基于VR技術的井控智能情景培訓系統開發

張旭(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

虛擬現實(VR)技術在20世紀60年代起源于美國，隨著虛擬現實技術的不斷完善提升，其應用越來越廣。國內對于VR技術研究的起步稍晚，目前主要的虛擬現實成果為VR游戲，在井控培訓行業中很少有成熟的產品出現。文章主要討論虛擬現實技術在井控培訓中的應用。

1 VR技術在井控培訓中的應用分析

井控是石油天然氣勘探開發中重要的一環，其培訓體系涉及到井控技術培訓、井控裝備培訓、應急演練培訓等方面。傳統的井控培訓依靠PPT及井控模擬器進行，這種形式的培訓主要是以培訓師為中心，學員的參與感較差。在實際的培訓過程中，通過簡單的模擬設備無法真實模擬井控作業期間的場景，導致培訓結束后學員的收獲較少，井控培訓也逐漸流于形式。

采用虛擬現實技術建立的井控智能情景培訓系統，利用三維建模及虛擬現實技術，可以增強學員在培訓中的沉浸感與交互性，能夠使學員在虛擬的場景中進行角色扮演，不僅能夠全面投入學習中，還提升培訓興趣，更能夠演練技能、提升水平[1]。由于場景及設備都是虛擬的，并且培訓師的虛擬現實硬件體積小，占地面積小，能夠避免因為場地、天氣和環境的影響，與操作真實設備相比大幅降低了安全隱患。基于人工智能技術，可以模擬井控作業期間的各個崗位人員的操作，可以彌補演練期間班組崗位人員不全的現實問題[2]。

由于系統開發時已經進行了多種演練培訓場景的三維物理模型搭建，培訓過程中可以根據需要進行組合，通過在教師機的操作，就可以輕松的切換場景，不僅能縮短真實井場場景搭建及切換的時間，還能讓學員充分利用培訓時間進行更多的技能演練，提升培訓效率的同時，也降低了實物井場場景變換帶來的高額費用和風險。虛擬現實技術的沉浸感與交互性，還能在培訓中強化其崗位職責，提升井控技能。

2 基于VR技術的井控智能情景培訓系統開發

2.1 井控智能情景培訓系統開發目標

將三維建模與虛擬現實技術相結合的整體設計思路，為降低海上油氣勘探開發過程中的井控風險，切實提高海上鉆井、完井和井下作業相關人員的井控水平，針對現場一級、二級和三級井控應急狀態下的演練流程以及現場井控設備故障排查與識別演練流程，開發一套適用于陸地、淺水和深水3類作業環境下具備海洋特色的井控智能情景演練系統，從而增強培訓效果，為現場作業提供技術支撐和安全保障。

2.2 系統整體架構

系統架構采用C/S 模式，通過客戶端與服務器的模式，統一管理項目各培訓模塊內容。

(1)一級井控情景展示。通過服務器端統一管理培訓內容，對動畫資源的內容分類進行管理

(2)二級井控情景展示。通過服務器端統一管理二級井控培訓項目、培訓模式、培訓內容參數，及分組情況設置，將配置文件發送至客戶端程序，待學生端操作完成后將成績進行統一管理。

(3)三級井控情景展示。通過服務器端統一管理三級井控培訓項目、培訓模式、培訓內容參數，及分組情況進行設置，將配置文件發送至客戶端程序，待學生端操作完成后將成績進行統一管理。

2.切實貫徹群眾路線是做好調查研究工作的重要保證。全黨在調查研究中注重收集群眾的意見和訴求，據此制定方針、政策和辦法，然后征求群眾的意見，以便作出進一步修正，因此，此次調查研究切實貫徹了黨的群眾路線。

其中一級井控情景展示模塊遵循二維和三維動畫制作流程，完成培訓內容的制作。二三級井控和隱患排查與識別模塊采用三維軟件系統架構，在工作的時候程序流程如圖1所示，客戶端程序會與服務器進行所需數據通訊。服務器在啟動后即等待客戶機的連接，如果有一臺計算機進行單機培訓，客戶端可直接完成所有計算；如果是團隊培訓，則服務器創建一個新的線程，加載該場景需要的數學物理模型進行實時計算，整個團隊的操作均會發送到服務器上，服務器更新人物的位置、設備的狀態并判斷操作的正確與否，在計算完成后服務器將整個團隊的計算結果下發給各臺學員計算機。如此推進，直到整個培訓結束。

圖1 場景管理

系統具備教學、練習和考評模式，考評結果包括分數、解析和測評報告，其中：(1)教學模式為一步步的執行所有處理流程，通過點擊下一步，電腦自動完成需要完成的動作，并給出相應的提示，方便老師教學；(2)練習模式則是只給出提示，需要學員自行走位，完成相應步驟；(3)考核模式則是不提供相應的提示，需要學員根據信號，當前動畫表現等，自行判斷需要做出的反應；考評模式提供分數、正確解析和教師端提供對分數的分析測評報告。

二三級井控情景展示及隱患排查與識別程序采用統一架構形式，分為服務器端和客戶端。客戶端支持虛擬現實模式和桌面式虛擬現實模式。在此架構基礎上，功能擴展便捷，系統結構穩定，便于培訓內容添加及系統軟硬件管理。

服務器端使用6層架構設計，各層設計結構清晰，功能內聚性高，具有高度可擴展性，可訂制性。分別為：基礎服務層、虛擬層、邏輯層、工藝層、預案層、操作層。

服務器端程序具有單機運行能力，單臺計算機在進行單機應急培訓和考核，啟動的是服務器端程序，并且將該計算機設置為單機運行模式。客戶端使用輕量化設計三層架構設計，僅僅包含基礎服務層、虛擬層和操作層。它是服務器端程序的簡化版。

(1)基礎服務層由兩個模塊組成：三維圖形引擎模塊和網絡接口模塊。三維圖形引擎使用Unity3D，網絡接口使用“協議UDP”和服務器端相連接。

2.3 演練過程結構設計

井控智能情景演練系統的開發過程演練過程結構設計使用了四個層級來實現。最頂層的是全局管理級，該級用于管理整個應急救援的公有數據(例如學員信息、成績等信息)和完成通訊功能；第二層是全局GUI級，用于顯示全局菜單；第三層是場景級，該層用于管理二、三級井控作業的場景部分；第四層是操作級，用于管理服務器發送來的演練過程，根據過程要點判斷操作是否正確。整個系統結構如圖1所示。

全局管理層管理整個應急救援的公有數據(例如學員信息、成績等信息)和完成通訊功能。該層上使用了兩個類：GlobelManager類和TCPClinet 類來實現。GlobelManager是全局管理類，該類中的所有數據均是靜態的公有數據，這個類所在的腳本不綁定到任何場景中的物體上。TCPClient類會開辟新的線程用于與服務器的數據通訊，該類管理多個TCP端口的數據傳輸、加密、數據正確性檢測。TCP數據發送使用同步發送方式進行，數據接收使用同步的方式進行。

全局GUI是一個單獨的Unity3D場景，在該場景里具有多組菜單和按鈕用于場景的選擇、對應場景的作業選擇、難度設置、角色選擇、考核模式選擇等功能。該層使用NGUI插件來實現，將多組按鈕進行合理分組，使界面美觀，便于應用操作。

場景級用于管理Unity3D內的場景，該層內包含九大應急救援模塊的所有場景，每個應急救援模塊包含多個要求的場景，每個場景是一個獨立的操作環境，包含多個應急救援培訓項目。每個場景中有一個靜態類SceneManager用于管理本場景中所有的非靜態物體，該類中具有一個物體數組，用于保存場景中的所有物體。SceneManager中包含場景數學模型計算函數和鼠標、鍵盤事件處理函數。每個場景內均包含一個場景GUI菜單，用于設置場景中虛擬人物的各種操作，例如工具選擇、命令發送、指北針導航窗格的顯示、任務顯示等工作。

場景中具有一個虛物體，該物體的作用是輔助管理整個場景，該虛擬物體綁定一個C#腳本，該腳本的作用是：(1)在場景管理虛物體的Awake函數里根據應急救援項目里的設置，初始化整個場景，設置場景中對應的物質數量、設備位置、人物初始位置、工藝流程狀態、環境情況、虛擬人物數量及參數值。(2)在場景管理虛物體的Start函數里將整個場景中的物體鏈接到SceneManager場景管理類的公有數組中，便于數據集中管理，場景中的物體腳本在計算時均從SceneManager中的公共數組中取數據，不進行相互數據調用，做到各腳本耦合度低，內聚度高。

場景中的非靜態物體均綁定一個C#腳本，這個腳本內的Start函數用于初始化該物體的位置，Fixed-Update函數用于判斷該物體的狀態，更新SceneManager場景管理類中的物體數組狀態。OnCollisionEnter函數用于判斷碰撞檢測類的狀態。所有非靜態物體腳本均具有控制位移、旋轉、縮放的函數。對于特定的設備，腳本內還具有特定的設備控制函數。

操作級處于場景級的下一層，主要用于應急救援操作步驟加載、應急救援流程判斷和操作評價，操作級的應急救援步驟來源于服務器的應急預案。

2.4 場景資源管理

系統由多層次結構組成，模塊中的每個模塊都包含多個場景，每個場景中的環境、設備、設施和配備的工種與真實現場一致，每個場景下可進行屬于該場景的多個應急救援培訓項目。整個系統使用樹形結構來設計，層次結構清晰。應急救援的場景以文件的形式存儲于培訓服務器和培訓客戶端上，客戶端程序在啟動的時候，連接服務器，取得最新的場景管理文件。

場景的加載使用資源動態加載技術，場景文件被分為多個小模型文件，所有的資源都被制作成AssestBundles，客戶端運行時，系統根據選擇的作業生成場景配置文件，然后再根據生成的配置文件動態的加載所需要的模型，貼圖以及其他的動態資源。

3 系統的應用

系統開發完成后，已安裝在技能實訓教室，已穩定運行3個月，期間約有340名學員參加了培訓。試用反饋如下：井控智能情景培訓系統場景非常逼真，能夠做到貼近作業現場，有很強的體驗感與沉浸感，學員的學習興趣大大提高，提高了井控安全意識。

此外，采用虛擬現實技術開發的井控智能情景培訓系統，節約了大量的實景井場及平臺搭建的成本，課件虛擬現實技術在井控培訓中的應用潛力巨大。

4 結語

(1)虛擬現實技術應用于井控專業技術培訓能夠提升沉浸感和交互性，有利于提升培訓效果。

(2)利用虛擬現實技術搭建的仿真培訓場地，能夠降低實景演練帶來的安全隱患，更有利于工作年限短，經驗及安全意識不足的學員進行技能提升。

(3)利用虛擬現實技術搭建仿真培訓場地模型，可以做到不同場景，不同作業類型的無縫切換，提高了培訓效率，降低了培訓成本，有助于井控技能演練類培訓的大規模開展。