基于虚拟现实的油气井场安全培训系统设计

苑得鑫，李嘉俊，李佳萍

（中国石油大学（华东）石油工业训练中心，青岛 266580）

0 引言

随着国民经济发展对油气资源需求的不断增长，油气企业进入快速发展阶段，然而，油气井场具有火灾、爆炸、高压物料刺漏、机械伤害、高处坠落、物体打击、触电等诸多风险，在生产运行和检维修过程中易出现安全事故［1］，因此，安全培训十分重要。传统安全培训的主要形式包括上课和观看视频，这种培训形式不仅缺少交流互动，枯燥乏味，更重要的是不易调动起学员的积极性，以致很难达到必要的培训深度，难以使学员对井场风险形成深刻认识。

随着虚拟现实（virtual reality，VR）技术的发展，利用其交互性、沉浸感和构想性三个最突出的特征，可以构建交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，为操作者提供视觉、听觉、触觉等感官体验，使操作者如同身临其境同三维空间内的事物进行交互［2-4］。目前，虚拟现实技术已越来越多地应用于矿山、医疗、电力、交通等领域的教育培训，对学员掌握操作技能、提升综合素质起到了巨大的辅助和促进作用［5］。

本文将虚拟现实技术与油气井场安全培训相结合，通过提炼油气井场典型的风险隐患，设计合理的体验场景和交互情节，利用3dsMax建立模型，并导入Unreal Engine 4 引擎，利用HTC Vive 作为输出设备，构建油气井场安全风险体验系统。实践表明，该系统对提高学员的安全意识和风险辨识能力，促进学员安全综合素质提升具有积极作用。

1 系统开发流程与功能

1.1 系统开发流程

油气井场安全培训系统既应符合一般软件工程项目的开发流程，又应注重油气井场安全工程背景，其整体开发流程如图1所示，主要分为三个阶段。第一阶段为总体策划，应结合油气井场风险辨识相关标准及典型事故案例，对交互场景和交互情节进行总体设计；第二阶段为模型库建立，根据设备CAD图纸及现场照片、视频等资料，利用3dsMax 进行单体设备的三维建模，设计相关场景的平面图，将模型文件以FBX 格式导出；第三阶段是交互开发，将FBX格式的模型文件导入Unreal Engine 4中，进行贴图及灯光的处理，结合井场布局图进行场景构建和碰撞检测，通过蓝图可视化编程，根据设计好的交互情节，实现相应的交互功能，最终完成油气井场安全培训系统的开发。

1.2 系统功能设计

油气井场安全培训系统旨在提高进入井场作业人员的安全意识、风险辨识能力以及事故预防与处置能力，重在直观体验。综合考虑事故发生发展规律及学习认知规律，设计了系统总体功能，如图2所示。

在充分辨识油气井场作业风险的基础上，结合GB 6441对于事故类型的划分，设定了皮带夹手、高处作业、阀门刺漏、人员触电、旋转挤入、光杆挤手、火灾及爆炸等八项体验内容，结合实际事故案例，设计合理的交互情节，引导操作者“犯下一个个小错误”，最终导致事故的发生。操作者通过HTC Vive 设备第一视角直观体验事故带来的强烈感官刺激和严重后果，随后站在第三视角上观看事故回放，对事故发生发展的全过程进行复盘，对事故产生的原因形成直观认知。在事故体验的基础上，通过图文、语音、视频等形式，多方式提示事故预防措施及应急处置方法，强化知识吸收。此外，每个体验内容均包含了即时测试题目，学员考核合格后，方可解锁下一体验场景，否则需要重新体验。

2 关键技术

2.1 基于3dsMax的抽油机模型动画建立

抽油机是油气井场中的关键设备，其零部件众多，根据CAD 图纸，利用3dsMax 作为建模工具进行建模。由于抽油机是动态运行的，为真实还原生产场景，应建立抽油机连续运动模型动画，并带入到Unreal Engine 4中。

通过分析抽油机运动特点，在皮带轮轴、曲柄销、中轴承等五处添加骨骼，其位置和作用见表1。为建立各骨骼之间的约束关系，按照曲柄、连杆、游梁、驴头的顺序，依次连环设置IK 解算链。通过骨骼蒙皮技术建立骨骼与各运动模型间的物理和几何对应关系，并对各模型运动受到不同骨骼动作影响的权重进行精确设定［6］。

根据抽油机运动特点，确定驴头上死点、驴头下死点、曲柄上死点、曲柄下死点、游梁水平位置为关键位置，即关键帧。在TimeLine上，分别对各关键帧下所有骨骼关键点的角度及位置进行调节，在曲线编辑器中，对各关键帧之间位置变化的加速度进行精细Bezier Curve校对，并进行逐帧检查，以保证抽油机动作连续平稳。根据实际抽油机的冲次范围，设定模型动画单次循环为120 帧，若超出120 帧范围，将模型动画的循环规律设定为“循环”模式，最终得到连续运动的抽油机模型动画。

2.2 基于UE4的交互场景构建

Unreal Engine 4（UE4）又称虚幻引擎，该引擎具有强大的蓝图可视化编程功能，可与C++编程结合互补使用，同时，其系统开源，利用编译版本可以十分方便地接入其他插件，十分便于开发；其光照渲染、物理引擎、材质编辑器等功能和效果基本处于业内顶尖水平，同时对VR 手柄和VR 控制器等虚拟现实设备提供了良好的支持。

将FBX 格式的三维模型导入UE4 后，在UE4 引擎中完成环境创建及场景渲染，UE4 材质系统能够创建出极为真实的材质，利用真实拍摄的抽油机照片贴图以及结合运用MindTex2软件生成的法线、高光等贴图，完成真实的、表面具有凹凸感的材质。导入UE4 中的设备模型已经在3dsMax 中完成了UV 展开处理，能够实现为同一个物体的不同表面赋予不同的材质。灯光渲染能够让整体的场景更加真实，主要分为直接光照和全局光照。油气井场为野外环境，其直接光照主要为太阳光，在场景界面或蓝图界面均可设置太阳光的角度和位置；全局光照为环境光，利用Lightmass 来存储全局光照，可使环境光更具真实感［7］。利用UE4 渲染的油气井场效果如图3所示。

图3 油气井场渲染效果展示

2.3 基于UE4的事故伤害特效设计

在安全体验系统中，事故伤害特效的展示尤为重要，直接决定了操作者受到感官震撼和冲击的程度。基于UE4 强大的动态交互、实时渲染能力，通过与实际伤害现象进行对比，设计了符合各项事故体验内容的事故伤害特效，充分调动学员的视觉、听觉、触觉感知，使体验更加真实。

为展示事故特效，需进行多项参数的设定。以人物倒地效果为例，应进行如下设置：

（1）物理倒下，即空间位置改变；

（2）镜头旋转设置，模拟人物滚动效果；

（3）尖叫声触发，模拟听觉感受；

（4）屏幕材质贴图更换为红色血迹，模拟流血效果；

（5）禁止手柄指令，保证触发后手柄无法继续操作，以便充分展示事故效果；

（6）屏幕晃动，模拟人员站不稳的效果。

各项参数经过反复优化与测试，最终得到最具真实感的事故伤害体验效果。

3 结语

将虚拟现实技术的交互性、沉浸感和构想性应用于教育培训领域，可以提高学员学习的积极性，增加学习的趣味性，易于通过切身感受引发深入思考。本文以油气井场安全体验为主题，通过深挖工程内涵，利用3dsMax 建立模型和动画，基于Unreal Engine 4引擎构建交互场景，实现交互功能，利用HTC Vive 作为输出设备，建立了油气井场安全培训系统，能够使学员完全沉浸地、自主地、交互地进行安全体验和学习。实践表明，基于该系统开展的安全培训，更加有助于提高学员的安全意识和安全技能，培训效果优于传统培训方式。