基于虛擬現實的油氣井場安全培訓系統設計

苑得鑫，李嘉俊，李佳萍

（中國石油大學（華東）石油工業訓練中心，青島 266580）

0 引言

隨著國民經濟發展對油氣資源需求的不斷增長，油氣企業進入快速發展階段，然而，油氣井場具有火災、爆炸、高壓物料刺漏、機械傷害、高處墜落、物體打擊、觸電等諸多風險，在生產運行和檢維修過程中易出現安全事故［1］，因此，安全培訓十分重要。傳統安全培訓的主要形式包括上課和觀看視頻，這種培訓形式不僅缺少交流互動，枯燥乏味，更重要的是不易調動起學員的積極性，以致很難達到必要的培訓深度，難以使學員對井場風險形成深刻認識。

隨著虛擬現實（virtual reality，VR）技術的發展，利用其交互性、沉浸感和構想性三個最突出的特征，可以構建交互式三維動態視景和實體行為的系統仿真，為操作者提供視覺、聽覺、觸覺等感官體驗，使操作者如同身臨其境同三維空間內的事物進行交互［2-4］。目前，虛擬現實技術已越來越多地應用于礦山、醫療、電力、交通等領域的教育培訓，對學員掌握操作技能、提升綜合素質起到了巨大的輔助和促進作用［5］。

本文將虛擬現實技術與油氣井場安全培訓相結合，通過提煉油氣井場典型的風險隱患，設計合理的體驗場景和交互情節，利用3dsMax建立模型，并導入Unreal Engine 4 引擎，利用HTC Vive 作為輸出設備，構建油氣井場安全風險體驗系統。實踐表明，該系統對提高學員的安全意識和風險辨識能力，促進學員安全綜合素質提升具有積極作用。

1 系統開發流程與功能

1.1 系統開發流程

油氣井場安全培訓系統既應符合一般軟件工程項目的開發流程，又應注重油氣井場安全工程背景，其整體開發流程如圖1所示，主要分為三個階段。第一階段為總體策劃，應結合油氣井場風險辨識相關標準及典型事故案例，對交互場景和交互情節進行總體設計；第二階段為模型庫建立，根據設備CAD圖紙及現場照片、視頻等資料，利用3dsMax 進行單體設備的三維建模，設計相關場景的平面圖，將模型文件以FBX 格式導出；第三階段是交互開發，將FBX格式的模型文件導入Unreal Engine 4中，進行貼圖及燈光的處理，結合井場布局圖進行場景構建和碰撞檢測，通過藍圖可視化編程，根據設計好的交互情節，實現相應的交互功能，最終完成油氣井場安全培訓系統的開發。

1.2 系統功能設計

油氣井場安全培訓系統旨在提高進入井場作業人員的安全意識、風險辨識能力以及事故預防與處置能力，重在直觀體驗。綜合考慮事故發生發展規律及學習認知規律，設計了系統總體功能，如圖2所示。

在充分辨識油氣井場作業風險的基礎上，結合GB 6441對于事故類型的劃分，設定了皮帶夾手、高處作業、閥門刺漏、人員觸電、旋轉擠入、光桿擠手、火災及爆炸等八項體驗內容，結合實際事故案例，設計合理的交互情節，引導操作者“犯下一個個小錯誤”，最終導致事故的發生。操作者通過HTC Vive 設備第一視角直觀體驗事故帶來的強烈感官刺激和嚴重后果，隨后站在第三視角上觀看事故回放，對事故發生發展的全過程進行復盤，對事故產生的原因形成直觀認知。在事故體驗的基礎上，通過圖文、語音、視頻等形式，多方式提示事故預防措施及應急處置方法，強化知識吸收。此外，每個體驗內容均包含了即時測試題目，學員考核合格后，方可解鎖下一體驗場景，否則需要重新體驗。

2 關鍵技術

2.1 基于3dsMax的抽油機模型動畫建立

抽油機是油氣井場中的關鍵設備，其零部件眾多，根據CAD 圖紙，利用3dsMax 作為建模工具進行建模。由于抽油機是動態運行的，為真實還原生產場景，應建立抽油機連續運動模型動畫，并帶入到Unreal Engine 4中。

通過分析抽油機運動特點，在皮帶輪軸、曲柄銷、中軸承等五處添加骨骼，其位置和作用見表1。為建立各骨骼之間的約束關系，按照曲柄、連桿、游梁、驢頭的順序，依次連環設置IK 解算鏈。通過骨骼蒙皮技術建立骨骼與各運動模型間的物理和幾何對應關系，并對各模型運動受到不同骨骼動作影響的權重進行精確設定［6］。

根據抽油機運動特點，確定驢頭上死點、驢頭下死點、曲柄上死點、曲柄下死點、游梁水平位置為關鍵位置，即關鍵幀。在TimeLine上，分別對各關鍵幀下所有骨骼關鍵點的角度及位置進行調節，在曲線編輯器中，對各關鍵幀之間位置變化的加速度進行精細Bezier Curve校對，并進行逐幀檢查，以保證抽油機動作連續平穩。根據實際抽油機的沖次范圍，設定模型動畫單次循環為120 幀，若超出120 幀范圍，將模型動畫的循環規律設定為“循環”模式，最終得到連續運動的抽油機模型動畫。

2.2 基于UE4的交互場景構建

Unreal Engine 4（UE4）又稱虛幻引擎，該引擎具有強大的藍圖可視化編程功能，可與C++編程結合互補使用，同時，其系統開源，利用編譯版本可以十分方便地接入其他插件，十分便于開發；其光照渲染、物理引擎、材質編輯器等功能和效果基本處于業內頂尖水平，同時對VR 手柄和VR 控制器等虛擬現實設備提供了良好的支持。

將FBX 格式的三維模型導入UE4 后，在UE4 引擎中完成環境創建及場景渲染，UE4 材質系統能夠創建出極為真實的材質，利用真實拍攝的抽油機照片貼圖以及結合運用MindTex2軟件生成的法線、高光等貼圖，完成真實的、表面具有凹凸感的材質。導入UE4 中的設備模型已經在3dsMax 中完成了UV 展開處理，能夠實現為同一個物體的不同表面賦予不同的材質。燈光渲染能夠讓整體的場景更加真實，主要分為直接光照和全局光照。油氣井場為野外環境，其直接光照主要為太陽光，在場景界面或藍圖界面均可設置太陽光的角度和位置；全局光照為環境光，利用Lightmass 來存儲全局光照，可使環境光更具真實感［7］。利用UE4 渲染的油氣井場效果如圖3所示。

圖3 油氣井場渲染效果展示

2.3 基于UE4的事故傷害特效設計

在安全體驗系統中，事故傷害特效的展示尤為重要，直接決定了操作者受到感官震撼和沖擊的程度。基于UE4 強大的動態交互、實時渲染能力，通過與實際傷害現象進行對比，設計了符合各項事故體驗內容的事故傷害特效，充分調動學員的視覺、聽覺、觸覺感知，使體驗更加真實。

為展示事故特效，需進行多項參數的設定。以人物倒地效果為例，應進行如下設置：

（1）物理倒下，即空間位置改變；

（2）鏡頭旋轉設置，模擬人物滾動效果；

（3）尖叫聲觸發，模擬聽覺感受；

（4）屏幕材質貼圖更換為紅色血跡，模擬流血效果；

（5）禁止手柄指令，保證觸發后手柄無法繼續操作，以便充分展示事故效果；

（6）屏幕晃動，模擬人員站不穩的效果。

各項參數經過反復優化與測試，最終得到最具真實感的事故傷害體驗效果。

3 結語

將虛擬現實技術的交互性、沉浸感和構想性應用于教育培訓領域，可以提高學員學習的積極性，增加學習的趣味性，易于通過切身感受引發深入思考。本文以油氣井場安全體驗為主題，通過深挖工程內涵，利用3dsMax 建立模型和動畫，基于Unreal Engine 4引擎構建交互場景，實現交互功能，利用HTC Vive 作為輸出設備，建立了油氣井場安全培訓系統，能夠使學員完全沉浸地、自主地、交互地進行安全體驗和學習。實踐表明，基于該系統開展的安全培訓，更加有助于提高學員的安全意識和安全技能，培訓效果優于傳統培訓方式。