基于VR技术的井控智能情景培训系统开发

2022-06-03张旭中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300452

化工管理 2022年11期

张旭(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

虚拟现实(VR)技术在20世纪60年代起源于美国，随着虚拟现实技术的不断完善提升，其应用越来越广。国内对于VR技术研究的起步稍晚，目前主要的虚拟现实成果为VR游戏，在井控培训行业中很少有成熟的产品出现。文章主要讨论虚拟现实技术在井控培训中的应用。

1 VR技术在井控培训中的应用分析

井控是石油天然气勘探开发中重要的一环，其培训体系涉及到井控技术培训、井控装备培训、应急演练培训等方面。传统的井控培训依靠PPT及井控模拟器进行，这种形式的培训主要是以培训师为中心，学员的参与感较差。在实际的培训过程中，通过简单的模拟设备无法真实模拟井控作业期间的场景，导致培训结束后学员的收获较少，井控培训也逐渐流于形式。

采用虚拟现实技术建立的井控智能情景培训系统，利用三维建模及虚拟现实技术，可以增强学员在培训中的沉浸感与交互性，能够使学员在虚拟的场景中进行角色扮演，不仅能够全面投入学习中，还提升培训兴趣，更能够演练技能、提升水平[1]。由于场景及设备都是虚拟的，并且培训师的虚拟现实硬件体积小，占地面积小，能够避免因为场地、天气和环境的影响，与操作真实设备相比大幅降低了安全隐患。基于人工智能技术，可以模拟井控作业期间的各个岗位人员的操作，可以弥补演练期间班组岗位人员不全的现实问题[2]。

由于系统开发时已经进行了多种演练培训场景的三维物理模型搭建，培训过程中可以根据需要进行组合，通过在教师机的操作，就可以轻松的切换场景，不仅能缩短真实井场场景搭建及切换的时间，还能让学员充分利用培训时间进行更多的技能演练，提升培训效率的同时，也降低了实物井场场景变换带来的高额费用和风险。虚拟现实技术的沉浸感与交互性，还能在培训中强化其岗位职责，提升井控技能。

2 基于VR技术的井控智能情景培训系统开发

2.1 井控智能情景培训系统开发目标

将三维建模与虚拟现实技术相结合的整体设计思路，为降低海上油气勘探开发过程中的井控风险，切实提高海上钻井、完井和井下作业相关人员的井控水平，针对现场一级、二级和三级井控应急状态下的演练流程以及现场井控设备故障排查与识别演练流程，开发一套适用于陆地、浅水和深水3类作业环境下具备海洋特色的井控智能情景演练系统，从而增强培训效果，为现场作业提供技术支撑和安全保障。

2.2 系统整体架构

系统架构采用C/S 模式，通过客户端与服务器的模式，统一管理项目各培训模块内容。

(1)一级井控情景展示。通过服务器端统一管理培训内容，对动画资源的内容分类进行管理

(2)二级井控情景展示。通过服务器端统一管理二级井控培训项目、培训模式、培训内容参数，及分组情况设置，将配置文件发送至客户端程序，待学生端操作完成后将成绩进行统一管理。

(3)三级井控情景展示。通过服务器端统一管理三级井控培训项目、培训模式、培训内容参数，及分组情况进行设置，将配置文件发送至客户端程序，待学生端操作完成后将成绩进行统一管理。

2.切实贯彻群众路线是做好调查研究工作的重要保证。全党在调查研究中注重收集群众的意见和诉求，据此制定方针、政策和办法，然后征求群众的意见，以便作出进一步修正，因此，此次调查研究切实贯彻了党的群众路线。

其中一级井控情景展示模块遵循二维和三维动画制作流程，完成培训内容的制作。二三级井控和隐患排查与识别模块采用三维软件系统架构，在工作的时候程序流程如图1所示，客户端程序会与服务器进行所需数据通讯。服务器在启动后即等待客户机的连接，如果有一台计算机进行单机培训，客户端可直接完成所有计算；如果是团队培训，则服务器创建一个新的线程，加载该场景需要的数学物理模型进行实时计算，整个团队的操作均会发送到服务器上，服务器更新人物的位置、设备的状态并判断操作的正确与否，在计算完成后服务器将整个团队的计算结果下发给各台学员计算机。如此推进，直到整个培训结束。

图1 场景管理

系统具备教学、练习和考评模式，考评结果包括分数、解析和测评报告，其中：(1)教学模式为一步步的执行所有处理流程，通过点击下一步，电脑自动完成需要完成的动作，并给出相应的提示，方便老师教学；(2)练习模式则是只给出提示，需要学员自行走位，完成相应步骤；(3)考核模式则是不提供相应的提示，需要学员根据信号，当前动画表现等，自行判断需要做出的反应；考评模式提供分数、正确解析和教师端提供对分数的分析测评报告。

二三级井控情景展示及隐患排查与识别程序采用统一架构形式，分为服务器端和客户端。客户端支持虚拟现实模式和桌面式虚拟现实模式。在此架构基础上，功能扩展便捷，系统结构稳定，便于培训内容添加及系统软硬件管理。

服务器端使用6层架构设计，各层设计结构清晰，功能内聚性高，具有高度可扩展性，可订制性。分别为：基础服务层、虚拟层、逻辑层、工艺层、预案层、操作层。

服务器端程序具有单机运行能力，单台计算机在进行单机应急培训和考核，启动的是服务器端程序，并且将该计算机设置为单机运行模式。客户端使用轻量化设计三层架构设计，仅仅包含基础服务层、虚拟层和操作层。它是服务器端程序的简化版。

(1)基础服务层由两个模块组成：三维图形引擎模块和网络接口模块。三维图形引擎使用Unity3D，网络接口使用“协议UDP”和服务器端相连接。

2.3 演练过程结构设计

井控智能情景演练系统的开发过程演练过程结构设计使用了四个层级来实现。最顶层的是全局管理级，该级用于管理整个应急救援的公有数据(例如学员信息、成绩等信息)和完成通讯功能；第二层是全局GUI级，用于显示全局菜单；第三层是场景级，该层用于管理二、三级井控作业的场景部分；第四层是操作级，用于管理服务器发送来的演练过程，根据过程要点判断操作是否正确。整个系统结构如图1所示。

全局管理层管理整个应急救援的公有数据(例如学员信息、成绩等信息)和完成通讯功能。该层上使用了两个类：GlobelManager类和TCPClinet 类来实现。GlobelManager是全局管理类，该类中的所有数据均是静态的公有数据，这个类所在的脚本不绑定到任何场景中的物体上。TCPClient类会开辟新的线程用于与服务器的数据通讯，该类管理多个TCP端口的数据传输、加密、数据正确性检测。TCP数据发送使用同步发送方式进行，数据接收使用同步的方式进行。

全局GUI是一个单独的Unity3D场景，在该场景里具有多组菜单和按钮用于场景的选择、对应场景的作业选择、难度设置、角色选择、考核模式选择等功能。该层使用NGUI插件来实现，将多组按钮进行合理分组，使界面美观，便于应用操作。

场景级用于管理Unity3D内的场景，该层内包含九大应急救援模块的所有场景，每个应急救援模块包含多个要求的场景，每个场景是一个独立的操作环境，包含多个应急救援培训项目。每个场景中有一个静态类SceneManager用于管理本场景中所有的非静态物体，该类中具有一个物体数组，用于保存场景中的所有物体。SceneManager中包含场景数学模型计算函数和鼠标、键盘事件处理函数。每个场景内均包含一个场景GUI菜单，用于设置场景中虚拟人物的各种操作，例如工具选择、命令发送、指北针导航窗格的显示、任务显示等工作。

场景中具有一个虚物体，该物体的作用是辅助管理整个场景，该虚拟物体绑定一个C#脚本，该脚本的作用是：(1)在场景管理虚物体的Awake函数里根据应急救援项目里的设置，初始化整个场景，设置场景中对应的物质数量、设备位置、人物初始位置、工艺流程状态、环境情况、虚拟人物数量及参数值。(2)在场景管理虚物体的Start函数里将整个场景中的物体链接到SceneManager场景管理类的公有数组中，便于数据集中管理，场景中的物体脚本在计算时均从SceneManager中的公共数组中取数据，不进行相互数据调用，做到各脚本耦合度低，内聚度高。

场景中的非静态物体均绑定一个C#脚本，这个脚本内的Start函数用于初始化该物体的位置，Fixed-Update函数用于判断该物体的状态，更新SceneManager场景管理类中的物体数组状态。OnCollisionEnter函数用于判断碰撞检测类的状态。所有非静态物体脚本均具有控制位移、旋转、缩放的函数。对于特定的设备，脚本内还具有特定的设备控制函数。

操作级处于场景级的下一层，主要用于应急救援操作步骤加载、应急救援流程判断和操作评价，操作级的应急救援步骤来源于服务器的应急预案。

2.4 场景资源管理

系统由多层次结构组成，模块中的每个模块都包含多个场景，每个场景中的环境、设备、设施和配备的工种与真实现场一致，每个场景下可进行属于该场景的多个应急救援培训项目。整个系统使用树形结构来设计，层次结构清晰。应急救援的场景以文件的形式存储于培训服务器和培训客户端上，客户端程序在启动的时候，连接服务器，取得最新的场景管理文件。

场景的加载使用资源动态加载技术，场景文件被分为多个小模型文件，所有的资源都被制作成AssestBundles，客户端运行时，系统根据选择的作业生成场景配置文件，然后再根据生成的配置文件动态的加载所需要的模型，贴图以及其他的动态资源。