人工智能CWCC情景演練系統(tǒng)在中國(guó)海油井控培訓(xùn)中的應(yīng)用

王哲 張文喜 張璐 苗典遠(yuǎn) 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(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)在很多領(lǐng)域都有涉及，應(yīng)急演練虛擬場(chǎng)景在防災(zāi)領(lǐng)域應(yīng)用仿真技術(shù)有著巨大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，包括對(duì)地震、火災(zāi)、洪水等自然災(zāi)害的模擬仿真；對(duì)諸如煤礦坍塌，瓦斯爆炸，油氣井井噴，危險(xiǎn)品泄露等設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)安全的模擬仿真；對(duì)行駛安全、交通運(yùn)輸，醫(yī)療救護(hù)等軍事領(lǐng)域的模擬仿真。西方發(fā)達(dá)國(guó)家在這一領(lǐng)域起步較早，國(guó)內(nèi)近年來(lái)需求量逐步加大，在技術(shù)水平和應(yīng)用領(lǐng)域方面有所拓寬。

該領(lǐng)域在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(wèn)題，例如：場(chǎng)景建模在應(yīng)急演練虛擬場(chǎng)景等。因?yàn)閳?chǎng)景構(gòu)建直接關(guān)系到虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造問(wèn)題，如果構(gòu)造的太簡(jiǎn)單，那會(huì)使用戶覺(jué)得場(chǎng)景不真實(shí)；而如果構(gòu)造的太復(fù)雜，那么就會(huì)對(duì)場(chǎng)景的交互上增加難度，實(shí)用性就變差。當(dāng)前世界對(duì)場(chǎng)景建模問(wèn)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(yīng)用到應(yīng)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(gè)研究方向。隨著我國(guó)對(duì)職業(yè)培訓(xùn)要求的不斷提升，引進(jìn)先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬仿真領(lǐng)域的協(xié)作開發(fā)，實(shí)現(xiàn)安全高效綠色環(huán)保的培訓(xùn)機(jī)制，是職業(yè)培訓(xùn)領(lǐng)域的主流實(shí)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(guò)程中的井控風(fēng)險(xiǎn)，切實(shí)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)井控[4-6]應(yīng)急狀態(tài)下的演練流程以及現(xiàn)場(chǎng)井控設(shè)備故障排查與識(shí)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(qiáng)培訓(xùn)效果，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供技術(shù)支撐和安全保障。設(shè)計(jì)以提升鉆、完、修井作業(yè)人員井控水平為目標(biāo)，保障海上作業(yè)井控安全。充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)模擬仿真的優(yōu)勢(shì)，基于計(jì)算機(jī)模擬、三維圖形圖像立體顯示技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，開發(fā)一整套井控?cái)?shù)字化情景培訓(xùn)演練系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能、環(huán)保的井控培訓(xùn)[7-9]。

1.1 數(shù)學(xué)模型核心

系統(tǒng)軟件運(yùn)用溢流模型、鉆速模型、壓井模型等數(shù)學(xué)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(yīng)這些物理參數(shù)之間的關(guān)系，達(dá)到與實(shí)際鉆井作業(yè)相同的效果。系統(tǒng)支持各種鉆井參數(shù)設(shè)置，如鉆具結(jié)構(gòu)、井深結(jié)構(gòu)、地層參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等，使演練過(guò)程更加靈活多變，更具培訓(xùn)針對(duì)性。系統(tǒng)采用的數(shù)學(xué)物理模型支持無(wú)定序操作架構(gòu)，能真實(shí)模擬作業(yè)過(guò)程的各種操作，真實(shí)表達(dá)人為操作的差異性，使系統(tǒng)表現(xiàn)更接近實(shí)際。

1.2 三維表達(dá)核心

三維顯示系統(tǒng)作為整個(gè)項(xiàng)目的視覺(jué)輸出主體，利用虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)時(shí)渲染動(dòng)畫，展示受訓(xùn)人員的操作反饋。

1.3 自動(dòng)化管理及智能評(píng)判

建設(shè)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(duì)作業(yè)流程、井控處置、團(tuán)隊(duì)協(xié)同等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，能夠真正提升受訓(xùn)人員的作業(yè)能力。系統(tǒng)提供教師端管理軟件，教師可對(duì)系統(tǒng)功能、培訓(xùn)項(xiàng)目、學(xué)員信息、演練團(tuán)隊(duì)進(jìn)行分類管理，并形成快速實(shí)施方案，方便教師的日常培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)置。

1.4 多崗位多任務(wù)流程觸發(fā)機(jī)制

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

（1）接受演練任務(wù)列表的主控程序初始化信息，在重置設(shè)備狀態(tài)后，生成每個(gè)演練分項(xiàng)的初始化場(chǎng)景及設(shè)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(guò)unity3D網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(dāng)前場(chǎng)景狀態(tài)和完成的命令號(hào)

（4）圖形程序一旦啟動(dòng)，可持續(xù)接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行操作，支持重復(fù)初始化及重復(fù)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(xiàng)演練項(xiàng)目涉及的演練人員進(jìn)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(jí)隊(duì)長(zhǎng)、隊(duì)長(zhǎng)、固井工程師、泥漿工程師等崗位，在深海、淺海鉆井一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)井控過(guò)程中的崗位職責(zé)。根據(jù)不同的演練項(xiàng)目設(shè)定參與崗位人員，針對(duì)起下鉆桿、起下鉆鋌、空井，鉆進(jìn)、電測(cè)、固井等工藝過(guò)程中的井控過(guò)程情景演練。實(shí)現(xiàn)多崗位協(xié)同作業(yè)，包括：井控設(shè)備操作、工藝過(guò)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(xùn)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(shí)操平臺(tái)演練模式、MR混合現(xiàn)實(shí)操作平臺(tái)演練模式、三維交互式動(dòng)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(xué)模型內(nèi)核核心，工藝過(guò)程、控制過(guò)程、演練內(nèi)容及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。受訓(xùn)人員進(jìn)入培訓(xùn)項(xiàng)目后的交互方式可通過(guò)桌面式虛擬顯示軟件和井控模擬硬件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。一組作業(yè)人員在一次培訓(xùn)過(guò)程中，涉及到對(duì)井控設(shè)備的操作可在硬件模擬設(shè)備上實(shí)操完成，其他流程操作和設(shè)備操作可在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)軟件上實(shí)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(jí)井控中包含的沉浸式單人/多人演練平臺(tái)系統(tǒng)和部分設(shè)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(xué)模型核心和三維表達(dá)核心，可進(jìn)行自動(dòng)化管理和智能評(píng)判。受訓(xùn)人員通過(guò)教師端設(shè)置及作業(yè)內(nèi)容設(shè)置后開始演練過(guò)程。操作人員通過(guò)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔與演練三維場(chǎng)景進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)演練內(nèi)容的培訓(xùn)。

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(guò)程中的多人協(xié)同過(guò)程，滿足項(xiàng)目培訓(xùn)需要。

（1）模式切換便捷

使用Steam VR插件中預(yù)制的Player組件，使用Steam VR Objects和No Steam VR Fallback Objects物體，通過(guò)這兩個(gè)物體的模式切換操作，實(shí)現(xiàn)VR攝像機(jī)與桌面攝像機(jī)的模式識(shí)別，從而達(dá)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(chǎng)景要素及對(duì)應(yīng)信息

（2）交互響應(yīng)快速

通過(guò)編寫交互系統(tǒng)的核心類Player，Hand和Interactable，設(shè)置Player預(yù)制件，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中的播放器對(duì)象和SteamVR攝像機(jī)設(shè)置。交互系統(tǒng)通過(guò)向與之交互的任何對(duì)象發(fā)送消息來(lái)工作。然后，這些對(duì)象會(huì)對(duì)消息做出快速反應(yīng)，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(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)需交互物體添加Interactable組件，融合VR的手柄交互和桌面鼠標(biāo)點(diǎn)擊交互功能，同化演練過(guò)程中的各崗位角色與虛擬場(chǎng)景及設(shè)備的交互功能；

2.4 MR 混合式虛擬現(xiàn)實(shí)演練模式

MR混合式虛擬現(xiàn)實(shí)演示模式根據(jù)石油相關(guān)數(shù)學(xué)模型能實(shí)時(shí)計(jì)算、模擬、展現(xiàn)鉆井作業(yè)中壓力、扭矩、鉆速、排量等各項(xiàng)參數(shù)，精確反應(yīng)各個(gè)物理參數(shù)之間的關(guān)系，達(dá)到與實(shí)際作業(yè)相同的效果，MR混合式虛擬現(xiàn)實(shí)演示模式符合IADC和IWCF標(biāo)準(zhǔn)，滿足培訓(xùn)的靈活性和針對(duì)性。

MR混合式虛擬現(xiàn)實(shí)演示模式基于MR混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備，利用三維建模技術(shù)建立整個(gè)座椅操作模型，并模擬和控制井控設(shè)備模型的操作，配合真實(shí)的設(shè)備模擬操作臺(tái)，滿足高度沉浸式的深水鉆井井控培訓(xùn)。軟件系統(tǒng)采用無(wú)定序架構(gòu)，能真實(shí)模擬鉆機(jī)的各種操作，使系統(tǒng)更接近實(shí)際；利用虛擬現(xiàn)實(shí)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(dòng)畫展示現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，結(jié)合高仿真的現(xiàn)場(chǎng)音效，給人以身臨其境的感受。

MR混合現(xiàn)實(shí)操作平臺(tái)演練運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的方式，使用真實(shí)的智能座椅操作臺(tái)作為操作媒介，佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)手套進(jìn)行用戶的手部動(dòng)作識(shí)別，視覺(jué)感官通過(guò)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡提供實(shí)時(shí)交互的三維影像，從而產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)高度契合的操作體驗(yàn)。

3 系統(tǒng)功能分析

可實(shí)現(xiàn)桌面式與沉浸式在同場(chǎng)景下的組合演練；滿足桌面式與沉浸式在同場(chǎng)景下的組合演練；滿足多人多組本地同場(chǎng)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(gè)，每個(gè)角色分別具備第一人稱和第三人稱視角。

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

（1）三維場(chǎng)景模擬

三維場(chǎng)景真實(shí)、完整，定位準(zhǔn)確、模型精度高，可優(yōu)化，具體要求如下：

場(chǎng)景定位：在場(chǎng)景中可以對(duì)裝置中的一些設(shè)備進(jìn)行定位查找。

設(shè)備狀態(tài)查詢：在場(chǎng)景中對(duì)設(shè)備、閥門、人員、工具等物體進(jìn)行狀態(tài)查詢。

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

（2）培訓(xùn)目標(biāo)達(dá)成

培訓(xùn)內(nèi)容面向作業(yè)場(chǎng)景、工藝過(guò)程、演練要點(diǎn)、設(shè)備使用、應(yīng)急過(guò)程進(jìn)行可視化培訓(xùn)，通過(guò)生動(dòng)、形象的三維動(dòng)畫場(chǎng)景交互達(dá)成培訓(xùn)目標(biāo)。

（3）應(yīng)急演練培訓(xùn)

在三維虛擬場(chǎng)景中將各個(gè)演練過(guò)程通過(guò)三維可交互場(chǎng)景的形式展示出來(lái)，包括各種工況下應(yīng)采取的作業(yè)措施和培訓(xùn)要點(diǎn)，借助三維情景反饋達(dá)成作業(yè)發(fā)展與現(xiàn)場(chǎng)工藝處置、安全流程及應(yīng)急處置等內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，更加直觀地呈現(xiàn)培訓(xùn)內(nèi)容，使受訓(xùn)人員達(dá)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(xùn)需求，立足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，體現(xiàn)工藝邏輯，為了真實(shí)模擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，系統(tǒng)采用多種數(shù)學(xué)物理模型作為底層觸發(fā)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同事，運(yùn)用多種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，達(dá)成智能化情景展示為主體的井控多人演練系統(tǒng)。綜合運(yùn)用桌面式/沉浸式，單人/多人模式組合的演練組織形式，同時(shí)引入混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)路徑，達(dá)成復(fù)合型多功能的大規(guī)模虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)論從培訓(xùn)目標(biāo)、培訓(xùn)立意、培訓(xùn)形式、以及實(shí)現(xiàn)方式，均屬業(yè)內(nèi)屬首創(chuàng)。

具有無(wú)定序模擬軟件架構(gòu)。對(duì)受訓(xùn)人員的操作順序沒(méi)有任何限制，完全模擬真實(shí)鉆機(jī)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(shí)鉆機(jī)。

仿真性：演練過(guò)程由豐富的后臺(tái)數(shù)學(xué)物理模型支持，保證演練數(shù)據(jù)的真實(shí)性，客觀反映演練過(guò)程的儀表數(shù)據(jù)參數(shù)變化，讓演練過(guò)程與客觀實(shí)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(gè)班組的情況。AI人物未被選角色，配合實(shí)際參演人員完成整個(gè)班組的演練任務(wù)。

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(xí)慣選擇性使用培訓(xùn)硬件，人性化設(shè)計(jì)多項(xiàng)目演化的綜合性培訓(xùn)，適應(yīng)行業(yè)培訓(xùn)需求，軟硬件資源高度一體化、綜合化。