应用于实训教学的虚拟油气联合站构建

苏欣

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北承德067000)

应用于实训教学的虚拟油气联合站构建

苏欣

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北承德067000)

实训教学是高职教育的重要组成部分，但是油气储运专业实训教学要求在油气联合站进行，存在着高危险、高成本、高能耗等问题。提出一种应用于油气储运专业实训教学的虚拟油气联合站，在最大程度上模拟真实油气联合站及其油气处理设备，同时设置实训操作内容，学生在虚拟环境中进行专业实训学习，从而实现兼顾实训教学效果与保证人身安全的双重目标。

虚拟;油气联合站;实训教学

1　虚拟仿真教学现状

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近来年出现的高新技术，它利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，向使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官模拟，使用者如同身临其境。但在高职高专院校中，真正意义上的虚拟仿真教学工厂还未出现，目前在高职高专院校中实训教学是以电脑软件模拟为主，在一些模拟控制设备的控制台上，学生主要是在电脑上完成虚拟教学实践，首先不能够从感观上真正认识工厂的生产环境;另外，由于只是通过电脑鼠标进行实践操作学习或仅仅是通过控制台连接电脑进行操作，学生并不能够真实体验到不同操作所产生的不同结果。因此在所谓的虚拟教学工厂中完成的实践操作与工厂的实际情况相距甚远，学生并不能够从虚拟教学工厂中感受到工厂的实际生产环境，也不能够真正掌握实践操作的技能，这种所谓的“虚拟教学工厂”只是有名无实，并不能给学生带来身处工厂实习的真实体验。

对于高职院校来说，实训教学是高职教育的重要组成部分，其目标是充分巩固理论教学的教学成果，培养学生熟练的动手操作能力。但是目前的实训教学在形式与内容上与企业的具体环境与要求存在较大差距，对学生的培养缺乏适应性和针对性，学生就业后难以适应企业工作环境，无法满足岗位要求，不符合企业对人才的需求。未经过专业培训的学生根本无法在真实的生产工厂环境中完成实训教学的要求，而学校也不具备工厂的实训环境。很多工科专业的实训教学存在着高危险、高成本、高能耗等具体的问题，因此构建能够最大程度上模拟生产工厂的虚拟仿真实训教学场站，是进行专业实训教学的最优选择［1］。

2　虚拟现实软件EON Studio

常用的虚拟现实软件种类较多，在国内应用比较广泛的有中视典公司的VRP、Eon Studio、OSG开发平台等，每一种软件都具有不同的特点，但均可以进行虚拟建模的开发与应用。

Eon Studio是在国外非常知名的VR制作软件，经常被用于制作产品的虚拟演示，并用于医疗、教育等行业;也可以用来开发游戏，适合倾向于编程交互开发方面的爱好者使用。

Eon Studio能够轻松导入3D模型，目前市面上90%以上的3D模型软件产生的文件都能够很方便地输入到Eon Studio中。三维模型制作软件如:3D max、Light wave，计算机辅助设计软件如:Solidworks、AutoCAD等都可以很容易地导入。将模型导入之后，可以通过EON的图形设计界面方便地为模型添加各种行为动作。

3　基于EON的虚拟油气联合站开发

对于虚拟教学来说，我们首先需要通过建模软件构建一个虚拟教学环境，然后将这个模型导入到EON软件之中，再添加教学所需要的内容与动作，完成教学模型。本文以油气储运专业实训场站——油气联合站为例详述虚拟仿真教学环境的开发流程。

虚拟油气联合站是对油气联合站最大程度的模拟仿真，不仅包括油气联合站所有的地面建筑、油气管线展示与说明，还包括油气处理设备知识的相关学习。通过研究与搭建三维立体演示环境，将油气联合站及其内部设备进行建模还原，并导入到虚拟现实软件之中，在虚拟现实软件中进行二次编辑与交互学习动作的添加，最后进行三维立体展示，使学生能够在浸入式的环境中进行实训学习，让学生身临其境，感觉是在真实的油气联合站中进行实训学习，从而最大程度上提高实训教学的效果［2，3］。

3．1基于3Ds Max的油气联合站建模实施

油气联合站建模实施的具体流程参见图1，包括获取场站布局、获取贴图资料、划分场景单元、主要建筑物建模和次要建筑物建模几个步骤实现。

步骤一:获取场站布局数据。获取的油气联合站图纸资料包括大比例航拍照片、地形图文件、建筑图纸及规划图纸。获取到原始资料后，按照一定比例把油气联合站的布局图片制作成为地形贴图，以及整理单个建筑体尺寸并按照比例尺进行模型尺寸计算。

步骤二:获取贴图资料。在虚拟场景中为了增加模型的逼真效果，通常需要将现场拍摄的图片制作成纹理，并在3Ds Max中进行加载。但由于拍摄获取全部现场照片的工作量十分大，因此主要建筑的图片一般由现场拍摄获取，其它非主要建筑如道路、树木、草地等贴图文件可以由网络或素材库获取［4］。

步骤三:划分场景单元。根据油气联合站的功能区域，将联合站分为油气分离区、原油稳定区、原油储罐区、消防用水区等几个场景单元，并分别在3Ds Max中进行模型构建。

步骤四:主要建筑物建模。对于油气联合站的主要建筑及设备，如油罐、原油稳定塔、三相分离器等，要求有较高的逼真度，因此尽可能地使用高分辨率真的纹理映射以提高模型的精细度。

步骤五:次要建筑物建模。对于其它的次要建筑物及设备如管线、普通房屋等，使用简单的几何体和低分辩率的贴图完成即可。

3．2油气联合站虚拟建模

油气联合站虚拟建模具体是在3Ds Max中构建油气联合站的三维模型，模型的精细程度可以根据实际联合站的规模、教学的具体方向进行综合考虑。联合站规模越大、细节越完整，相应生成的文件体积越大，可能会导致在虚拟教学时进行操作相关动作的缓慢与延迟。

如图2所示为在3D max 2009中的油气联合站模型，该模型包括联合站中的油气分离区、原油稳定区、原油储罐区、消防用水区等区域。油气分离区主要设备是三相分离器、电脱水器与沉降罐，三相分离器的功能是将管线运输而来的油气水混合物进入密闭油气分离脱水装置进行油、气、水的分离。电脱水器的功能是在高压电场的作用下，原油中的水颗粒发生碰撞聚结合并，靠油水密度差分离沉降到脱水器底部，流入集水室，经排水管放出，脱出净化油汇于脱水器顶部集油管，经油管排出。沉降罐是原油初步处理设备，可以含水原油进行初步沉降分离处理，以此降低含水率至30～50%以下。原油稳定区主要设备是原油稳定塔，其功能是对分离的原油进行稳定处理。原油储罐区主要设备是储油罐，功能是存储原油;消防用水区的主要设备是储水罐及消防泵房，主要功能是存储消防用水。除上述这些功能区域外，该模型中还包括了连接各个区域的油气管线。

3．3油气处理设备建模

在实训教学中，不仅需要对油气联合站进行浏览参观学习，还需要学习相关油气处理设备的设备构成与工作原理。以原油脱水处理设备为例，原油脱水设备包括沉降罐、电脱水器等。沉降罐如图3所示为3ds max 2009中沉降罐建模示意图。沉降罐是原油初步处理设备，可以对含水原油进行初步沉降分离处理，以此降低含水率至30%～50%以下。图4所示为电脱水器建模示意图。电脱水器是原油脱水处理装置的一种，它的脱水原理是在电场中通过电场对水滴的作用，消弱水滴界面膜的强度，促进水滴碰撞，使水滴聚结成粒经较大的水滴，在原油中沉降下来。

3．4模型导入虚拟现实软件EON Studio

完成油气联合站模型及相关设备模型的建模工作，将上述所建模型导入虚拟现实软件EON Studio，并根据实训教学需求，在EON中添加参观线路、功能介绍、设备操作动作等内容。图5所示为虚拟油气联合站鸟瞰图。

4　基于EON软件的油气联合站虚拟实训教学

油气储运专业学生所需要的实训场站——油气联合站是一个生产流程严谨，安全控制严格的生产型工厂，它存在着高危险、高成本、高能耗等具体的问题，未经过专业培训的学生根本无法在这样的环境中完成实训教学所规定的内容。该专业的学生在完成学业后只是学习了联合站相关的理论知识，却从未参观过真正的油气联合站，不了解联合站的生产过程。这种只进行理论教学，而忽视现场实践的培养方式存在着明显的短板，学生不能在现场进行实际操作，学习专业技能也就无从谈起［5，6］。

而通过EON Studio软件虚拟显示的油气联合站可以最大限度地还原油气联合站的情境、生产流程及机械操作方式过程，学生身临其境，仿佛置身于油气联合站的生产环境之中，并且可以让学生以虚拟操作的方式对相关处理设备进行操作，并观察操作结果，能够使学生在实践层面上深入学习理论知识及具体生产操作技能;在虚拟仿真的油气联合站中进行学习不需要前往油气联合站现场，影响其正常生产秩序，同时也可以避免学生因误操作而可能会引发的生产事故，最大程度兼顾实训效果与学生人身安全，实现经济成本与人身安全的最大优化。

［1］简祖平．向新加坡“教学工厂”学什么——从教学工厂的概念谈起［J］．中国职业技术教育，2010(7):34－36．

［2］许亚岚．炼油化工虚拟工厂建设与情境教学探索［J］．化工高等教育，2013(6):59－62．

［3］许亚岚．基于虚拟工厂的实践教学体系构建与实施［J］．高教论坛，2013(2):85－87．

［4］崔盟军．三维建模软件在工程制图教学中的应用［J］．承德石油高等专科学校学报，2010，12(1):68－71．

［5］黄鑫．基于VR技术的虚拟教学应用研究［D］．武汉:华中师范大学硕士研究生论文，2005．

Construction of Virtual Oil and Gas Station Applied to Practical Teaching

SU Xin
(Department of Computer＆Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Practical teaching is an important part of higher vocational education，but real practical teaching in the face of high risk，high cost，high energy consumption and other specific problems．This paper puts forward a virtual oil and gas station applied to the practical teaching，and puts forward practice operation content，students perform professional practice in virtual environment，so as to realize both practical teaching effect and ensure the personal safety．

virtual;oil and gas station;practical teaching

TE8-45

B

1008-9446(2015)02-0013-05

承德市科学技术研究与发展计划项目(虚拟油气联合站教学工厂的设计与研究):201422105

2014-12-04

苏欣(1981－)，男，河北承德人，承德石油高等专科学校计算机与信息工程系讲师，硕士，主要研究方向为数字媒体技术与虚拟现实技术在教学中的应用。