)據(jù)庫、虛擬場景資源庫;輸入設(shè)備主要有VR空間自由移動平臺、VR手柄等傳感設(shè)備;輸出設(shè)備主要由VR眼鏡、燈光、LED 屏等、音頻輸出設(shè)備等;VR虛擬現(xiàn)實軟件平臺是網(wǎng)龍華漁101VR虛擬現(xiàn)實平臺、相關(guān)建模軟件等。

3.2浮式生產(chǎn)儲油船培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

浮式生產(chǎn)儲油船工作培訓(xùn)，主要涉及浮式生產(chǎn)儲油船工作的安全問題及風(fēng)險防范設(shè)計與實施。培訓(xùn)系統(tǒng)基于VR培訓(xùn)功能，范圍有培訓(xùn)方案的規(guī)劃、場景設(shè)計、實施效果及反饋情況。浮式生產(chǎn)儲油船系統(tǒng)看成海上油氣生產(chǎn)設(shè)施，包括載體系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)及外輸系統(tǒng)等幾十個子系統(tǒng)。浮式生產(chǎn)儲油船對安全問題及風(fēng)險防范在設(shè)計與實施方面，主要包括安全體驗系統(tǒng)和模擬實操系統(tǒng)兩個方面。

3.2.1 安全體驗培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

單場景安全體驗系統(tǒng)設(shè)計的目的是利用事件重演、場景還原、讓體驗者自身感受實際發(fā)生的場景，在自身體驗中思考、研判、分析原因、做出相關(guān)的決策。依據(jù)現(xiàn)實的浮式生產(chǎn)儲油船工作發(fā)生的事例研判，通過VR技術(shù)、以101 虛擬現(xiàn)實平臺開發(fā)的安全體驗系統(tǒng)包括：FPSO上裝備原油處理設(shè)施，還有FPSO具有的自航設(shè)備，也包括無采用單點系泊模式在海面的固定。FPSO往往和鉆油平臺或海底采油系統(tǒng)集合完整的采油VR體驗、原油處理VR體驗、儲油和卸油系統(tǒng)VR體驗，操作原理是利用海底輸油管線接收從海底油井中采出的原油，經(jīng)過船上處理，儲存在貨油艙內(nèi)，使用卸載系統(tǒng)輸送穿梭油輪（SHUTTLE TANKER）等。系統(tǒng)開發(fā)對聽覺、視覺、觸覺感官等使用，重視體驗者對于工作培訓(xùn)操作的感知，起到正向指導(dǎo)意義。在體驗中，使用第一人稱多維度、多視角的觀察，圖文與語音等描述工作的場景及應(yīng)急預(yù)案，激發(fā)體驗者的自身感受，對培訓(xùn)的實效性有明顯的效果。

3.2.2 模擬實操培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

浮式生產(chǎn)儲油船培訓(xùn)系統(tǒng)還包括交互的效果。利用模虛擬仿真技術(shù)，指導(dǎo)體驗者依照技術(shù)規(guī)范，實施實操演練。模擬實操培訓(xùn)依據(jù)海上原油加工、海上油庫、海上卸油終端、海上電站熱站等區(qū)域的VR模擬進(jìn)行實操培訓(xùn)。模擬實操培訓(xùn)的開發(fā)中，基于 101VR平臺，使用模擬仿真操作的辦法，以操作達(dá)標(biāo)率考核體驗人員，結(jié)合操作評估元素，設(shè)計不同培訓(xùn)的內(nèi)容，加強(qiáng)操作節(jié)點和風(fēng)險節(jié)點，讓體驗人員經(jīng)過升級，實現(xiàn)體驗人員熟練掌握操作技能和風(fēng)險意識。

3.3 浮式生產(chǎn)儲油船培訓(xùn)系統(tǒng)具體技術(shù)實現(xiàn)

浮式生產(chǎn)儲油船工作培訓(xùn)，通過現(xiàn)有場景、101VR平臺，從體驗人員的自身感受、視覺感官、觸覺感官等認(rèn)知，通過技術(shù)感受“沉浸”式互動效果。

3.3.1 模型及特效的制作

通過3DSMAX，blender，maya等建模軟件和特效軟件設(shè)計的模型及特效功能，模擬操作設(shè)備、場景環(huán)境等方面，從具體的真實案例和視頻錄像中，加大視覺感官的認(rèn)知。

3.3.2互動交互功能的實現(xiàn)

通過101VR 編輯器、Unity3D，使用控件及程序設(shè)計，實現(xiàn)對感知控制設(shè)備的控制或數(shù)據(jù)的收集整理，以模擬事例中出現(xiàn)的震動、燈光、聲音等，加大對觸覺感官認(rèn)知效果。通過 101VR編輯器完成簡單交互設(shè)計，利用101VR 編輯器自有的邏輯控件，設(shè)計事件觸發(fā)機(jī)制完成交互次數(shù)。通過Unity3D 軟件完成復(fù)雜交互操作過程。利用編寫C#程序，完成對感知控制設(shè)備的交互操作。通過采集手柄、頭盔及移步器等控制器的操作參數(shù)，主要使用CameraRig，MoveControl，TrigleControl等腳本組件。CameraRig應(yīng)用取得頭盔感知的有關(guān)參數(shù)，主要有Controller（left），Controller（right），Camera（ head），Camera（eye），Camera（ ears）等函數(shù)。MoveControl應(yīng)用取得手柄，步移器等控制器的操作參數(shù)，主要有Move（left），Move（Right），Move（Front），Move （Back），Move（ Angle）等函數(shù)。TrigleControl組件主要應(yīng)用取得手柄，觸摸屏等操作參數(shù)，主要有TagControl，TouchControl等函數(shù)。在模擬場景控制區(qū)域，通過系統(tǒng)自有的物理引擎、關(guān)節(jié)鏈接、光影特效、物體碰撞、水霧特效、模型骨骼架構(gòu)映射、動畫控制等控件，對模擬對象實施控制。

總之，基于VR技術(shù)實現(xiàn)海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）工作培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)，通過系列的場景還原、場景模擬仿真及VR沉浸式體檢，優(yōu)化培訓(xùn)內(nèi)容。由于浮式生產(chǎn)儲油船工作具有高風(fēng)險、高技術(shù)、高附加值、高投入、高回報的海洋工程特點，集中培訓(xùn)難度加大，VR技術(shù)在海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）工作培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)為新時代相關(guān)工作培訓(xùn)提供了契機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林琳，劉賢梅.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的油田仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（10）：205-207.

[2]王長杰.淺析虛擬現(xiàn)實技術(shù)[J].科技信息，2011.631.

作者簡介：馬圣濤，青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院產(chǎn)品182;艾萍系青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院副教授