數(shù)字孿生VR技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中的應(yīng)用

摘要：以合興場氣田為例，探索數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中的應(yīng)用效果。在研究數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，設(shè)計氣田應(yīng)急演練系統(tǒng)，構(gòu)建氣田的虛擬孿生模型，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，采用場景渲染算法，渲染并獲取最終氣田應(yīng)急演練場景，提升虛擬氣田應(yīng)急演練場景的真實感，為應(yīng)急演練提供逼真的模擬環(huán)境，使參與人員能夠在虛擬環(huán)境中進行真實的應(yīng)急操作。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生驅(qū)動；虛擬現(xiàn)實；操作技術(shù)；氣田應(yīng)急演練；應(yīng)用探索

一、前言

氣田作為能源供應(yīng)的重要基地，其安全運營和應(yīng)急響應(yīng)能力對于保障國家能源安全至關(guān)重要[1]。在面臨潛在的風(fēng)險和挑戰(zhàn)時，傳統(tǒng)的應(yīng)急演練方式已經(jīng)難以滿足實際需求，迫切需要引入新技術(shù)來提高演練的效率。數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，為氣田應(yīng)急演練提供了新的解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)，作為一種將物理實體與虛擬模型相結(jié)合的技術(shù)，能夠?qū)崟r模擬和監(jiān)控實體的運行狀態(tài)，為決策提供支持[2]。虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)則能夠為用戶提供沉浸式的操作體驗，使用戶仿佛置身于真實的場景中。將這兩種技術(shù)相結(jié)合可以構(gòu)建出高度逼真的氣田虛擬環(huán)境，為應(yīng)急演練提供全新的平臺[3]。因此，探索數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。本研究旨在深入分析該技術(shù)的原理，并通過案例分析驗證了其有效性和實用性。

二、基于數(shù)字孿生VR技術(shù)的氣田應(yīng)急演練

（一）數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)

數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)主要包括兩個核心部分：數(shù)字孿生技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)是一種將物理實體與虛擬模型相結(jié)合的技術(shù)。它通過集成傳感器、模型、數(shù)據(jù)和算法將物理世界和數(shù)字世界聯(lián)系起來，旨在通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，實現(xiàn)對物理實體的實時監(jiān)控、預(yù)測和優(yōu)化[4]。在氣田應(yīng)急演練中，可以構(gòu)建氣田的虛擬孿生模型，該模型能夠?qū)崟r模擬氣田的生產(chǎn)流程、設(shè)備狀態(tài)以及潛在的風(fēng)險因素。通過虛擬孿生模型，可以模擬各種復(fù)雜的應(yīng)急場景，如設(shè)備故障、氣體泄漏等，為應(yīng)急演練提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機技術(shù)[5]。它通過計算機生成的三維圖像和聲音，為用戶提供沉浸式的體驗。在氣田應(yīng)急演練中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將參與人員帶入虛擬孿生模型中，使他們仿佛置身于真實的應(yīng)急場景中。參與人員可以在虛擬環(huán)境中進行實時操作，如關(guān)閉閥門、啟動應(yīng)急設(shè)備等，從而熟悉應(yīng)急流程，掌握應(yīng)急技能。

（二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在研究數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)原理基礎(chǔ)上，構(gòu)建氣田應(yīng)急演練系統(tǒng)，提高氣田應(yīng)急演練的質(zhì)量和效率。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

由圖1可知，該系統(tǒng)旨在通過數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為氣田應(yīng)急演練提供一個高度逼真、可交互的虛擬環(huán)境，以提高應(yīng)急響應(yīng)能力和操作效率。氣田應(yīng)急演練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分：

數(shù)據(jù)采集層，該層負責(zé)收集氣田的實際運行數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)、工藝流程、環(huán)境監(jiān)測等信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，存進數(shù)據(jù)庫層將作為數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)輸入。

數(shù)字孿生模型構(gòu)建層，以數(shù)據(jù)庫層中的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用先進的建模技術(shù)和算法，構(gòu)建氣田的數(shù)字孿生模型。該模型需要精確反映氣田的物理結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)，以支持后續(xù)的虛擬現(xiàn)實操作。

虛擬現(xiàn)實操作層，該層利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將數(shù)字孿生模型以逼真的方式呈現(xiàn)給用戶。用戶可以通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備（如VR頭盔、手柄等）與虛擬環(huán)境進行交互，模擬各種應(yīng)急操作。同時，該模塊還支持多用戶協(xié)同操作，提高演練的真實性和有效性。在技術(shù)實現(xiàn)方面，系統(tǒng)采用了基于并行光子映射算法的渲染技術(shù)，以實現(xiàn)高效、逼真的虛擬環(huán)境渲染。

氣田應(yīng)急演練層的演練控制模塊，在演練時，系統(tǒng)管理者可控制氣田應(yīng)急演練場景操作；通過記錄/編輯模塊實現(xiàn)氣田應(yīng)急演練的全程記錄，并生成氣田應(yīng)急演練檔案；利用氣田應(yīng)急演練考核模塊考核氣田應(yīng)急演練過程，并和已有預(yù)案進行對比。應(yīng)急決策支持模塊，該模塊通過分析數(shù)字孿生模型中的數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實操作過程中的反饋，為應(yīng)急決策提供支持。例如，當(dāng)模擬出現(xiàn)設(shè)備故障或氣體泄漏等緊急情況時，該模塊可以自動分析原因并給出相應(yīng)的處理建議。

系統(tǒng)管理與維護模塊，該模塊負責(zé)整個系統(tǒng)的運行管理和維護，同時，該模塊還負責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，系統(tǒng)還采用了人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，以支持更加智能化的應(yīng)急決策支持功能。

三、氣田應(yīng)急演練場景構(gòu)建與場景渲染算法

（一）氣田應(yīng)急演練場景構(gòu)建

該系統(tǒng)的虛擬環(huán)境構(gòu)建利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以構(gòu)建出與真實氣田環(huán)境高度一致的虛擬模型。該模型不僅包含了氣田的地形、地貌、建筑、設(shè)備等物理信息，還包含了設(shè)備的運行狀態(tài)、工藝流程等動態(tài)信息。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以將虛擬模型呈現(xiàn)給參與人員，使其能夠身臨其境地感受到氣田的環(huán)境和氛圍。通過數(shù)字孿生技術(shù)的Unity 3D軟件構(gòu)建氣田應(yīng)急演練場景，可提高氣田的數(shù)字孿生模型的真實性[6]。

應(yīng)急場景模擬，在虛擬環(huán)境中，可以模擬各種復(fù)雜的應(yīng)急場景，如設(shè)備故障、氣體泄漏、火災(zāi)等。這些場景可以根據(jù)實際需求進行定制，以滿足不同應(yīng)急演練的需求。通過模擬這些場景，參與人員可以在虛擬環(huán)境中進行真實的應(yīng)急操作，提高應(yīng)急響應(yīng)能力和操作技能。石油化工企業(yè)可設(shè)置VR體驗室，通過數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)，實現(xiàn)應(yīng)急場景模擬。虛擬現(xiàn)實操作示意圖如圖2所示。

由圖2可知，氣田應(yīng)急演練人員需要進入VR室佩戴VR眼鏡，進入氣田應(yīng)急演練場景，利用數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動虛擬現(xiàn)實的實時語音操作，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成氣田設(shè)備的操作。

（二）場景渲染算法

在實現(xiàn)氣田應(yīng)急演練場景渲染功能時，采用了基于并行光子映射算法。首先，該算法在第一遍渲染時，光源會向氣田應(yīng)急演練場景內(nèi)發(fā)射光子，并通過追蹤這些光子的運動軌跡，記錄它們與場景內(nèi)物體表面的交互信息。接著，在第二遍渲染時，從視點出發(fā)，向氣田應(yīng)急演練場景內(nèi)發(fā)射光線，并追蹤這些光線的路徑。此時，利用第一遍渲染時生成的光子圖，根據(jù)其中儲存的光子與物體表面的交互信息，計算并確定圖像平面上對應(yīng)點的顏色值。最終，通過這些計算，生成完整的渲染圖像。為了提升渲染效率，利用共享內(nèi)存的并行運算環(huán)境來執(zhí)行這一算法。在這種環(huán)境中，通過一個稱為Rank0的進程來分發(fā)和劃分渲染任務(wù)，同時負責(zé)接收和整合各個并行任務(wù)生成的渲染結(jié)果。這種并行化的方式能夠顯著加速光子映射算法的執(zhí)行速度，從而實現(xiàn)高效的氣田應(yīng)急演練場景渲染。并行化光子映射算法的流程見圖3。

在過程一的渲染中，考慮到生成光子的時間成本較低，選擇在各個運算節(jié)點上獨立執(zhí)行這一步驟。為確保生成的光子圖具有一致性，所有光源均使用統(tǒng)一的隨機種子來觸發(fā)光子的發(fā)射。

關(guān)于各運算節(jié)點的渲染流程，詳細步驟如下：

1.依據(jù)提供的隨機種子，光源從任意位置發(fā)射光子。這些光子在氣田應(yīng)急演練場景內(nèi)會與不同物體材質(zhì)交互，經(jīng)歷吸收、反射或折射，最終形成完整的光子圖。

2.當(dāng)待渲染的空間R無待處理任務(wù)時，系統(tǒng)將渲染點轉(zhuǎn)移至空間的左上角，并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟。

3.以已生成的光子圖為基礎(chǔ)，通過基礎(chǔ)光線跟蹤算法，從視點出發(fā)向渲染點發(fā)射射線，并捕獲與氣田應(yīng)急演練場景相交的采樣點P。P點的顏色計算公式如下：

（1）

P點的BRDF函數(shù)以fp（P，ω?p，ω?）表示；?A表示P點鄰近光子采樣密度，?A通常為常量；φp表示入射光子能量；n和?φp（ω?p）分別表示與P點最為接近的光子數(shù)量、各個光子擁有的能量。

4.隨后，將渲染點移至待渲染空間的右下角。如果渲染點仍在該空間R內(nèi)，則重復(fù)步驟3。若不在，則將當(dāng)前節(jié)點的渲染結(jié)果發(fā)送至中央處理單元，并返回步驟2繼續(xù)處理新的渲染區(qū)域。

5.當(dāng)所有渲染任務(wù)完成后，整個渲染過程結(jié)束。由于各運算節(jié)點的渲染過程保持一致，通過將它們的結(jié)果整合，可以得到氣田應(yīng)急演練場景的最終渲染圖像。

四、數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中的應(yīng)用探索

以四川省的合興場氣田為例，該氣田的天然氣產(chǎn)能達18億立方米，為國家能源安全作出了巨大貢獻。為了探索數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中的應(yīng)用效果，在合興場氣田應(yīng)用氣田應(yīng)急演練系統(tǒng)，并測試該系統(tǒng)的性能。通過該系統(tǒng)構(gòu)建氣田罐區(qū)三維場景與氣田應(yīng)急演練場景，測試人員佩戴虛擬現(xiàn)實的VR設(shè)備進入該氣田應(yīng)急演練系統(tǒng)，并選取氣田應(yīng)急演練場景，開始進行氣田應(yīng)急演練功能測試，測試界面圖如圖4所示。

由圖4（a）可知，通過該系統(tǒng)構(gòu)建氣田的虛擬孿生模型并結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為測試人員提供了逼真的模擬環(huán)境。在圖4（b）中，測試人員佩戴虛擬現(xiàn)實的VR設(shè)備進入該氣田應(yīng)急演練系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中，參與人員進行了設(shè)備泄漏著火應(yīng)急場景的演練。圖4（c）中，測試人員依據(jù)應(yīng)急場景中氣田的險情比較嚴(yán)重，采用中級指揮方案，利用VR設(shè)備選取相應(yīng)滅火車輛及設(shè)備，進行應(yīng)急處理。演練過程中，系統(tǒng)實時收集了參與人員的操作數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行了分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，參與人員在演練中表現(xiàn)出了較高的應(yīng)急響應(yīng)能力和操作技能水平。同時，也發(fā)現(xiàn)了一些潛在的問題和改進空間，為今后的應(yīng)急演練提供了有力的支持。經(jīng)過綜合分析可知，數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中的應(yīng)用效果較好。

五、結(jié)語

通過對數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中的深入探索和應(yīng)用實踐，得出該技術(shù)可行性高，這種模擬演練不僅能夠提高參與者的應(yīng)急響應(yīng)能力，還能夠幫助他們更好地理解應(yīng)急措施的實際效果，為實際應(yīng)急響應(yīng)提供有力支持。數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬現(xiàn)實操作技術(shù)在氣田應(yīng)急演練中具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的實踐價值。未來，將繼續(xù)探索該技術(shù)的更多應(yīng)用場景和潛力，為氣田的安全運營和應(yīng)急響應(yīng)提供更加有力的支持。

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作者單位：新疆油田公司采氣一廠

責(zé)任編輯：張津平、尚丹