人工智能CWCC情景演練系統(tǒng)在中國海油井控培訓中的應用

王哲 張文喜 張璐 苗典遠 張帥

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

目前，國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)在很多領(lǐng)域都有涉及，應急演練虛擬場景在防災領(lǐng)域應用仿真技術(shù)有著巨大的現(xiàn)實價值，包括對地震、火災、洪水等自然災害的模擬仿真；對諸如煤礦坍塌，瓦斯爆炸，油氣井井噴，危險品泄露等設計工業(yè)生產(chǎn)安全的模擬仿真；對行駛安全、交通運輸，醫(yī)療救護等軍事領(lǐng)域的模擬仿真。西方發(fā)達國家在這一領(lǐng)域起步較早，國內(nèi)近年來需求量逐步加大，在技術(shù)水平和應用領(lǐng)域方面有所拓寬。

該領(lǐng)域在虛擬現(xiàn)實應用形式、表現(xiàn)形式、操作形式、體現(xiàn)內(nèi)容等都存在眾多待解決問題，例如：場景建模在應急演練虛擬場景等。因為場景構(gòu)建直接關(guān)系到虛擬場景的構(gòu)造問題，如果構(gòu)造的太簡單，那會使用戶覺得場景不真實；而如果構(gòu)造的太復雜，那么就會對場景的交互上增加難度，實用性就變差。當前世界對場景建模問題主要釆取三種方式，分別是基于圖形的建模技術(shù)、基于圖像的建模技術(shù)、基于圖形和圖像的混合建模技術(shù)[1-3]。將VR技術(shù)應用到應急演練已經(jīng)成為虛擬仿真方面最新、最具發(fā)展前途的一個研究方向。隨著我國對職業(yè)培訓要求的不斷提升，引進先進計算機技術(shù)進行模擬仿真領(lǐng)域的協(xié)作開發(fā)，實現(xiàn)安全高效綠色環(huán)保的培訓機制，是職業(yè)培訓領(lǐng)域的主流實現(xiàn)形式，有重要的研究意義。

1 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

為降低海上油氣勘探開發(fā)過程中的井控風險，切實提高海上鉆井、完井和井下作業(yè)相關(guān)人員的井控水平，針對現(xiàn)場一級、二級和三級井控[4-6]應急狀態(tài)下的演練流程以及現(xiàn)場井控設備故障排查與識別演練流程，開發(fā)出一套適用于淺水和深水三類作業(yè)環(huán)境下具備海洋特色的CWCC井控智能情景演練系統(tǒng)，從而增強培訓效果，為現(xiàn)場作業(yè)提供技術(shù)支撐和安全保障。設計以提升鉆、完、修井作業(yè)人員井控水平為目標，保障海上作業(yè)井控安全。充分發(fā)揮計算機模擬仿真的優(yōu)勢，基于計算機模擬、三維圖形圖像立體顯示技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實等技術(shù)，開發(fā)一整套井控數(shù)字化情景培訓演練系統(tǒng)，實現(xiàn)安全、節(jié)能、環(huán)保的井控培訓[7-9]。

1.1 數(shù)學模型核心

系統(tǒng)軟件運用溢流模型、鉆速模型、壓井模型等數(shù)學物理模型，模擬石油工程鉆井作業(yè)中的各種工況和參數(shù)信息，例如壓力、扭矩、鉆速、排量等，精確反應這些物理參數(shù)之間的關(guān)系，達到與實際鉆井作業(yè)相同的效果。系統(tǒng)支持各種鉆井參數(shù)設置，如鉆具結(jié)構(gòu)、井深結(jié)構(gòu)、地層參數(shù)、設備參數(shù)等，使演練過程更加靈活多變，更具培訓針對性。系統(tǒng)采用的數(shù)學物理模型支持無定序操作架構(gòu)，能真實模擬作業(yè)過程的各種操作，真實表達人為操作的差異性，使系統(tǒng)表現(xiàn)更接近實際。

1.2 三維表達核心

三維顯示系統(tǒng)作為整個項目的視覺輸出主體，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造逼真的感知環(huán)境。系統(tǒng)采用與操作工況同步的三維實時渲染動畫，展示受訓人員的操作反饋。

1.3 自動化管理及智能評判

建設內(nèi)容均圍繞海洋工程井控工藝相關(guān)的重要內(nèi)容展開，針對作業(yè)流程、井控處置、團隊協(xié)同等方面進行設計和制作，能夠真正提升受訓人員的作業(yè)能力。系統(tǒng)提供教師端管理軟件，教師可對系統(tǒng)功能、培訓項目、學員信息、演練團隊進行分類管理，并形成快速實施方案，方便教師的日常培訓項目設置。

1.4 多崗位多任務流程觸發(fā)機制

系統(tǒng)涵蓋100余項演練項目，教師可根據(jù)培訓需求任意組合演練項目，訂制每次的演練內(nèi)容，處理過程如下：

（1）接受演練任務列表的主控程序初始化信息，在重置設備狀態(tài)后，生成每個演練分項的初始化場景及設備狀態(tài)

（2）作業(yè)開始后，接受多崗位各角色交互式操作信息。由主控程序統(tǒng)一分析并處理，然后通過unity3D網(wǎng)絡架構(gòu)同步所有參與演練人員的顯示終端三維圖形狀態(tài)信息，同時同步執(zhí)行主控發(fā)送的命令

（3）命令執(zhí)行完畢，發(fā)送給主控所需的當前場景狀態(tài)和完成的命令號

（4）圖形程序一旦啟動，可持續(xù)接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行操作，支持重復初始化及重復作業(yè)功能

1.5 多人協(xié)同

系統(tǒng)根據(jù)淺海、深海鉆井井控各項演練項目涉及的演練人員進行工種和職能劃分，模擬司鉆、副司鉆、井架工、鉆工A、鉆工B、鉆工C、鉆工D、鉆井監(jiān)督、錄井工程師、高級隊長、隊長、固井工程師、泥漿工程師等崗位，在深海、淺海鉆井一級、二級及三級井控過程中的崗位職責。根據(jù)不同的演練項目設定參與崗位人員，針對起下鉆桿、起下鉆鋌、空井，鉆進、電測、固井等工藝過程中的井控過程情景演練。實現(xiàn)多崗位協(xié)同作業(yè)，包括：井控設備操作、工藝過程演練、多崗位協(xié)同操作、事故現(xiàn)象模擬等。

2 系統(tǒng)演練模式

根據(jù)作業(yè)內(nèi)容和適用的培訓方式，該系統(tǒng)采用多種演練模式，含：VR沉浸式多人協(xié)同演練模式、桌面式軟硬件結(jié)合多人協(xié)同演練模式、模擬硬件實操平臺演練模式、MR混合現(xiàn)實操作平臺演練模式、三維交互式動畫演練模式。

2.1 桌面式軟硬件結(jié)合多人協(xié)同演練模式

桌面式多人協(xié)同演練與VR多人協(xié)同演練采用相同的數(shù)學模型內(nèi)核核心，工藝過程、控制過程、演練內(nèi)容及評價標準。受訓人員進入培訓項目后的交互方式可通過桌面式虛擬顯示軟件和井控模擬硬件相結(jié)合的方式實現(xiàn)。一組作業(yè)人員在一次培訓過程中，涉及到對井控設備的操作可在硬件模擬設備上實操完成，其他流程操作和設備操作可在桌面式虛擬現(xiàn)實軟件上實現(xiàn)。

2.2 VR 沉浸式多人協(xié)同演練模式

VR沉浸式多人協(xié)同演練可部署一、二、三級井控中包含的沉浸式單人/多人演練平臺系統(tǒng)和部分設備故障在關(guān)聯(lián)作業(yè)中的現(xiàn)象顯示。系統(tǒng)基于數(shù)學模型核心和三維表達核心，可進行自動化管理和智能評判。受訓人員通過教師端設置及作業(yè)內(nèi)容設置后開始演練過程。操作人員通過沉浸式虛擬現(xiàn)實頭盔與演練三維場景進行交互，實現(xiàn)對演練內(nèi)容的培訓。

2.3 VR 與桌面交互相融合的演練模式

支持VR與桌面交互相融合，以及作業(yè)過程中的多人協(xié)同過程，滿足項目培訓需要。

（1）模式切換便捷

使用Steam VR插件中預制的Player組件，使用Steam VR Objects和No Steam VR Fallback Objects物體，通過這兩個物體的模式切換操作，實現(xiàn)VR攝像機與桌面攝像機的模式識別，從而達到桌面交互視角與VR交互視角的融合，表現(xiàn)相同的演練場景要素及對應信息

（2）交互響應快速

通過編寫交互系統(tǒng)的核心類Player，Hand和Interactable，設置Player預制件，實現(xiàn)場景中的播放器對象和SteamVR攝像機設置。交互系統(tǒng)通過向與之交互的任何對象發(fā)送消息來工作。然后，這些對象會對消息做出快速反應，并且可以根據(jù)需要將其自身附加到手上

（3）VR與桌面通用交互功能實現(xiàn)

通過對需交互物體添加Interactable組件，融合VR的手柄交互和桌面鼠標點擊交互功能，同化演練過程中的各崗位角色與虛擬場景及設備的交互功能；

2.4 MR 混合式虛擬現(xiàn)實演練模式

MR混合式虛擬現(xiàn)實演示模式根據(jù)石油相關(guān)數(shù)學模型能實時計算、模擬、展現(xiàn)鉆井作業(yè)中壓力、扭矩、鉆速、排量等各項參數(shù)，精確反應各個物理參數(shù)之間的關(guān)系，達到與實際作業(yè)相同的效果，MR混合式虛擬現(xiàn)實演示模式符合IADC和IWCF標準，滿足培訓的靈活性和針對性。

MR混合式虛擬現(xiàn)實演示模式基于MR混合現(xiàn)實設備，利用三維建模技術(shù)建立整個座椅操作模型，并模擬和控制井控設備模型的操作，配合真實的設備模擬操作臺，滿足高度沉浸式的深水鉆井井控培訓。軟件系統(tǒng)采用無定序架構(gòu)，能真實模擬鉆機的各種操作，使系統(tǒng)更接近實際；利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造逼真的感知環(huán)境，采用與操作工況同步的三維動畫展示現(xiàn)場場景，結(jié)合高仿真的現(xiàn)場音效，給人以身臨其境的感受。

MR混合現(xiàn)實操作平臺演練運用虛實結(jié)合的方式，使用真實的智能座椅操作臺作為操作媒介，佩戴虛擬現(xiàn)實手套進行用戶的手部動作識別，視覺感官通過沉浸式虛擬現(xiàn)實眼鏡提供實時交互的三維影像，從而產(chǎn)生與現(xiàn)實高度契合的操作體驗。

3 系統(tǒng)功能分析

可實現(xiàn)桌面式與沉浸式在同場景下的組合演練；滿足桌面式與沉浸式在同場景下的組合演練；滿足多人多組本地同場景協(xié)同演練；具備演練期間的多視角參觀功能，其中包含全局視角1個，每個角色分別具備第一人稱和第三人稱視角。

采用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)，在虛擬空間中最大限度模擬真實情況的發(fā)生、發(fā)展過程，以及人員在虛擬環(huán)境中可能做出的各種反應。要求包括：

（1）三維場景模擬

三維場景真實、完整，定位準確、模型精度高，可優(yōu)化，具體要求如下：

場景定位：在場景中可以對裝置中的一些設備進行定位查找。

設備狀態(tài)查詢：在場景中對設備、閥門、人員、工具等物體進行狀態(tài)查詢。

場景漫游：可以在三維場景中漫游行走，任意角度的旋轉(zhuǎn)場景，方便對三維場景的瀏覽和熟悉。

（2）培訓目標達成

培訓內(nèi)容面向作業(yè)場景、工藝過程、演練要點、設備使用、應急過程進行可視化培訓，通過生動、形象的三維動畫場景交互達成培訓目標。

（3）應急演練培訓

在三維虛擬場景中將各個演練過程通過三維可交互場景的形式展示出來，包括各種工況下應采取的作業(yè)措施和培訓要點，借助三維情景反饋達成作業(yè)發(fā)展與現(xiàn)場工藝處置、安全流程及應急處置等內(nèi)容有機的結(jié)合起來，更加直觀地呈現(xiàn)培訓內(nèi)容，使受訓人員達成身臨其境的演練效果。

4 結(jié)論

人工智能CWCC情景演練系統(tǒng)是基于海油培訓需求，立足現(xiàn)場實際，體現(xiàn)工藝邏輯，為了真實模擬作業(yè)現(xiàn)場的實際情況，系統(tǒng)采用多種數(shù)學物理模型作為底層觸發(fā)的數(shù)據(jù)基礎。同事，運用多種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，達成智能化情景展示為主體的井控多人演練系統(tǒng)。綜合運用桌面式/沉浸式，單人/多人模式組合的演練組織形式，同時引入混合現(xiàn)實技術(shù)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，沉浸式虛擬現(xiàn)實和動作捕捉系統(tǒng)為實現(xiàn)路徑，達成復合型多功能的大規(guī)模虛擬現(xiàn)實實訓系統(tǒng)。該系統(tǒng)無論從培訓目標、培訓立意、培訓形式、以及實現(xiàn)方式，均屬業(yè)內(nèi)屬首創(chuàng)。

具有無定序模擬軟件架構(gòu)。對受訓人員的操作順序沒有任何限制，完全模擬真實鉆機的模式和功能，操作者可以按照任何方式去操作模擬系統(tǒng)，就像操作真實鉆機。

仿真性：演練過程由豐富的后臺數(shù)學物理模型支持，保證演練數(shù)據(jù)的真實性，客觀反映演練過程的儀表數(shù)據(jù)參數(shù)變化，讓演練過程與客觀實際高度重合。

智能性：系統(tǒng)中多人協(xié)同支持AI角色扮演，可處理參培人員不夠一個班組的情況。AI人物未被選角色，配合實際參演人員完成整個班組的演練任務。

綜合性：多模塊支持多人桌面和多人VR協(xié)同演練，可根據(jù)用戶習慣選擇性使用培訓硬件，人性化設計多項目演化的綜合性培訓，適應行業(yè)培訓需求，軟硬件資源高度一體化、綜合化。