基于Unity 3D 的海洋鉆井半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)

孫 濤，李亞東，遲宏偉，丁 彬，逄仁德

（1.山東海洋工程裝備有限公司，山東 青島 266580；2.山東海洋藍鯤運營有限公司，山東 濟南 250100）

人類進入工業(yè)時代，石油需求與日俱增。海洋油氣能源儲量巨大，在國家能源安全領(lǐng)域中占據(jù)著極其重要的地位。海洋石油鉆井平臺作為海洋油氣勘探開采的重要裝備，其具有組成復(fù)雜、安全管理嚴(yán)格、操作風(fēng)險高等特點[1]。海洋平臺工作人員在正式上崗前缺少實際操作機會，無法快速掌握熟練的操作技術(shù)，在實際平臺作業(yè)中時有操作不當(dāng)造成的不安全事故發(fā)生，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的需求日益迫切。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過數(shù)字世界呈現(xiàn)真實的自然場景，為在其中獲得人預(yù)想的表現(xiàn)和控制的對象提供了極為有效的技術(shù)途徑和展現(xiàn)方式，使其成為當(dāng)下應(yīng)對復(fù)雜項目難題的首選解決方案。

海洋石油鉆井工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu)配置嚴(yán)格，這對其功能系統(tǒng)的設(shè)計者和操作者都具有極高的能力要求。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸被應(yīng)用到石油鉆井平臺仿真培訓(xùn)之中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可對石油鉆井平臺整體進行原型建模，數(shù)字場景具有良好的逼真性和交互性特點，彌補了傳統(tǒng)培訓(xùn)花費高、效率低的缺陷，在上崗培訓(xùn)和宣傳海洋平臺知識方面發(fā)揮了重要作用，解決了鉆井平臺技術(shù)操作培訓(xùn)難的窘?jīng)r，對于高校人才培養(yǎng)以及提高海洋石油鉆井平臺相關(guān)工作人員的技能具有重要的意義。

1 仿真系統(tǒng)總體框架與目標(biāo)

1.1 半實物仿真系統(tǒng)

半實物仿真即硬件在環(huán)仿真，是通過結(jié)合虛擬數(shù)字模型與實物模型進行實時仿真測試，把實物模型利用計算機接口串聯(lián)到軟件環(huán)境中，借助實時運行的系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件模擬整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。實物模型的接入可以實現(xiàn)部件在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的環(huán)境中進行觀察的需求，可以形象地反映實物模型的動態(tài)特性、靜態(tài)特性等特性，半實物仿真對比其他類型的仿真方法具備經(jīng)濟的實現(xiàn)更高真實度的可能性。

多數(shù)石油鉆井仿真模擬系統(tǒng)采用純軟件仿真，通過直接控制PC 機對建立的數(shù)字三維模型進行狀態(tài)控制，缺乏控制器硬件設(shè)備的指令傳輸，理論驗證相對比較抽象，而半實物仿真系統(tǒng)通過結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息通訊接口技術(shù)與工業(yè)自動化控制技術(shù)實現(xiàn)半實物仿真交互功能具有更切身的體驗效果。其設(shè)計思路是首先對實際系統(tǒng)進行數(shù)字建模和純數(shù)學(xué)虛擬仿真，結(jié)合初步測試結(jié)果對數(shù)字模型進行修改定型，再引入實物模型替代部分?jǐn)?shù)字模型，然后修改模型進行系統(tǒng)仿真。

1.2 鉆井仿真系統(tǒng)研發(fā)目標(biāo)

本仿真教學(xué)系統(tǒng)以海洋石油自升式鉆井平臺為原型。目前海洋油氣開采使用的可活動鉆井平臺主要有坐底式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺、自升式鉆井平臺和鉆井船4 類，其中自升式鉆井平臺是當(dāng)下國內(nèi)海洋石油開發(fā)中使用最廣的一種鉆井平臺[2]，其由駁船形船體（上層平臺）、樁腿及升降機構(gòu)組成。當(dāng)前，平臺多配備全自動化鉆機，設(shè)備的動作由程序控制，操作員在司鉆房內(nèi)實施遠程操作和監(jiān)控，實現(xiàn)作業(yè)區(qū)無人化。在鉆井流程中鉆臺面是鉆井操作最集中的區(qū)域，在鉆臺區(qū)域完成的主要鉆井作業(yè)包括鉆進作業(yè)、起下鉆作業(yè)、下套管作業(yè)、固井作業(yè)等。

傳統(tǒng)模擬仿真采用VC++與OpenGL 圖形編程技術(shù)控制三維數(shù)字模型，其缺點是編程內(nèi)容多、技術(shù)門檻高以及與設(shè)備匹配性低。本海洋鉆井仿真系統(tǒng)借助成熟且經(jīng)濟的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，總體框架圍繞鉆井平臺結(jié)構(gòu)、鉆井工藝與系統(tǒng)控制等應(yīng)用現(xiàn)場，確定模擬系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)三大功能：虛擬鉆井平臺設(shè)備與實物座椅控制器的實時交互控制模擬功能、虛擬鉆井平臺的三維工作場景自主漫游展示功能以及虛擬鉆井平臺部分系統(tǒng)處理程序、通訊接口驗證等功能。

仿真教學(xué)系統(tǒng)是實際裝備與虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的海上平臺操作演練平臺，系統(tǒng)主要包括平臺仿真模擬器、仿真服務(wù)器、三維虛擬視景演示系統(tǒng)三大模塊組成。仿真軟件接收操作臺輸出的鉆井平臺主要分系統(tǒng)的控制信號，并且提供操作臺觸摸屏所需要顯示的海洋平臺系統(tǒng)及設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)，用戶對平臺模擬器的操作信號通過仿真服務(wù)器解析生成三維虛擬視景演示系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)，驅(qū)動三維虛擬視景演示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型進行相應(yīng)的矩陣轉(zhuǎn)換，通過圖形渲染在顯示設(shè)備中顯示出來。同時仿真服務(wù)器將狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給模擬器，模擬器做出相應(yīng)的回應(yīng)。框架設(shè)計如圖1 所示。

圖1 框架設(shè)計

2 仿真系統(tǒng)方案設(shè)計

海洋鉆井仿真系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)是一項融合多學(xué)科技術(shù)的系統(tǒng)工作，涉及的技術(shù)主要有數(shù)字建模、模型表現(xiàn)、工業(yè)自動化控制及接口通訊等，通過各專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人才將不同專業(yè)的資源高效整合完成教學(xué)平臺的搭建。系統(tǒng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用局域網(wǎng)C/S 網(wǎng)絡(luò)模式，通過OPC 通訊橋梁，完成司鉆椅控制器與虛擬場景數(shù)字模型的信息通訊，方案設(shè)計如圖2 所示。

圖2 方案設(shè)計

仿真系統(tǒng)從設(shè)計實現(xiàn)上可大致分為三大模塊：三維數(shù)字模型模塊、PLC 控制器通訊模塊、三維仿真交互模塊。

3 仿真交互系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 三維數(shù)字模型模塊

搭建數(shù)字場景是設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的前提，建模要盡可能保證模型的尺寸、形狀、工藝與現(xiàn)場設(shè)備一致，數(shù)字模型的真實度是影響用戶體驗評價的重要因素。

在眾多三維建模軟件中，3D Max 是最受青睞的建模軟件之一，相較其他建模軟件，其構(gòu)建的模型具有精度高、易于修改、格式兼容性好等特點，強大的渲染功能可以為導(dǎo)入仿真軟件的模型提供材質(zhì)貼圖，3D Max 通過其超高的性價比被廣泛應(yīng)用在廣告、影視、裝修及仿真交互等領(lǐng)域。鉆井平臺建模是整個仿真教學(xué)系統(tǒng)的重要部分，收集平臺原型數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)任務(wù)，使用3D Max 軟件根據(jù)平臺實際布局進行三維建模。通過分析設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)，明確結(jié)構(gòu)運動原理，使用多邊形建模法建立模塊，布爾模塊合并成一個對象[3]，構(gòu)建井架、懸臂梁、司鉆房、動力貓道、排管機和鐵鉆工等三維模型，綁定層次鏈接，實現(xiàn)IK 關(guān)系運動。

為獲得更好的項目體驗，模型的建立要足夠精細(xì)[4]，同時應(yīng)避免生成的大數(shù)據(jù)量影響系統(tǒng)運行的流暢度，三維模型質(zhì)量的高低將直接影響系統(tǒng)運行的友好度與可視化水平，模型要逼真、盡量減少點線面數(shù)以滿足仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的制作要求。通常模型優(yōu)化方式采用以下幾點：

（1）盡可能減少模型面數(shù)，刪除不可見面或重疊的面，避免渲染出現(xiàn)計算錯誤。

（2）運用Photoshop 處理賦予模型的照片，以減少材質(zhì)數(shù)量、壓縮貼圖等方式優(yōu)化模型。比如對于生活區(qū)門窗等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過材質(zhì)編輯器繪制紋理貼圖代替復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)，運用紋理貼圖實現(xiàn)真實的視覺效果，可以有限減化模型，節(jié)省運行內(nèi)存，提高仿真交互程序運行的流暢度。

（3）采用LOD 層次細(xì)節(jié)技術(shù)，在不同層次的視覺條件下使用不同精細(xì)程度的模型，以加快場景的顯示速度。自升式鉆井平臺三維模型如圖3 所示。

圖3 鉆井平臺三維模型

3.2 PLC 通訊控制模塊

可編程控制器PLC 使用數(shù)字或模擬量輸入/輸出操控各類型機械或生產(chǎn)過程，其基本構(gòu)成包括電源、中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊等部分，是工業(yè)控制的核心部分。PLC 的一個掃描周期分信號采集、程序運行、信號更新3 個階段，通過不斷重復(fù)掃描周期完成數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)使用真實的工控系統(tǒng)設(shè)備對虛擬仿真場景數(shù)字模型進行控制，通過操控司鉆椅的手柄或按鍵發(fā)送控制信號，將電信號采集傳輸給PLC中的控制算法進行轉(zhuǎn)換運算，輸出的控制信號通過以太網(wǎng)傳輸?shù)綀D形工作站與虛擬仿真交互模塊進行通訊[5]，實時控制虛擬仿真軟件中設(shè)備的運行狀態(tài)；同時虛擬仿真軟件中的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)信息等也通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絎inCC 界面，將設(shè)備運行的參數(shù)實時顯示在上位機的人機組態(tài)畫面中，實現(xiàn)運行狀態(tài)的監(jiān)控調(diào)整。除了PLC程序中做好連鎖、告警輸出以外，上位機做好更細(xì)致的分級、歸類和存檔指示。控制登陸界面如圖4 所示。

圖4 PLC 登陸界面

指令通訊按照以太網(wǎng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過OPC 通訊技術(shù)實現(xiàn)接口開發(fā)，完成虛擬仿真模型與司鉆椅PLC 控制器的信息交換，為滿足后續(xù)功能添加以及控制信號更改，接口代碼設(shè)計為開放式，可自主進行后續(xù)功能的開發(fā)[6]。WinCC界面如圖5 所示。

圖5 WinCC 界面

3.3 仿真交互模塊

虛擬仿真是用一個系統(tǒng)模擬真實系統(tǒng)的計算機技術(shù)。為流暢運行仿真程序，要求工作站硬件系統(tǒng)具備較高的圖像處理能力，同時為了切實模擬司鉆視角配置拼接顯示屏多方位顯示監(jiān)視畫面。虛擬現(xiàn)實軟件通常不具備三維建模功能，其主要作用是對導(dǎo)入的數(shù)字模型等素材進行整合處理，現(xiàn)在流行的虛擬現(xiàn)實軟件包括Unity 3D、3DVIA Virtools、VR-Platform、Cult3D 等引擎。Unity 3D引擎作為全球最火爆的仿真軟件之一，其跨平臺應(yīng)用程序開發(fā)簡易高效，通過仿真程序創(chuàng)造一個虛擬的海洋鉆井平臺，實時控制模擬對象變化并與之相互作用，完成整個平臺的現(xiàn)場作業(yè)模擬。

（1）將FBX 模型導(dǎo)入Unity 3D 軟件中搭建整個海洋平臺的虛擬場景，通過腳本程序和物理引擎對平臺模型進行運動仿真和工藝交互設(shè)計，實現(xiàn)對虛擬場景中排管機、貓道、頂驅(qū)、鐵鉆工及鼠洞等單體設(shè)備的運動控制，以及多體配合展示鉆井接立根工藝作業(yè)流程控制，模擬不同仿真工況并分析系統(tǒng)的正確性、穩(wěn)定性。通過拓展其與半實物模擬器的交互仿真功能、增強控制邏輯與機械裝備動作交互能力、制作自升式鉆井平臺三維模型及交互控制數(shù)據(jù)等開發(fā)工作，完成自升式鉆井平臺的操作控制、系統(tǒng)測試等培訓(xùn)任務(wù)，完成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全操作規(guī)范等驗證任務(wù)，完成海洋工程裝備作業(yè)狀態(tài)三維可視化同步監(jiān)控任務(wù)。仿真交互程序如圖6 所示。

圖6 仿真交互程序

（2）借助HTC Vive 頭盔、手柄設(shè)備，預(yù)設(shè)第一人稱視角角色控制器高度1.7 m 進行空間位置變換，利用手柄控制向前移動，頭盔改變前進方向，限定二層臺、圍梯可移動區(qū)域，實現(xiàn)培訓(xùn)人員在虛擬平臺中的交互漫游，構(gòu)建一個沉浸感強、實時互動性好的鉆井平臺仿真漫游系統(tǒng)[7]。

4 仿真系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試

軟件與硬件模塊搭建完成需要進行聯(lián)合調(diào)試，即實現(xiàn)PLC 控制模塊與仿真交互模塊的同步運行。使用仿真軟件替代PLC 硬件在計算機上運行程序開展模擬調(diào)試，以節(jié)省時間提高效率。編程軟件的狀態(tài)圖、圖表監(jiān)視程序均可以作為觀察模擬量信號的途徑。模擬調(diào)試完成后進行實物聯(lián)機調(diào)試，將程序植入現(xiàn)場的PLC 中，通過座椅按鍵、手柄等硬件輸入對鉆井平臺各系統(tǒng)獨立測試、整體系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，檢驗控制指令的匹配性、有效性以及工藝模塊能的完整性。

仿真教學(xué)系統(tǒng)運行過程生動地演示了鉆井工藝操作，學(xué)員依靠對仿真設(shè)備的操作，可以直接觀察到鉆井平臺設(shè)備模型的運動結(jié)果，實現(xiàn)讓學(xué)員掌握正確操作過程的目的，同時實現(xiàn)對仿真模型的有效模擬和驗證[8]。測試效果如圖7 所示。

圖7 仿真系統(tǒng)運行

5 結(jié)論

（1）搭建了一種海洋石油鉆井半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)模型和仿真交互模塊為培訓(xùn)人員提供了認(rèn)知鉆井平臺結(jié)構(gòu)布局以及熟悉鉆井作業(yè)工藝流程的學(xué)習(xí)平臺，同時借助作業(yè)過程中的動態(tài)仿真來檢驗平臺存在的結(jié)構(gòu)性和空間性不足。

（2）設(shè)計了仿真教學(xué)系統(tǒng)的框架路線，實現(xiàn)司鉆椅模擬控制器輸入設(shè)備對鉆井設(shè)備的運動狀態(tài)控制以及上位機程序處理，優(yōu)化了半實物仿真項目的框架路線，為制定相似功能的半實物仿真系統(tǒng)項目提供借鑒，同時進一步縮短了將虛擬仿真操作系統(tǒng)研究成果成功植入現(xiàn)場裝備的研究進程。

（3）模擬了鉆井平臺的作業(yè)工藝控制，實現(xiàn)了PLC硬件設(shè)備與虛擬仿真交互模塊之間的信號傳輸，測試設(shè)備模型對硬件指令響應(yīng)的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和同步性度狀態(tài)，驗證了半實物仿真系統(tǒng)的可靠性；將造價昂貴的海洋平臺帶入到實驗室中，減少了現(xiàn)場培訓(xùn)的巨大開支，對提高學(xué)員的學(xué)習(xí)能動性具有現(xiàn)實意義。