基于移動AR的閘板防噴器教學APP設計與開發

王永友 郭昭學 王其軍 王琨

摘 ?要 ?閘板防噴器是油氣鉆井必不可少的井控裝置，是保障安全鉆井的關鍵設備，是鉆井工程實踐教學的重要知識點之一。但因閘板防噴器價格昂貴、體型龐大、結構復雜、拆卸困難等原因，在教學中無法使用實物設備作教具。基于移動AR的閘板防噴器教學APP為學習者創設逼真的學習環境，學生在AR情景模式下自主學習，可以有效解決上述教學難題，提升教學質量。

關鍵詞 ?閘板防噴器；移動AR；教學APP

中圖分類號：TE319 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）04-0026-04

Design and Development of Ram BOP Teaching APP Based on Mobile AR//WANG Yongyou， GUO Zhaoxue， WANG Qijun

Abstract ?Ram BOP is an essential well control device for oil and gas drilling， It is the key equipment to

ensure safe drilling and one of the important know-ledge points in drilling engineering practice tea-ching. However， due to the high price， large size， complex structure and difficult disassembly of Ram

BOP， physical equipment can not be used as teaching aids. The Ram BOP teaching APP based on mobile AR

creates a realistic learning environment for stu-dents， students learn independently in the AR scena-

rio mode， which effectively solves the above teaching

problems and improves the teaching quality.

Key words ?Ram BOP; mobile AR; teaching APP

Authors address ?College of Petroleum and Natural Gas Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu， China， 610500

0 ?引言

在石油與天然氣開采過程中，閘板防噴器是保障安全鉆井的關鍵設備，其主要功能是對井口環形空間進行有效密封[1]。閘板防噴器與遠程控制臺配合使用，由遠程控制臺輸送的高壓液壓油經不同的油路通道，注入閘板防噴器并推動活塞朝不同方向運動，活塞帶動閘板總成做開關井動作。當井筒內有鉆具時，可以使用半封閘板封閉鉆具與井筒之間的環形空間；當井筒內沒有鉆具時，可以使用全封閉閘板完全封閉井筒；當發生井噴時，緊急情況下可以使用剪切閘板強行剪斷井筒內的鉆具[2]。閘板防噴器屬于大型油氣裝備，具有價格昂貴、體型龐大、結構復雜、裝配環節多等特點，為確保其有效性，需要定期進行維護和保養，及時更換密封件以防止關井時封閉失效而導致井噴事故的發生[3]。檢修、安裝閘板防噴器往往需要動用行車、吊車等起重設備，作業過程復雜，安全隱患大。

在石油工程專業的人才培養過程中，讓學生掌握閘板防噴器的結構和工作原理、使用方法、維護及保養措施等方面的知識，是提升課堂理論教學效果，培養學生理論聯系實際能力、專業實踐能力和創新精神的重要手段，但因閘板防噴器體型龐大、實物拆卸困難等原因，使用實物設備作為教具是不現實的，為了滿足教學需求，使用虛擬的數字化閘板防噴器代替實物設備開展實踐教學，是行之有效的輔助教學手段。

本文開發的基于AR的閘板防噴器教學APP運行于手持移動設備上，學生通過掃描標識卡（二維碼或實物照片），即可呈現虛擬的閘板防噴器，通過觸屏操作，可查看其內部結構和工作原理，也可進行虛擬拆裝。還能通過AR功能將虛擬的閘板防噴器擺放到現實世界中的任意地方，此時虛擬的閘板防噴器將以近似實物設備的姿態呈現在學生面前，通過變換身體位置或姿態，可從不同角度和方位觀察其內部結構原理或虛擬拆裝，有高度逼真的臨場感和現場操作體驗，如圖1所示。

1 ?系統設計

1.1 ?設計思路

設計目標是發揮APP的教學輔助作用，開展以學生為主導地位的啟發式、探究式實踐教學，使用手持移動設備的便攜性為學生學習提供便利性，充分利用碎片化時間，在任何地點、任何時間開展移動微學習，以滿足學生的個性化學習需求[4-5]。

遵循軟件開發的核心思路，按照功能模塊將需求結構化分解，邏輯與實現清晰結合，在系統整體設計時主要考慮以下幾個問題：

1）跨平臺性。考慮不同平臺（Android和IOS）

的使用需求，為此尋求理想的開發方案，力求只編寫一套代碼但支持多個平臺；

2）使用面向對象思想設計高內聚、低耦合的系統架構，方便后期維護和功能擴展；

3）虛擬設備的三維模型結構準確，材質表現真實美觀；

4）具有一定的圖形加速能力，運行流暢、畫面質量高；

5）人機交互友好，觸控操作方便、流暢，UI布局合理、美觀。

1.2 ?系統架構

目前，AR應用程序有移動端、眼鏡端和網頁端三種形式，現有的AR應用大多為移動端程序。不同客戶端的AR程序需使用不同的開發工具，同一客戶端下不同廠商的開發工具也不盡相同，因此，AR開發工具眾多，性能各異。盡管如此，AR技術的總體功能卻大同小異，其相關的主要功能有：平面檢測技術、圖片檢測技術、模型檢測技術、人臉識別技術、動作捕捉技術、實時光照模擬技術、AR導航等[6]。

移動AR作為當下主流的AR應用，也有眾多開發工具可選擇。有Android系統官方開發工具AR Core、

IOS系統官方開發工具AR kit、商湯科技的Sense AR、華為AR等。AR Foundation是Unity3D推出的AR開發工具集，Unity3D利用其強大的跨平臺優勢，將AR Core、AR kit開發包進行二次封裝，統一定義了API，并按用戶的發布平臺自動選擇合適的底層SDK版本，開發時只需要編寫一套代碼，經過適當部署后就能發布到多個平臺，開發效率高[7]。鑒于此，本案選擇Unity3D+ARFoundation作為開發工具。

2 ?軟件開發

2.1 ?三維建模

為全方位展示閘板防噴器的內部結構和工作原理，需要對其進行分解建模。該設備由殼體、側門、液缸、閘板總成、活塞總成、密封件、盲法蘭、鉸鏈、鎖緊機構等眾多零部件組成。移動APP需要考慮程序運行時的資源消耗負擔，因此，在建模過程中，要綜合考慮模型的復雜程度和模型數據量的關系。模型越精細，其表現的結構越接近真實實物，但會因為模型過于精細而增加移動設備的資源消耗，影響程序加載和運行速度，甚至出現發熱、卡頓、打不開等現象[8]。為保證程序能運行流暢，在建模時需要精簡和優化零部件，對結構復雜的零部件建精模，對結構簡單的零部件建簡模。

建模過程分兩個階段：第一階段根據零部件圖紙，使用Solidworks繪制單體模型并組裝成裝配體；第二階段將Solidworks中的裝配體轉換格

式，導入3DSMax中優化模型，對部分模型進行減面、合并、縫補破面等操作，盡量減少模型的數據量。可使用如下方法優化模型：

1）合并分離的同類模型，縫補模型的破面，刪除網格模型中游離或多余的頂點；

2）精簡造型復雜的模型，線條模型需要轉為多邊形模型，轉換前設置合理的線條邊數和插值步長數；

3）去除模型之間的重合面、視野中的不可見面、模型之間的復雜相交面。

2.2 ?制作動畫

閘板防噴器在工作時有復雜的機械運動，需要通過動畫進行模擬。Unity3D能制作常規動力學動畫，如基于速度、質量、摩擦、空氣阻力等變量的力學行為，也能制作簡單的位移、旋轉、縮放等動畫。但閘板防噴器工作時涉及的零部件較多，零部件之間有復雜的關聯、約束和變形動作，通過Unity3D模擬難度較大。因此，使用3DSMax模擬其工作過程，并將模擬的動畫輸出成FBX文件。3DSMax可制作關鍵幀動畫、動力學動畫、約束動畫、角色動畫、變形動畫等，本案中使用關鍵幀動畫、約束動畫和變形動畫模擬閘板防噴器的工作過程，如閘板總成運動、打開腔和關閉腔的液壓油流動、鎖緊機構的動作模擬等。

2.3 ?生成FBX文件

待模型和動畫制作完畢后，即可從3DSMax中導出模型，生成Unity3D可識別的FBX資源文件。為了確保模型的尺寸單位和軸向統一，導出前需要在3DSMax中對所有模型執行“重置變換”操作，并調整各零部件的軸心點和坐標方向。將軸心點統一居中到對象，坐標方向統一對齊到世界坐標。靜態模型和動態模型需要分開導出，對于擁有復雜動畫的模型導出時可烘焙動畫以保證動畫的流暢性。若模型的材質使用了貼圖，需要將貼圖資源嵌入模型中一并導出。

2.4 ?編寫程序

以Android系統為例，本案的開發主要有以下幾個步驟。

2.4.1在Unity3D中導入資源

將開發所需的FBX模型、圖像、音視頻等資源導入項目中整理備用。在導入FBX模型時，若出現“透明”或者“漏面”的情況，需要返回3DSMax中翻轉模型法線方向；若模型出現異常的紫色，則需要尋找丟失的貼圖并手動匹配到相關材質上。

2.4.2 ?配置AR開發環境

在Unity3D中將開發平臺切換至Android并配

置Android的開發環境，包括安裝JDK、SDK和

NDK并指定路徑。配置AR SKD，包括安裝并配置AR Foundation、AR Core XR Plugin、XR Plugin Management等Package。

2.4.3 ?觸屏控制

可使用Unity3D原生Input類中的各種輸入功能，獲取屏幕坐標并監測手指點擊實現單點或多點觸控操作，也可使用Lean Touch、Easy Touch等插件實現觸控和虛擬搖桿的功能。

2.4.4 ?視圖操作

放大、縮小視圖通過雙指捏合實現，通過Input. Touch Count判斷觸控點數量，在雙點觸摸的情況下，當第二個觸摸點的狀態Input. Get Touch（1）.phase=Touch Phase. Began時，開始計算兩個觸摸點之間的距離，根據距離的增減量驅動攝像機的位置相應變化，實現視圖縮放功能。在單點觸摸且Input. Get Touch（0）.phase=Touch Phase. Moved的情況下，計算單點觸摸時劃過的距離，以此驅動場景中的攝像機旋轉或者平移。

2.4.5 ?半透視和零件爆炸圖控制

為了展示閘板防噴器的內部結構，需要對殼

體、液缸套等部件半透明顯示，并通過單擊按鈕切換

顯示模式。需要半透明顯示時，設置對應材質的渲

染模式為Transparent，Set Material Rendering

Mode（material， Rendering Mode. Transparent），

并設置其顏色的alpha值為0.2，material. Set

Color（“_Color”， new Color（1， 1， 1， 0.2））；

需要不透明顯示時，設置對應材質的渲染模式為

Opaque，Set Material Rendering Mode（material，

Rendering Mode. Opaque），并設置其顏色的alpha值為1，material. Set Color（“_Color”， new Color（1， 1， 1， 1））。因設備內部零件眾多、結構復雜，相互之間還有疊壓、穿插、遮擋等情況，僅靠半透明化顯示還不能完全展示其結構原理，因此，需要在非裝配模式下，生成爆炸圖，以便全方位展示各零部件的結構。

2.4.6 ?虛擬裝配

將閘板防噴器的拆裝過程分解為32個步驟，并制作成相應的動畫片段，在Unity3D中通過Animator和狀態機控制其拆裝流程。

2.4.7 ?AR開發

為將虛擬的閘板防噴器融合到現實世界中，需要AR平面檢測功能來實現。平面檢測是AR技術的基礎應用，無論是Android的AR Kit還是IOS的

AR Core都需要實現平面檢測。同時，平面也是可

跟蹤的對象，AR Foundation使用AR Plane Manager

管理器來管理平面，對移動設備攝像頭獲取的圖像中的特征點進行識別并跟蹤，利用VIO和IMU跟蹤特征點的三維空間信息，在跟蹤過程中對特征點的信息進行處理，并嘗試用空間中位置相近或者符合一定規律的特征點構建平面，平面構建成功后即可把虛擬閘板防噴器放置在現實世界中的任意平面上。制作二維碼或者特征圖片，在Unity3D中制作Reference Image Library，使用AR Foundation的

AR Tracked Object Manager進行圖像識別，實現“掃一掃”二維碼或者圖片加載場景的功能。

2.5 ?發布APP

發布前需要設置項目的屬性參數，在Player選

項中設置Company Name、Product Name、Version等產品信息，在Resolution and Presentation選

項中設置程序運行時的分辨率、橫屏或者豎屏顯

示，在Other Settings選項中設置多線程屬性、

Minimum API Level、Target API Level的Android

版本號等，在Preferences選項中設置JDK、SDK和

NDK屬性。以上內容設置完畢后，即可發布APP。

3 ?教學應用

本案APP已應用于西南石油大學石油工程專業的鉆井工藝模擬訓練、生產實習等實訓課程，學生通過手持移動設備“掃一掃”標識卡即可使用。這種新穎的教學模式充分激發和調動了學生的學習積極性和探索意識，提升了學生的實踐動手能力，在人才培養中發揮了重要的作用。

4 ?結論

在高校實驗教學改革的新形勢下，為適應現代化的教學資源建設及教學方法信息化、數字化的發展趨勢，堅持以實際需求為導向、以人為本，采用先進的信息技術與工程實際應用相結合，開發AR教學軟件并推廣應用，以滿足相關專業人才的基本技能和實踐動手能力培養及安全教育的需要，對推進實踐教學改革、創新教學模式、提升學生的創新精神有積極重要的作用［9-10］。

5 ?參考文獻

[1] 孫振純，王守謙，徐明輝.井控設備[M].北京：石油工

業出版社，1997.

[2] 唐洋，耿海濤，鐘林，等.閘板防噴器密封原理與失效

分析[J].潤滑與密封，2013，38（2）：91-94.

[3] 雷群，李益良，李濤，等.中國石油修井作業技術現狀

及發展方向[J].石油勘探與開發，2020，47（1）：155-162.

[4] 潘旭東，孫曉磊，李旦，等.基于AR技術的機械制造工

藝課程設計教學輔助系統開發[J].實驗技術與管理，

2017，34（10）：139-142.

[5] 劉瀟，王志軍，曹曉靜，等.AR技術促進科學教育的實

驗研究[J].實驗室研究與探索，2019，38（8）：179-183，

208.

[6] 滿天威.移動端增強現實組件化及其相關技術研究[D].

北京：北京郵電大學，2021.

[7] 汪祥春.AR開發權威指南 基于AR Foundation[M].北

京：人民郵電出版社，2020.

[8] 王樂，任小甲.基于AR的漆器表面構造細節虛擬重建仿

真[J].計算機仿真，2021，38（5）：302-306.

[9] 王永友，王琨，郭昭學，等.石油與天然氣工程虛擬仿

真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理，2019，

36（12）：23-27.

[10] 黃海龍，李元.移動互聯網背景下AR可視化教材建設

與應用思考[J].實驗室研究與探索，2019，38（2）：167-

171.