自安裝井口平臺(tái)無人化仿真建設(shè)方法

呂瑞升，李 壯，張歆雨，田培楠

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外尚沒有自升式井口平臺(tái)無人化的應(yīng)用，海油發(fā)展作為擁有自升式平臺(tái)裝備的專業(yè)服務(wù)公司，正在以現(xiàn)存自安裝井口平臺(tái)為載體進(jìn)行無人化技術(shù)的創(chuàng)新和管理。無人化探索過程中的仿真可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能展示記錄和后續(xù)升級(jí)改造測(cè)試等提供依據(jù)[1]，并且隨著數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度發(fā)展，仿真技術(shù)會(huì)更加深入到無人平臺(tái)的全生命周期階段，如維修、保養(yǎng)參照、報(bào)廢回收數(shù)據(jù)支持等[2]。虛幻引擎(Unreal Engine 4，UE4)是一款成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)引擎，并開源了所有的源代碼，可以在圖形圖像顯示、功能開發(fā)等建設(shè)過程為仿真系統(tǒng)建設(shè)提供支持與便利。

1 基于虛幻引擎的仿真建設(shè)思路

虛幻引擎通過提供一些封裝好的結(jié)構(gòu)和功能的類，使得開發(fā)者在構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)時(shí)的表現(xiàn)、邏輯、數(shù)據(jù)方面都更加清晰。

1.1 開發(fā)框架

將場(chǎng)景模型、碰撞、光照信息、后期體積、功能模塊等元素拆分關(guān)卡，并根據(jù)需要進(jìn)行加載卸載，以實(shí)現(xiàn)不同天氣狀況和照明的切換。Game Mode和Game Instance類負(fù)責(zé)整個(gè)進(jìn)度控制、類登記、進(jìn)度加載保存等功能；Player Controller負(fù)責(zé)輸入接收和分發(fā)、操作響應(yīng)、視角切換等功能；功能模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體功能，如漫游、信息展示、工藝流程展示、安防功能實(shí)現(xiàn)等，通過有效繼承接口等降低模塊間的耦合度來提升 靈活性，系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)Fig.1 System framework design

1.2 研究路徑和方法

整個(gè)仿真項(xiàng)目的建設(shè)與現(xiàn)實(shí)中的無人化平臺(tái)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行并相互促進(jìn)，仿真的開發(fā)過程必然需要經(jīng)歷多次修改，所以開發(fā)過程盡量采用模塊化、功能化和迭代開發(fā)的思路。在完成框架和方案設(shè)計(jì)后將整個(gè)模擬器按照框架拆分成多個(gè)模塊以降低模塊之間的耦合度，并進(jìn)行迭代式開發(fā)和版本及分支控制，在修改特定功能時(shí)不影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行。

2 開發(fā)過程

整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)過程按照方案設(shè)計(jì)、場(chǎng)景搭建、模型參數(shù)設(shè)定、界面實(shí)現(xiàn)、功能開發(fā)、測(cè)試優(yōu)化等流程進(jìn)行。方案設(shè)計(jì)是整個(gè)開發(fā)的參照，方案確定之后是開發(fā)制作過程，靈活使用虛幻引擎提供的開發(fā)工具可以有效提升開發(fā)效率。

2.1 場(chǎng)景搭建

場(chǎng)景搭建主要包括三維軟件建模和場(chǎng)景整體實(shí)現(xiàn)2部分。三維軟件建模是在3dmax、Blender等DCC(Digital Content Creation)軟件中按照平臺(tái)和設(shè)備的外觀及功能以poly面片的形式完成數(shù)字化的三維模型制作、UV展開等工作，進(jìn)而讓模型擁有頂點(diǎn)、UV、坐標(biāo)軸、變換等信息。U和V指的是2D空間的水平軸和垂直軸，避免和3D空間XYZ重復(fù)；UV展開主要是為了將所有的3D網(wǎng)格信息映射到2D空間，并形成一一對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，以便于貼圖紋理的賦予、指認(rèn)和引擎中光照信息、著色器等信息的使用和操作。UV展開效果如圖2所示。

圖2 UV展開效果Fig.2 UV expansion effect

然后將模型從DCC軟件中導(dǎo)出為FBX格式，F(xiàn)BX是Autodesk開發(fā)的文件格式，其開發(fā)目的就是為了實(shí)現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)已被各大主流游戲引擎所兼容[3]。將FBX導(dǎo)入引擎后添加環(huán)境因素， 包括光源、光照體積、反射體積、天空球、后期體積等內(nèi)容。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

場(chǎng)景搭建完成后還需要根據(jù)整體方案對(duì)場(chǎng)景中的模型進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，包括碰撞設(shè)置、光照貼圖密度設(shè)定、消隱及LOD層級(jí)切換設(shè)定等。

該系統(tǒng)包含場(chǎng)景漫游功能，允許體驗(yàn)者在場(chǎng)景中以步行或無人機(jī)狀態(tài)進(jìn)行游覽，需要對(duì)場(chǎng)景中的設(shè)備、墻壁等進(jìn)行碰撞設(shè)置。碰撞檢測(cè)在UE4中歸屬于物理模擬模塊[4]，并默認(rèn)調(diào)用physX引擎，通過設(shè)置碰撞體實(shí)現(xiàn)；根據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確程度使用軸對(duì)齊包圍盒、有向包圍盒、離散有向包圍盒、復(fù)雜碰撞體進(jìn)行碰撞設(shè)定。圖3為4種碰撞體設(shè)置對(duì)比，此4種包圍精度依次增加且運(yùn)算量依次增大[5]，都可以進(jìn)行碰撞或重疊檢測(cè)并觸發(fā)事件。

圖3 4種碰撞體設(shè)置對(duì)比Fig.3 Comparison of four collider settings

光照貼圖密度用來控制當(dāng)前設(shè)備的光照細(xì)節(jié)，引擎在光照烘焙過程為場(chǎng)景中的靜態(tài)模型繪制一張光照貼圖，記錄靜態(tài)模型的光照信息，所占比例越大說明光照信息越細(xì)致。可以手動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)模型的光照貼圖密度和調(diào)整當(dāng)前模型光影細(xì)致程度；根據(jù)靜態(tài)設(shè)備的重要性和模型的復(fù)雜度給定不同的光照密度參數(shù)；漫游過程中處于近景的設(shè)備其參數(shù)可以適當(dāng)調(diào)高，遠(yuǎn)景不重要設(shè)備可以適當(dāng)調(diào)低；其調(diào)整過程可以借助光照貼圖密度查看器和著色器復(fù)雜度等工具，可以通過帶有顏色的格子貼圖查看最終的密度，通過發(fā)現(xiàn)調(diào)整使近景設(shè)備處于綠色光照密度比較合適。光照貼圖分辨率調(diào)整結(jié)果如圖4所示。

圖4 光照貼圖分辨率調(diào)整結(jié)果Fig.4 Illumination map resolution adjustment results

LOD是根據(jù)模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度來決定物體渲染的資源分配，并通過降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)數(shù)來獲得高效率的渲染計(jì)算。UE4可根據(jù)模型占據(jù)屏幕大小和預(yù)設(shè)的LOD切換條件進(jìn)行自動(dòng)切換，開發(fā)人員可以手動(dòng)設(shè)置LOD層級(jí)數(shù)量和切換占比，以控制LOD切換平滑度和運(yùn)行效率之間的平衡。

2.3 界面設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

仿真在使用過程中需要切換不同的功能和展示模塊，為提升整個(gè)系統(tǒng)的完整性和易用性需要設(shè)計(jì)界面，并在界面的設(shè)計(jì)完成后根據(jù)界面設(shè)計(jì)方案在UE4內(nèi)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程中主要考慮2個(gè)方面的技術(shù)內(nèi)容：一是不同視口適配，即軟件使用在不同尺寸的顯示器上保證功能按鈕和畫面保持合理的位置；二是通過嵌套基本元素實(shí)現(xiàn)高效復(fù)用和修改。 整體的頁面布局需要為畫面的不同大小進(jìn)行自適應(yīng)，并根據(jù)承載的元素在畫板、覆層、垂直框、水平框、滾動(dòng)框、下拉框等形式中進(jìn)行選擇和嵌套，合理地設(shè)置定位錨點(diǎn)，最終形成適合整體內(nèi)容的界面。按鈕及小體積的元素需要根據(jù)形式和功能做成基本元素，開放圖片、文字和調(diào)用接口，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行替換和變更。

2.4 功能開發(fā)

藍(lán)圖系統(tǒng)是虛幻引擎提供的可視化腳本，可以通過調(diào)用和連接代表預(yù)制功能的模塊圖形來創(chuàng)建功能，不必編寫實(shí)際的代碼，這也是本仿真系統(tǒng)的主要開發(fā)工具。

根據(jù)方案進(jìn)行功能分析和拆分，首先需要制作與角色有關(guān)的導(dǎo)航地圖功能，其可以在體驗(yàn)者需要的時(shí)候調(diào)出地圖，具有顯示當(dāng)前位置、主要設(shè)備區(qū)域、快速跳轉(zhuǎn)點(diǎn)等功能。為了實(shí)現(xiàn)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要制作一個(gè)貼圖同比例的面片，指定貼圖通過縮放等操作與實(shí)體模型對(duì)應(yīng)獲得角色相對(duì)于貼圖錨點(diǎn)的相對(duì)位置，可以通過縮放比例等方法在地圖UI上生成一個(gè)與角色相同位置的指示點(diǎn)，然后通過在場(chǎng)景中放置代表跳轉(zhuǎn)位置的目標(biāo)點(diǎn)藍(lán)圖對(duì)角色進(jìn)行位移轉(zhuǎn)換。

設(shè)備信息顯示設(shè)計(jì)為可復(fù)用的場(chǎng)景組件，帶有立方體觸發(fā)框用于靠近和離開的檢測(cè)并進(jìn)行相關(guān)文字或圖片信息的展示和收起。將觸發(fā)框尺寸修改、信息顯示等內(nèi)容放到構(gòu)建藍(lán)圖中，為每個(gè)組件設(shè)置對(duì)應(yīng)的顯示內(nèi)容，此處有2種實(shí)現(xiàn)思路：一是在制作階段將信息填入對(duì)應(yīng)的組件內(nèi)；二是為組件設(shè)置唯一標(biāo)識(shí)符，通過Excel自動(dòng)加載信息，開放有信息編輯接口。表1為2種信息錄入方法對(duì)比所示，考慮到平臺(tái)上有60余個(gè)設(shè)備和維護(hù)成本，故采用Excel加載方式進(jìn)行了異步加載處理，減小了運(yùn)行卡頓。

表1 2種信息錄入方法對(duì)比Tab.1 Comparison of two information entry methods

傳感器模擬是對(duì)某種內(nèi)容的檢測(cè)，入侵、火焰、煙霧、溫度等檢測(cè)基本邏輯是互通的，在子藍(lán)圖中選擇檢測(cè)內(nèi)容和檢測(cè)范圍；每個(gè)傳感器藍(lán)圖根據(jù)基本設(shè)置在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)射射線進(jìn)行指定類型的發(fā)射器檢測(cè)，獲取到發(fā)射器后對(duì)其參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用衰減等算法判定其數(shù)值是否達(dá)到各個(gè)報(bào)警級(jí)別；如果達(dá)到了，就會(huì)通過接口將自身名稱、檢測(cè)類型、當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送給處理藍(lán)圖；處理藍(lán)圖進(jìn)行報(bào)警狀態(tài)的顯示和信息的記錄。為了后續(xù)升級(jí)，當(dāng)前的檢測(cè)邏輯、衰減算法等都進(jìn)行了封裝，可以直接替換為傳感器的參數(shù)并按照設(shè)定對(duì)參數(shù)進(jìn)行閾值判斷、觸發(fā)報(bào)警等動(dòng)作。

工藝流程模擬采用平面展示方法，分別制作設(shè)備、閥門、傳感器的展示節(jié)點(diǎn)，根據(jù)圖紙手動(dòng)擺放節(jié)點(diǎn)，設(shè)置輸出輸入節(jié)點(diǎn)名稱，運(yùn)行過程會(huì)根據(jù)輸入信息確定配對(duì)的輸入與輸出節(jié)點(diǎn)及其屏幕空間的位置，并繪制節(jié)點(diǎn)間的連接線代表管線，統(tǒng)一采用直角轉(zhuǎn)折，進(jìn)而形成工藝流程的演示；在生成的管線基礎(chǔ)上添加運(yùn)動(dòng)元素，表示物流方向和流量。工藝流程示意如圖5所示。

圖5 工藝流程示意Fig.5 Schematic diagram of process flow

虛幻引擎整體可視為由一個(gè)個(gè)模塊構(gòu)成，除了集成好的必備模塊外，還可以將自行開發(fā)一系列功能模塊進(jìn)行集成和封裝，以插件形式掛載到整個(gè)引擎上，方便在不同項(xiàng)目之間進(jìn)行移植和使用。數(shù)據(jù)展示過程需要使用圖表并根據(jù)數(shù)據(jù)和算法在UI繪制坐標(biāo)和線形等，可以使用代碼編寫基本邏輯，封裝后使用藍(lán)圖進(jìn)行參數(shù)傳遞、曲線顏色、曲線數(shù)量、橫縱坐標(biāo)等參數(shù)的設(shè)定；Excel是使用比較廣泛的數(shù)據(jù)工具，便于使用過程的參數(shù)配置，開發(fā)插件進(jìn)行表、行、列、單元格的讀寫功能并支持單元格內(nèi)整形、浮點(diǎn)、字符串等格式。

2.5 測(cè)試及優(yōu)化

系統(tǒng)開發(fā)過程及里程碑節(jié)點(diǎn)完成后需進(jìn)行多輪測(cè)試和優(yōu)化，虛幻引擎為測(cè)試人員提供了完整的性能測(cè)試和分析工具，可以對(duì)運(yùn)行狀態(tài)、流暢度進(jìn)行檢測(cè)及優(yōu)化，用于發(fā)現(xiàn)影響運(yùn)行的低效點(diǎn)，并指導(dǎo)開發(fā)人員有的放矢地進(jìn)行優(yōu)化。開發(fā)過程可以使用幀率查看工具，出現(xiàn)異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行修改；到達(dá)里程碑節(jié)點(diǎn)或某些功能模塊開發(fā)完成后，可以使用分析數(shù)據(jù)查看器進(jìn)行邏輯線程分析和檢查CPU運(yùn)行效率；使用GPU線程分析的ProfileGPU工具對(duì)場(chǎng)景著色器、貼圖大小等進(jìn)行再次優(yōu)化，以平衡性能和效果。

3 結(jié) 語

該套仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：通過鼠標(biāo)鍵盤實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)漫游、設(shè)備信息查看、查看工藝流程功能；通過控制閥門和設(shè)備的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了流程切換、查看傳感器分布情況、傳感器檢測(cè)模擬等功能。

使用虛幻引擎通過場(chǎng)景搭建、模型參數(shù)設(shè)置、界面設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、功能開發(fā)、測(cè)試及優(yōu)化等操作實(shí)現(xiàn)了整個(gè)仿真系統(tǒng)。

借助成熟的虛幻引擎可以極大地提高仿真類項(xiàng)目的開發(fā)效率和提升開發(fā)效果，讓整個(gè)開發(fā)過程和工作協(xié)同方法有據(jù)可依。后續(xù)工作中可以通過工控?cái)?shù)據(jù)的接入和大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的結(jié)合將仿真系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)，作為自安裝無人化井口平臺(tái)的數(shù)字孿生體為生產(chǎn)運(yùn)維等工作提供全方位的數(shù)字化支持，助力海上智慧油田建設(shè)。