井下作业仿真培训系统关键技术

李 刚，侯平智

（杭州电子科技大学一带一路信息技术研究院，浙江杭州 310016）

井下安全作业是油田勘探开发过程中保证油水井正常生产的技术手段。井下作业工作为油田生产最前沿的岗位，因其作业环境复杂，无法依靠生产现场对现场操作人员进行系统、有效的安全应急技能培训［1］。国内部分高校及研究机构已将虚拟仿真技术应用到井下作业的教学中，但大多局限在单人模式的人机交互方面，无法为用户提供支持多人协作演练的虚拟培训环境［2-4］。为此，设计一个沉浸感强、支持多岗位协同操作训练的井下作业仿真系统，对提高井下作业人员的协同配合能力、保证生产安全、提高生产效率具有长远意义。

1 仿真培训系统结构

为弥补井下作业传统培训方式交互性差、沉浸感弱，且无法开展多岗位协同演练的缺陷，本文设计了一种基于Unity3d游戏引擎的虚拟仿真培训系统。整个系统采用C/S架构，分为三层：接口层、数据处理层、基础设施层，井下作业仿真培训系统结构如图1所示。通过3D建模模拟生产现场实际装置，制作3D动画模拟现场真实场景及通过仿真设备模拟现场操作，提供与现场情况高逼真度的仿真操作环境；学员可以在该环境中漫游巡检，进行现场生产操作，识别现场危险源以及接受生产巡检、安全生产应急预案的单人或多人协同的演练培训。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

1.1 接口层

接口层提供一系列网络数据传输接口，负责与教师端Web网站进行数据交换，用于学员登录身份验证，接收教师端发布的培训任务，唤起指定规程的指定模式，保存学员考核成绩至教师端数据库系统。

1.2 数据处理层

数据处理层负责处理人机交互教学培训业务逻辑，由教学策略、交互逻辑处理器、教学结果处理器三个模块组成。

教学策略模块制定了仿真培训系统的教学模式。系统根据实际教学任务需要，将整个教学模式分为单人和多人协同两大模式，每种模式均由讲解、引导、训练以及考核四种基本的策略构成。（1）讲解：系统会以三维动画形式用语音并配合文字对知识点或操作流程进行讲解，在讲解过程中学员可以进行暂停、回放、重放等简单操作，无需与虚拟设备交互。（2）引导：系统会将操作员定位到要进行交互操作的地方，以语音配合文字提示的形式引导操作员逐步完成当前的整套操作任务。（3）训练：系统给学员下达当前要训练的操作任务，不提供自动定位和与操作相关的任何提示，学员需自主寻找当前操作点所在的位置，仅当操作学员完成当前步骤后再对操作结果给予即时反馈。（4）考核：考核是培训系统一个不可或缺的环节，为检查学员对指定规程的掌握程度，系统在该模式中增设考核点，对学员的操作步骤实时监控和评判。考核结束后，系统将学员考核成绩通过接口层上传到服务器端。

交互逻辑处理器用于处理场景中三维物体所有的点击事件。判断学员是否到达指定考核点，以及是否按照工序正确点击指定物体。

教学结果处理器用于搜集操作详情和统计操作结果，系统根据教学结果处理器提供的数据计算出考核成绩。

1.3 基础设施层

基础设施层提供通用的基础功能模块，采用Unity3d组件化的设计思想，在系统中被数据处理层调用，协同完成如日志管理、回放管理、异步加载等基础功能，极大地优化了系统的扩展性和可维护性。Unity3d是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型的互动内容多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

2 关键技术

2.1 虚拟仿真环境搭建

本系统采用三维建模技术搭建虚拟仿真环境，以新疆油田工程技术公司的通用标准作业现场为依据，结合实际作业现场主要设备装置和工艺，按照实物真实比例建模和制作材质，应用主流三维软件（Maya/3DMax等）高度还原真实的生产现场，缩减学员从课程学习到现场实操的适应周期。小修作业生产现场与仿真场景对比如图2所示。

图2 小修作业生产现场与仿真场景对比Fig.2 Comparison between production site and simulation scene of minor repair operation

2.2 场景渲染优化策略

三维场景中包含了大量的三维模型需要实时渲染，为了保证美术效果和保持帧率，系统综合采用静态批处理技术、光照贴图技术、LOD（多层次细节）技术相结合的优化技术。采用静态批处理方式将场景中众多渲染材质相同的模型合并为一个更大的渲染对象进行渲染，提高渲染性能。光照贴图技术是一种增强静态场景光照效果的技术，将光线效果预渲染成贴图应用到多边形上模拟光影效果，降低场景渲染时的性能消耗。LOD技术则根据场景模型的复杂程度和人体视觉特点，简化远距离几何体的绘制，增强场景的真实感［5］。场景渲染优化后效果如图3所示。

图3 小修作业场景渲染优化后效果图Fig.3 Rendering of minor repair scene after optimization

2.3 多人协同演练的实现

为弥补单人模式下无法实现多岗位协同操作训练的缺陷，本系统利用Unity序列工具Timeline及Mirror网络同步框架，设计了一种基于TCP/IP通信协议的多人协同演练模式。Timeline是一个线性编辑工具，是不同元素序列化的载体，包括动画剪辑、音频、虚拟摄像机、粒子特效等。通过编写自定义的脚本轨道（Track），实现人机交互和三维动画播放等功能。如图4所示，使用Cinemachine轨道控制人物位置，在Check Point轨道上设置检查点，检测学员的操作是否符合规范等。

图4 Timeline时间轴技术Fig.4 Timeline technology

Mirror是Unity用于构建多人游戏的基于Unet的新版网络架构，框架简洁、可维护性强。在局域网中，Timeline时间线顺序扫描各岗位CheckPoint轨道上的检查点，Mirror将检测结果通过网络层TCP/IP协议同步至其他岗位Timeline中对应的检查点，使不同岗位的Timeline始终保持同步播放状态，从而实现多岗位操作同步。Mirror实现多人协同原理如图5所示。用户可以以较高的自由度使用鼠标键盘同三维场景中的各种虚拟设备进行基本的交互，体验各种不同的操作任务，配合完成井下及井控的各项操作，增强学员的协同配合能力。

图5 Mirror实现多人协同原理图Fig.5 Schematic diagram of multi person collaboration realized by mirror

3 仿真培训系统在小修作业溢流关井中的应用

小修作业指井下作业中对油气井的修理和维护，其基本方法是以起下油管为手段，将井中工具通过油管起出后，进行检泵、换封等作业。在起下管柱时，井内压力平衡受不同因素影响遭到破坏而出现溢流，作业队需按照应急预案协同配合迅速完成关井操作，防止井喷［6］。以小修作业中溢流时关井操作为例，在发生溢流时，各岗位应在班长指挥下依次完成发出信号、停止起下作业、抢装旋塞、打开放喷阀，关防喷器和旋塞、关放喷阀、读取压力七步操作。起下作业时溢流关井流程如图6所示。

图6 起下作业时溢流关井流程图Fig.6 Flow chart of overflow shut in during tripping operation

3.1 操作步骤

学员登录培训系统后，选择小修作业溢流关井规程。初次学习该规程时，需在单人讲解模式下熟悉起下作业发生溢流时的关井工序。在引导模式中跟随系统指引，与场景中的虚拟仿真设备交互，如使用管钳拧开油管、使用扳手关闭旋塞、操作修井机起降等，体验沉浸式的仿真教学；接着在训练模式中进行关井操作训练；训练结束后，在考核模式下完成对个人关井操作的检查。

系统在接收到教师端发布的溢流关井多人培训任务后，开启多人协同演练模式。在局域网中，系统根据学号将学员分配至指定房间，同组成员按照不同岗位职责分工，选择好岗位后，协同完成溢流关井操作的训练或考核，见图7。

图7 井下作业仿真培训系统使用流程Fig.7 Application process of downhole operation simulation training system

3.2 效果评价

井下作业虚拟仿真培训系统，已在中国石油新疆培训中心的师生中开展应用。在井下小修作业溢流关井操作的教学中，2019级井下作业1班采用传统的课堂教学方式，2班采用仿真平台教学方式，并组织现场模拟考核。综合两个班级学员的学习耗时、操作错误率、考核成绩对比分析，结果如表1所示。由表1可见，采用虚拟仿真培训方式，可有效提高学员的学习效率、降低操作错误率。

表1 不同教学模式下考核结果Tab.1 Assessment results under different teaching modes

4 结 语

井下作业培训是为中国石油提供高技能人才的必要途径，而传统的仿真培训系统因其技术陈旧、仿真效果差，已不能满足工业现代化背景下的教学要求。本文将现代计算机仿真技术应用于井下作业培训系统中，解决了传统仿真培训系统虚拟沉浸感弱且无法实现多岗位协同演练的问题，有效地促进了学员的学习积极性和教学效果，为未来油田培训系统的改革拓展一个新的思路。