儲罐機械清罐作業虛擬仿真培訓系統的研究與應用

宋宇

大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是綜合利用三維圖形技術、多媒體技術、圖形交互、網絡編程等技術于一體，為用戶搭建虛擬交互世界的一個科學技術領域，已經廣泛應用于影視娛樂、教育、設計、醫學、軍事、航天等眾多領域[1-2]。

原油儲罐是原油庫用于儲存液體原油的主要設備。儲罐機械清洗作業具有一定的危險性，屬高危作業，對操作人員的技術能力、綜合素質要求極高，人員必須經過嚴格培訓、考核合格方可上崗作業[3-4]。隨著近十年儲罐機械清洗市場的擴大，員工的有效培訓考核成為制約機械清罐業務不斷擴大的重要因素。傳統培訓方式采用課堂講授法，以集中授課形式進行。一方面，培訓周期長，占據大量生產時間，員工碎片化時間沒有得以利用；另一方面，因培訓和考核場地受限，實現全員覆蓋受訓需經過幾輪，耗費大量人力和物力[5-6]。而且培訓方式過程枯燥，缺少直觀形象的認識，實踐機會少。特別是對現場突發問題的應急處置培訓及模擬考核難度大，培訓效果不理想。為此，利用虛擬仿真技術開發出一套仿真培訓系統，可支持多平臺離線使用，對于快速提高員工的操作技能，保障機械清罐業務拓展具有重要意義。

1 系統總體設計

1.1 需求分析

通過對機械清罐作業操作需求及培訓需求相關資料進行搜集，建立知識準確、考核公平、程序處置規范的仿真培訓系統。系統主要功能需求是基于三維仿真技術創建模擬真實原油庫清罐作業場景，利用編程技術實現清罐作業程序化操作、避免危險事故的同時提高員工培訓效果。系統主要使用環境包括電腦端和安卓系統移動端，采用C/S（客戶機和服務器結構）架構進行系統開發，具有方便信息的傳輸、查詢和發布功能。

1.2 技術架構

系統采用Unity 3D（三維集成開發引擎）集成開發引擎進行開發，使用3ds Max（基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件）軟件制作仿真模型、選用C#語言編寫后臺腳本代碼。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

1.3 功能

系統功能主要包括崗位標準化操作虛擬仿真培訓、應急處置的虛擬仿真培訓、理論知識培訓、作業流程視頻展示、虛擬仿真考核、系統設置與管理等（圖2）。

圖2 系統功能模塊Fig.2 System function module

2 三維模型構建

2.1 核心技術

獲取并分析機械清罐作業過程三維建模數據資料，包括設施設備圖紙（或照片或視頻）的采集、整理、繪制、實地場景測量等，整理相關資料，分析機械清罐清洗作業過程，編制操作過程仿真腳本，為三維模型構建提供基礎。

Unity3D 基于3ds MAX 的建模結果，結合紋理映射、特效、光照及陰影等多種技術，使模型更逼真、資源消耗更少、場景運行更流暢[7-9]。針對復雜三維模型使用紋理映射技術增加模型的細節水平及景物的真實感，如各種設施設備的外觀、虛擬角色的皮膚、衣服等采用紋理映射技術實現[10]。利用Shader（著爭工具）制作出的紋理效果更為良好、物體材質屬性更為真實，應用于場景模型中，減少環境模型的多邊形數目，提高圖形顯示的刷新頻率；利用光照及陰影技術提高不同材質的顯示效果。

在模擬流體運動、著火、爆炸等現象時，根據實際情況結合紋理切換技術和粒子系統生成技術，使得特效效果逼真。系統中的煙、火、液體等效果，利用粒子系統模擬算法來實現。

2.2 一般物體

利用三維幾何體建模方法、放樣建模方法、變形工具建模方法及多邊形建模方法構建相關物體。利用二維圖形建模、三維幾何體建模、布爾建模、放樣建模、變形工具建模、多邊形建模方法及Nurbs（曲面建模）方法構建機械清罐作業設備所包含的裝置，如移送裝置、清洗裝置、清洗機、氣體濃度檢測裝置、氮氣濃度注入裝置、油水分離裝置、總配電盤及總電源開關等。并采用漫反射貼圖、紋理貼圖、UVW（物體貼圖坐標）等方式為物體設置材質，設置光照，充分保證模型的真實性。

2.3 人物角色

通過計算機三維圖形技術與二維設計相結合來完成人物角色模型創建的過程。主要涵蓋人物角色的創建、材質貼圖以及動作制作。人物角色的創建實際就是以真實人物的體態特征轉化為計算機圖形化表達的過程。人物角色的三維建模及動作制作，通過關鍵幀動畫的方式實現人物走、站立、爬梯子、轉身、打電話、圍擋、滅火、爬人孔、心肺復蘇、觸電救援、高空墜落、夾傷和手打開閥門、關閉閥門、摁按鈕、握工具、正擰螺絲、反擰螺絲等一系列動作。構建的虛擬環境讓使用者覺得真實，依靠的就是角色建模技術。角色建模在后期整個培訓系統的設計開發過程中占有很大的比重，主要使用多邊形建模的方式進行構建。角色建模的過程是由整體到局部、由簡單到復雜，依次完善角色模型，最終用所建模型搭建出虛擬場景。

2.4 其他設施環境及動畫建模

一般采用設置關鍵幀的方法來進行物體動畫制作，包括手動設置關鍵幀及自動設置關鍵幀。手動設置關鍵幀：選中要移動的物體，設置關鍵幀，點擊鑰匙按鈕，時間軸的初始位置上會記錄下物體該時刻的位置。拖動時間軸，將物體移動到下一個位置，可以進行移動，旋轉和縮放操作，再通過鑰匙按鈕，時間軸就記錄了此時刻物體的形態，再往前拖動時間軸，會發現物體在運動。自動設置關鍵幀：一般用于物體運動之間軌跡比較簡單的情況，點擊自動關鍵幀以后，此時對物體做的任何變換，系統都會自動在該時間點生成關鍵幀。將時間軸拖到動作結尾的時間點，對物體進行變換操作，系統將關鍵幀插入，動畫已經被記錄。

采用這種方法，可完成設施及環境的三維建模，包括管線、車輛、工具、地面和樹木環境等若干設施。可完成的物體動畫包括：設備啟動、設備運轉、閥門轉動、工具正反向旋轉、表指針運動、清洗機轉動、報警燈閃爍、液體流動、煙霧、著火、滅火、爆炸等相關動畫。

3 系統實現功能

3.1 虛擬仿真培訓

3.1.1 崗位標準化操作

運用虛擬仿真技術實現設備設施標準化操作仿真培訓，員工可以在電腦端，通過鼠標、鍵盤在三維場景中進行操作，還可以在移動端通過觸屏拖拽方式對虛擬場景中的設備或設施進行交互操作，使員工在培訓過程中熟練掌握正確的操作步驟，明確錯誤操作所造成的后果，使安全知識和操作訓練過程更加生動、逼真、易于接受。現場操作及應用效果如圖3 至圖5。系統培訓不受網絡限制，可以離線隨時隨地操作。實現作業過程操作的三維數字化、標準化和流程化，使得系統操作簡單，增加員工學習的趣味性，避免員工對枯燥學習內容的抵觸情緒，可取得更好的學習效果。

圖3 真實標準化操作培訓視頻Fig.3 Real standardized operation training video

圖4 虛擬標準化操作仿真Fig.4 Simulation of virtual standardization operation

圖5 移動式仿真培訓應用界面及現場應用Fig.5 Mobile simulation training application interface and field application

3.1.2 應急處置

通過電腦端和移動端進行應急處置仿真培訓，在虛擬場景中完成應急處置操作，如發生原油泄漏事故、儲罐爆炸、人員窒息等。仿真處置可以避免員工因在生產現場實際操作失誤而造成的人身、設備重大安全隱患。

3.1.3 理論知識培訓

可以隨機抽取理論試題練習，不限時間，不限次數。利用業余時間練習，留有痕跡，對錯誤試題可以反復練習，直到熟練掌握。

3.1.4 設備設施三維動畫展示

系統中包含清罐場景漫游相關模塊，可以三維立體、全角度展示設備設施，使用人員可以俯視整個場景效果，通過鍵盤操作漫游整個仿真作業場景，并用鼠標查看具體設備的相應名稱，使員工清晰掌握設備構造，了解設備運行方式。

3.1.5 作業流程視頻展示

真實場景作業流程視頻展示，使員工更具體了解作業流程，隨時隨地進行觀看，熟練掌握施工流程。

3.2 虛擬仿真考核功能

仿真考核包括PC 機版仿真考核和移動版仿真考核。可以形成三維演練操作試題、電子試卷兩種考核方式。三維演練試題考核過程是員工邊進行操作邊記錄考核，錯誤操作直接終止考核（圖6）。由系統自動出題、閱卷、評分，減少人為因素，簡化組織程序，管理難度小，降低管理人員工作復雜度和強度，使考核工作簡潔化、便捷化，考核結果更客觀地反映出學員技能掌握的水平。基于虛擬仿真技術搭建的機械清罐作業過程仿真培訓考核系統可實現全員參加，任何時間、任何地點考核，可多終端在線或離線學習考核。離線狀態下的最終成績可保存，再集中傳輸到數據庫。

圖6 油移送作業仿真考核界面圖Fig.6 Interface of oil transfer operation simulation assessment

3.3 設置與管理

該系統可實現系統后臺管理，包括文檔資料管理、用戶信息管理、登錄管理、密碼管理。試卷管理，包括科目、電子試題、組卷的管理和員工考核成績信息的存儲、查詢與統計管理。統計可實現按人員統計、按單位統計、按崗位統計多種統計形式功能；網頁維護管理具體包括通知公告顯示管理、新聞顯示管理、圖片管理、建議征集、主頁菜單設置、主頁菜單顯示等功能。

4 結束語

虛擬仿真技術在機械清罐作業培訓中主要通過鼠標、鍵盤及觸屏方式對虛擬場景中的設備或設施進行交互操作。每一步仿真訓練操作都會收到相應的正誤反饋，可以增強知識學習的關聯性記憶，使員工的培訓學習過程更加生動、有效。系統既能有效地提升培訓效果，縮短培訓時間，降低培訓費用，又能避免培訓過程中再生的安全事故。同時，運用該技術實現的培訓系統支持PC 平臺和移動平臺的跨平臺特性，野外清罐作業時，員工可在離線狀態下或閑暇時間進行培訓和考核，有效降低集中式培訓的時間成本和人力、物力消耗。該系統可實現員工操作技術標準化、操作培訓考核一體化、安全教育培訓考核綜合化，滿足清罐危險崗位的培訓及考核要求。

目前該虛擬仿真培訓平臺已經在機械清罐作業培訓中應用5年，實現了由傳統培訓考核到信息化培訓的轉變，通過崗前測試和員工碎片化時間自我學習等新型培訓學習方式，使崗位員工在上崗操作前進行全面風險因素識別、熟練掌握標準化操作和應急處置技能，顯著提升了培訓效果，可進一步推動機械清罐作業實現本質安全。該平臺應用效果良好，可拓展到油田各高危作業中，進行員工培訓考核應用。虛擬仿真技術運用在未來實現數字化油田管理中也將是一種趨勢，具有重要的推廣價值和應用前景。