虚拟现实仿真技术在油气田及化工培训系统设计与实现

曲本全 郄兆辉 苏晓伟 张振昆 李业辉

（中国石油大学（华东）石仪科技有限公司 山东 东营）

0 引言

随着虚拟现实仿真技术的发展，在数字化城市、工业仿真、场馆虚拟等领域得到广泛地应用，但在油气田及化工领域的培训应用还刚起步。如何提高行业员工培训质量和培训效果，增强员工的业务素质，是油气田勘探与开发的迫切需要，是提高化工行业实验效果的重要手段之一。目前传统的培训方式主要存在以下局限性：培训效果是否良好主要依赖于教师的水平，培训过程没有明确统一的评价标准，针对性差，没有可重用性等。可见传统的培训技术不但受时间、空间的限制，而且在人力、资源、经费、组织实施等方面都存在很多问题。尤其对于危险作业或不具备实验条件的高级培训，传统的培训方式更是难以实现。传统培训模式的局限性制约了人们所期望的培训质量和培训效率，满足不了石油石化行业现代发展的需求。针对以上局限性，我们利用虚拟现实仿真技术结合石油石化领域的培训内容，开发了具有专业特色的培训系统[1]。

1 系统总体设计[2]

虚拟现实仿真教学培训系统的开发的关键技术是虚拟环境建模技术和交互控制技术。该培训系统采用实物仿真模型＋SCADA＋3DMAX＋SQLServer＋VRP的混合体系框架实现。其中实物仿真模型是将油气田现场装备或化工行业实验设备按一定的比例进行制作，通过培训人员操作和软件系统控制，实现模型与培训系统的互动；SCADA负责虚拟仪表的数据采集，建立控制数学模型，系统内部各个数据模块的通信和状态协调；模型的三维建模及烘焙由3DMAX实现；数据的管理与分析由SQL SERVER实现；VRP负责系统仿真效果及动作互动演示。培训系统主要功能子系统分别如下。

实物仿真模型子系统：根据现场装备、实验设备、使用工具或工艺，按照一定的比例进行加工制作，其中部分关键装备也可进行透明化制作，现场仪表使用模拟仪表。实现装备或工艺的模型仿真，学员可进行手动操作和在线互动培训。

SCADA子系统：现场模拟仪表和设备状态数据通过就地SCADA系统进行获取，对不同的工艺过程建立相应的数学模型，通过模型计算后向其传递相应的控制参数。经过系统获取的数据全部存储到系统数据库中，供培训系统进行实时调用，以便实现培训软件系统与硬件模型的实时数据交互。

SQL Server子系统：数据的存储、统计及分析由数据库系统完成，目前系统使用的数据库主要是SQL Server数据库。在整个培训系统中作为数据交互的容器，起到桥梁的作用。

3D模型建立子系统：根据实物仿真模型利用3DMAX建模工具软件，实现模型及场景的建立，然后在软件中进行烘焙处理，通过VRP插件进行导出。VRP调用后，可实现系统的二次开发。

VRP实现子系统：VRP虚拟现实仿真软件核心引擎主要包括虚拟现实编辑器、工业仿真平台、物理系统、三维仿真系统开发包（VRP-SDK）、虚拟旅游系统、3D互联网平台组成，主要实现三维场景的模型导入、后期编辑、交互制作、特效制作、界面设计、可逼真的模拟各种物理学运动，如碰撞、重力、摩擦、阻尼、陀螺、粒子等自然现象，在算法过程中严格符合牛顿定律、动量守恒、动能守恒等物理原理、还可通过互联网进行对三维场景的浏览与互动。同时利用系统提供C++源码级的开发函数库，开发出自己所需要的高效仿真软件。在培训系统开发过程中，通过3D建模和数据库子系统的支持，充分利用VRP的二次开发功能，实现虚拟现实仿真培训系统的功能要求。

1.1 培训的模式

通过以上设计过程，系统可实现以下培训模式：

（1）互联网+三维虚拟技术+仿真数学模型+实物仿真装备（互动培训）；

（2）装备仿真模型+拆装训练模型（硬件及软件仿真拆装）；

（3）互联网+三维虚拟技术+仿真数学模型（离线培训）。

1.2 培训系统特色

（1）教学模拟更形象直观

与真实现场一样，系统具有生动直观的特点，它可以将许多抽象的概念、原理转化或直观的现象呈现在学习者眼前，使学员便于接受和理解。

（2）教学模拟既经济又安全

在许多实验和培训场合，或者购买真实设备极其昂贵，或者它的操作具有危险性，而模拟是在安全且经济的环境中进行的。

（3）可以不受自然条件的限制

在教室或实验室中，学员只要使用计算机和模拟仿真设备就可以进行模拟练习，而不受天气状况、昼夜或其他条件的限制。

（4）可以控制重点模拟过程速度变化

在现实中，有些运动速度变化很快，有些运动变化缓慢，学员难以观察和理解他们的全部变化过程和机理。在模拟中，可以改变速度的变化，使之便于观察。

（5）具有较强的交互性，能激发学员的学习动机

具有较强的交互性是培训系统的突出特点和优势。交互性分为：计算机与接收学习者之间的信息交互和培训系统软件与现场仿真模型工艺的信息交互两大部分。计算机与学员之间的交互表现为：一是检索方便，无论需要那一部分内容，只要点击鼠标就可快速进入对应版面；二是控制进程，无论教师还是学员都可以根据自己的意图进行自主调控。培训软件与现场仿真模型交互表现为：一是制作较为逼真的现场仿真模型，模型带有信息传输传感器与计算机接口，让学员操作现场仿真设备，根据计算机发出或现场回传信号，计算机系统软件能与现场进行动作、工艺过程进行交互，让学员有身临真实现场的感觉，更好的达到培训的目的；二是开发逼真的现场场景，尤其是隐蔽或不易观察过程由仿真系统进行模拟，让学员更加深刻了解无法用直觉看到的情景。

（6）具有高仿真性

系统将按照现场设备或工艺进行模拟，同时对重点设备的内部结构、工作原理做深入的剖析。

（7）可用于教学过程的各个阶段

系统可呈现、指导、练习到测试的教学过程的各个阶段。

2 系统关键技术设计与实现[3]

2.1 虚拟仪表模拟

在实际生产现场或实验设备应用的仪表一般情况下是通过对工况的传感后，通过对传感信号的转换，实现就地显示或远程传输。但在实物仿真装备中，通常很难达到对现场实际工况的模拟，在系统设计过程中通过虚拟仪表进行模拟，如现场使用的压力表、流量计、指重表、液位计、温度计、阀门等。虚拟仪表的显示是通过培训系统根据不同工艺及工况的需求，由SCADA向虚拟仪表进行数值传送，以便达到现场逼真显示的效果。

2.2 建立控制数学模型

在整个培训系统实现过程中，建立控制数学模型是最重要也是最关键的，它是整个培训系统的进行交互模拟的大脑。需要根据不同的工艺，模拟不同的工况，在建立模型时需要进行充分考虑，所有的操作过程及故障模拟过程都需要提前预置到数模中。如钻井仿真模拟需要建立地下钻进过程、井涌井喷判断及关井、起下钻等数学模型，通过接收的现场参数，计算后向培训系统传递使其模拟演示目前操作过程，向SCADA传递使其控制现场相应的设备，以达到模拟现场与仿真系统同步的效果。

2.3 建立三维互动场景

三维互动场景是培训系统人机最重要的表现形式，场景建立的效果直接关系到系统的培训质量。建立场景关键是场景的逼真性和与现场操作的实时交互性。逼真性主要通过VRP对场景进行模型化，角色化，事件化的虚拟模拟和增加相应视觉特效（如粒子、重力、碰撞、骨骼等）实现；实时交互性主要是通过与数据库进行无缝连接，建立详细的交互动作模型，根据不同的数值调用不同的显示镜头及调节不同的动作。如场景中的人物可建立行走、跑步、立正、跳跃等动作模型，根据场景需要可调节其动作速度，让操作或学习人员有较强的沉浸感。

3 系统运行与测试

3.1 测试环境

演示程序硬件配置CPU：Intel和AMD均可，最低800MHz主频的CPU，推荐使用1.4GHz以上；内存：最低128M，推荐512M；硬盘：无要求，推荐40G以上。软件运行环境：Win2000/XP或Win7系统。

3.2 系统运行与测试

以实物仿真模型＋SCADA＋3DMAX＋SQL Server＋VRP的混合体系的设计的培训系统，分为服务器端和客户端。服务器端主要负责培训系统的数据源的建立以及远程网络服务的方式与客户端的通信。客户端主要展示整体工艺及场景的互动。软件整体工艺展示主要包括设备、地面、建筑、植被、流程等如图1所示；场景的互动主要展示原理动作、结构、模拟过程等如图2、图3所示。

图1 整体场景

图2 模拟过程

图3 原理动作

操作者可以通过鼠标或键盘对场景角度、移动、转向、加速等进行操控，现场仪表可以随软件进行在线显示与互动，实物仿真模型如图4所示。在整个测试过程系统运行稳定可靠。

图4 实物仿真模型

4 结束语

该培训系统具有较强的教学性、科学性、系统性、交互性、艺术性的特点。主要的面向培训对象为采油、采气、储运、钻井、井下作业、勘探开发、石油炼化等专业。可实现初级工、中级工和高级工等级别培训以及在校大学生的培训。系统的设计从仿真与控制、知识表现、人机交互、学习评价等方面考虑，紧贴目前国内外油气田及化工培训的教学内容，建立了一套完整的具有行业特色培训软件系统，开创了油气田及化工领域培训的新模式，具有广阔的推广使用价值和重要的指导意义。

[1]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005

[2]任伟建，滕 飞，周 庆，等.基于虚拟现实技术的油田钻井系统仿真研究[J].科学技术与工程，2011，11（3）

[3]刘科文.虚拟现实技术及其应用[J].数字技术与应用，2012，29（10）