基于VR的海洋平台远程运维系统设计

2021-09-17张健庚贺保卫胡丽丽

中国新技术新产品 2021年13期

张健庚贺保卫张健胡丽丽

（1.中船重工（青岛）海洋装备研究院有限责任公司，山东青岛 266520；2.青岛杰瑞工控技术有限公司，山东青岛 266061）

0 引言

海洋平台在石油勘探、开发过程中占据非常重要的位置。石油开采过程中，各种作业工艺越来越复杂，主要包括如何使钻井工人快速而且正确地掌握安全操作以及当设备出现故障后如何快速进行诊断[1]。由于海洋平台作业设备结构复杂，自动化程度也越来越高，设备中各种元器件相互联系、相互依赖，因此这就增大了设备故障诊断的难度[2]，对平台作业来说，能否及时对故障进行快速诊断并排除故障[3]是非常重要的。

建立海洋平台远程运维系统可以克服地域和时间的限制，实现专家远程诊断。远程运维系统涉及多学科工作组的协同作业，可以有效地提高工作效率和成果的准确性，同时利用专家决策技术搭建系统性平台，为存在的问题提出有效的解决方案。

1 系统总体架构

该文根据海洋平台的设计规范、标准等技术文件，充分结合现场运维实际工况和远程运维的迫切需求，设计了一套基于VR的海洋平台远程运维系统，该系统共包括系统软件、视景显示、网络通信、接口采集、音响报警以及辅助诊断6个部分。系统利用接口采集模块实时采集海洋平台各个设备的运行情况，在终端打包处理后，通过网络通信模块将数据传到岸端，在系统软件、视景显示模块中进行仿真与显示，通过音响报警模块在仿真系统中为运维人员提供身临其境的听觉感受，并在该基础上通过辅助诊断系统形成专家决策，从而完成整个远程运维过程。系统总体架构如图1所示。

图1 总体构架图

2 系统方案设计

2.1 系统软件

系统利用相应的软件，完成数据计算、图像生成、图像建模以及平台运动仿真等过程，并实时处理用户与虚拟现实环境的交互过程。该部分主要用于模拟运维过程中的外部视觉环境，为运维人员提供空间定向的视觉信息，从而提高仿真感受的真实性。

2.2 视景显示模块

视景显示系统主要由柱形投影幕、投影器、投影校正计算机、投影控制和辅助设备组成，该模块主要用于形成远程运维的视觉显示场景，进一步利用VR眼镜显示虚拟场景，提高运维的真实性和沉浸感。

2.3 网络通信模块

网络通信系统用于实现海洋平台和各系统仿真计算机之间数据的组织、交换以及转发等过程，是整个运维系统的枢纽部分。

组成系统的所有计算机之间的数据（包括语音数据）均通过网络系统来进行数据交换和通信。该系统是一个典型的“人在回路”分布交互式实时仿真系统，具有分布交互式实时仿真系统的4个典型特征：异构性、分布性、交互性和实时性。该程序具有3个功能：网络数据的广播接收发送功能；一点对多点、多点对一点的实时接收发送功能；分时、分级和分段的网络数据管理能力。

2.4 接口采集模块

接口采集系统主要负责海洋平台各个设备的数据采集工作，并将采集到的接口数据发送到仿真系统，实现远程运维的数据交互功能。为了使设备具有较高的可靠性和易维修性，信号量的采集与驱动采用模块化的信号采集驱动板来完成，主要由电源模块、485通信模块、TCP/IP通信模块以及输入输出模块组成。根据系统要求，信号采集驱动板采用高性能单片机作为主控芯片，通过高效的软件算法对外部模拟量和数字输入量（DI）进行采集，所有仿真信号量采用专门设计的采集通信板进行采集。为了方便兼容，设计时就要考虑接口采集的一致性问题，布线时将所有的开关量放在前面并保留一定的扩充能力，保证后续接口充足，然后再放置模拟量。

2.5 音响报警模块

音响模块是仿真系统中为运维人员提供听觉感受的非常重要的分系统。它负责模拟真实环境中的各种声响信号，在听觉方面为运维人员提供身临其境的感受，是回路仿真系统中不可或缺的重要组成部分。

音响系统仿真内容包括环境声、警告声、撞击声以及机电设备启动运行的噪声。这些声音应与操纵、视景系统的情况协调一致。

高风险人群：主要有男男同性性行为者、静脉注射毒品者、与HIV/AIDS者有性接触者、多性伴人群、性传播感染（STI）者。

音响通信模拟系统包括音响分系统和通信分系统2个部分，由计算机、音响播放设备等组成。其中，计算机上插有网卡，负责音响通信计算机与主计算机之间的通信；音响播放设备有声卡、功率放大器和音箱，负责声音的播放。

2.6 辅助诊断模块

辅助诊断模块对接收到的海洋平台设备信息进行处理、分析和计算，对设备的运行状态进行初步评估，并将评估内容与意见发送给相应专家进行查阅。专家通过设备运行数据及系统评估意见做出指导，给出检修意见及计划，并通过网络模块发送至海洋平台，相关技术人员根据专家提供的技术指导意见对设备做出相对应的检修、处理和维护操作。

3 基于VR的系统可视化设计

系统可视化设计是远程运维系统突显效果的关键[4]，通过手柄在海洋中漫游，可以在平台上稳定地行走；通过楼梯登山钻台面可以进入司钻房的控制操作平台；也可以通过井架攀梯方式登上二层台进行检查；通过漫游查看各机械结构，运维人员能够直观地查看泥浆系统、盘刹系统、大钩提升系统、游车、气动卡瓦、动力猫道机以及多功能机械手等设备的当前状态，提高运维效果，还可以获得更直观的效果[5]。

3.1 三维建模

三维建模的任务是在虚拟环境中还原海洋平台各个设备的结构、外观及部件的连接方式，并分析系统本身的运动规律和机理。

模型的创建采用Maya或3Ds Max的Polygons多边形工具精准地进行参数化建模，该方式的建模优势在于可以在保证模型精准性和美观性的同时，有效控制组成模型本身面的数量，能够使输入参数和输出型体之间建立精确、可控的联系，有效地优化场景的大小，提升后期的渲染速度，对中期的UV贴图的制作以及零部件细节的还原也有很大的帮助。模型制作的主要问题在于保持真实机械的原始比例尺寸，通过对机械零部件细节部分的准确性还原保证中期绑定、动画等工作的顺利进行。

三维物体模型构建分3步：几何建模、物理建模（纹理、颜色、光照处理）和运动建模；通过纹理处理、数据结构优化、细节层次处理以及调试等步骤完成建模过程。

模型的格式为了满足不同的需求，需要在MB、OBJ和FBX之间进行转换。渲染即对模型进行美化，使其表现更贴近实物，采用当下CG行业比较主流的高品质Maya & Mental ray渲染器来进行渲染。作为当下最流行的MR渲染器，它经常用来制作超写实的工业展示，其优势在于参数的多样性、可控性，能够通过调节各种参数，达到还原真实场景的目的，再通过HDR图等手段对周围大环境进行模拟，以达到预期的效果。

海洋平台钻修井作业一体化智能系统装备包括动力猫道机、自行走液压大钳、钻台机械手、二层台机械手、液压吊卡以及动力卡瓦等设备。其中，动力猫道机三维模型如图2所示，自行走液压大钳三维模型如图3所示。

图2 动力猫道机三维模型

图3 自行走液压大钳三维模型

3.2 图像生成

由成像计算机生成的视景图像，需要经边沿融合校正计算机完成图像的几何形变校正、电子和光学边缘融合以及对对比度亮度进行统一调整，以保证各通道之间的完整和连续，获得整个投影画面的无缝效果，无论白天或是黑夜场景，均可保证图像的完整性及沉浸效果。

3.3 场景搭建

平台及外部场景在Untiy 3D软件中进行搭建，通过行为模型和渲染模型完成对海洋平台环境的搭建和形成三维立体的显示、输出。

具体场景包括动态井场环境虚拟建设，绞车系统、提升系统（游车）、转盘、井架和底座、天车、司钻房、生活区、修井机循环设备、钻台设备（液压猫头、司钻房和动力卡瓦）、部分管子处理设施等建设与渲染、周围海洋环境建设与渲染以及光照环境渲染等。

3.4 交互软件业务方案

交互软件主要展示设备工艺过程的操作使用户和软件系统进行交互，当操作用户单击任意画面（按钮）进入相应的运维检测过程时，每个设备的动作流程要保存至数据库，保证操作过程全程可追溯。通过动作流程的记录，用户如果操作失误，可以进行撤销动作返回上一级操作的状态，UI交互如图4所示。

图4 UI交互图

基于Unity，根据工艺流程对海洋平台设备进行动作设计及脚本编写。考虑到与实际设备的操作相结合，需要进行业务交互设计。在交互软件应用平台中，整个业务模块包括基础信息管理、权限管理、工艺流程管理、数据管理、仪表展示模块、统计查询以及业务预留接口6个部分，并加入急停、遥控-司控室切换、巡检岗位职责、单个设备及集成工程切换，保证业务的完整性。

3.5 交互软件UI设计

整个平台将采用Microsoft.NET Framework作为系统框架，前台场景设置和构建采用了当前流行的Maya软件和Unity 3D 引擎，后台数据存储采用SQL Server 数据库。

系统数据通信采用基本SOAP的加密数据传输，使用C#程序采集和处理数据，数据显示层基于微软的WinForm技术，并结合了ADO.NET技术动态访问数据库。

采用Unity技术构建实时三维动画互动内容，将Unity嵌入.NET平台，通过数据采集板卡与实体输入设备进行实时交互，实时渲染效果，而且将来不需要对太多代码进行改动，方便在手机客户端进行发布并与海洋平台进行交互。

4 通信设计

船端通过各种传感器采集各设备信息，并将采集的数据传输至司钻房监控系统，将数据打包后，通过船舶网络交换机发送至船上CDMA设备或卫星通信设备，由网关或卫星地面站中转后，经Internet传输到岸端。岸端的数据处理中心接到船端发送的传感器数据包后，经过监控服务器、数据服务器以及应用服务器进行数据解析，成功后即存储到岸端相关的应用系统数据库中，供岸上用户终端进行分析与处理，数据传输架构如图5所示。