人工智能CWCC情景演练系统在中国海油井控培训中的应用

王哲 张文喜 张璐 苗典远 张帅

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452

目前，国内外虚拟现实VR技术在很多领域都有涉及，应急演练虚拟场景在防灾领域应用仿真技术有着巨大的现实价值，包括对地震、火灾、洪水等自然灾害的模拟仿真；对诸如煤矿坍塌，瓦斯爆炸，油气井井喷，危险品泄露等设计工业生产安全的模拟仿真；对行驶安全、交通运输，医疗救护等军事领域的模拟仿真。西方发达国家在这一领域起步较早，国内近年来需求量逐步加大，在技术水平和应用领域方面有所拓宽。

该领域在虚拟现实应用形式、表现形式、操作形式、体现内容等都存在众多待解决问题，例如：场景建模在应急演练虚拟场景等。因为场景构建直接关系到虚拟场景的构造问题，如果构造的太简单，那会使用户觉得场景不真实；而如果构造的太复杂，那么就会对场景的交互上增加难度，实用性就变差。当前世界对场景建模问题主要釆取三种方式，分别是基于图形的建模技术、基于图像的建模技术、基于图形和图像的混合建模技术[1-3]。将VR技术应用到应急演练已经成为虚拟仿真方面最新、最具发展前途的一个研究方向。随着我国对职业培训要求的不断提升，引进先进计算机技术进行模拟仿真领域的协作开发，实现安全高效绿色环保的培训机制，是职业培训领域的主流实现形式，有重要的研究意义。

1 系统开发关键技术

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[4-6]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，开发出一套适用于浅水和深水三类作业环境下具备海洋特色的CWCC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。设计以提升钻、完、修井作业人员井控水平为目标，保障海上作业井控安全。充分发挥计算机模拟仿真的优势，基于计算机模拟、三维图形图像立体显示技术、虚拟现实及增强现实等技术，开发一整套井控数字化情景培训演练系统，实现安全、节能、环保的井控培训[7-9]。

1.1 数学模型核心

系统软件运用溢流模型、钻速模型、压井模型等数学物理模型，模拟石油工程钻井作业中的各种工况和参数信息，例如压力、扭矩、钻速、排量等，精确反应这些物理参数之间的关系，达到与实际钻井作业相同的效果。系统支持各种钻井参数设置，如钻具结构、井深结构、地层参数、设备参数等，使演练过程更加灵活多变，更具培训针对性。系统采用的数学物理模型支持无定序操作架构，能真实模拟作业过程的各种操作，真实表达人为操作的差异性，使系统表现更接近实际。

1.2 三维表达核心

三维显示系统作为整个项目的视觉输出主体，利用虚拟现实技术构造逼真的感知环境。系统采用与操作工况同步的三维实时渲染动画，展示受训人员的操作反馈。

1.3 自动化管理及智能评判

建设内容均围绕海洋工程井控工艺相关的重要内容展开，针对作业流程、井控处置、团队协同等方面进行设计和制作，能够真正提升受训人员的作业能力。系统提供教师端管理软件，教师可对系统功能、培训项目、学员信息、演练团队进行分类管理，并形成快速实施方案，方便教师的日常培训项目设置。

1.4 多岗位多任务流程触发机制

系统涵盖100余项演练项目，教师可根据培训需求任意组合演练项目，订制每次的演练内容，处理过程如下：

（1）接受演练任务列表的主控程序初始化信息，在重置设备状态后，生成每个演练分项的初始化场景及设备状态

（2）作业开始后，接受多岗位各角色交互式操作信息。由主控程序统一分析并处理，然后通过unity3D网络架构同步所有参与演练人员的显示终端三维图形状态信息，同时同步执行主控发送的命令

（3）命令执行完毕，发送给主控所需的当前场景状态和完成的命令号

（4）图形程序一旦启动，可持续接收数据并执行操作，支持重复初始化及重复作业功能

1.5 多人协同

系统根据浅海、深海钻井井控各项演练项目涉及的演练人员进行工种和职能划分，模拟司钻、副司钻、井架工、钻工A、钻工B、钻工C、钻工D、钻井监督、录井工程师、高级队长、队长、固井工程师、泥浆工程师等岗位，在深海、浅海钻井一级、二级及三级井控过程中的岗位职责。根据不同的演练项目设定参与岗位人员，针对起下钻杆、起下钻铤、空井，钻进、电测、固井等工艺过程中的井控过程情景演练。实现多岗位协同作业，包括：井控设备操作、工艺过程演练、多岗位协同操作、事故现象模拟等。

2 系统演练模式

根据作业内容和适用的培训方式，该系统采用多种演练模式，含：VR沉浸式多人协同演练模式、桌面式软硬件结合多人协同演练模式、模拟硬件实操平台演练模式、MR混合现实操作平台演练模式、三维交互式动画演练模式。

2.1 桌面式软硬件结合多人协同演练模式

桌面式多人协同演练与VR多人协同演练采用相同的数学模型内核核心，工艺过程、控制过程、演练内容及评价标准。受训人员进入培训项目后的交互方式可通过桌面式虚拟显示软件和井控模拟硬件相结合的方式实现。一组作业人员在一次培训过程中，涉及到对井控设备的操作可在硬件模拟设备上实操完成，其他流程操作和设备操作可在桌面式虚拟现实软件上实现。

2.2 VR 沉浸式多人协同演练模式

VR沉浸式多人协同演练可部署一、二、三级井控中包含的沉浸式单人/多人演练平台系统和部分设备故障在关联作业中的现象显示。系统基于数学模型核心和三维表达核心，可进行自动化管理和智能评判。受训人员通过教师端设置及作业内容设置后开始演练过程。操作人员通过沉浸式虚拟现实头盔与演练三维场景进行交互，实现对演练内容的培训。

2.3 VR 与桌面交互相融合的演练模式

支持VR与桌面交互相融合，以及作业过程中的多人协同过程，满足项目培训需要。

（1）模式切换便捷

使用Steam VR插件中预制的Player组件，使用Steam VR Objects和No Steam VR Fallback Objects物体，通过这两个物体的模式切换操作，实现VR摄像机与桌面摄像机的模式识别，从而达到桌面交互视角与VR交互视角的融合，表现相同的演练场景要素及对应信息

（2）交互响应快速

通过编写交互系统的核心类Player，Hand和Interactable，设置Player预制件，实现场景中的播放器对象和SteamVR摄像机设置。交互系统通过向与之交互的任何对象发送消息来工作。然后，这些对象会对消息做出快速反应，并且可以根据需要将其自身附加到手上

（3）VR与桌面通用交互功能实现

通过对需交互物体添加Interactable组件，融合VR的手柄交互和桌面鼠标点击交互功能，同化演练过程中的各岗位角色与虚拟场景及设备的交互功能；

2.4 MR 混合式虚拟现实演练模式

MR混合式虚拟现实演示模式根据石油相关数学模型能实时计算、模拟、展现钻井作业中压力、扭矩、钻速、排量等各项参数，精确反应各个物理参数之间的关系，达到与实际作业相同的效果，MR混合式虚拟现实演示模式符合IADC和IWCF标准，满足培训的灵活性和针对性。

MR混合式虚拟现实演示模式基于MR混合现实设备，利用三维建模技术建立整个座椅操作模型，并模拟和控制井控设备模型的操作，配合真实的设备模拟操作台，满足高度沉浸式的深水钻井井控培训。软件系统采用无定序架构，能真实模拟钻机的各种操作，使系统更接近实际；利用虚拟现实技术构造逼真的感知环境，采用与操作工况同步的三维动画展示现场场景，结合高仿真的现场音效，给人以身临其境的感受。

MR混合现实操作平台演练运用虚实结合的方式，使用真实的智能座椅操作台作为操作媒介，佩戴虚拟现实手套进行用户的手部动作识别，视觉感官通过沉浸式虚拟现实眼镜提供实时交互的三维影像，从而产生与现实高度契合的操作体验。

3 系统功能分析

可实现桌面式与沉浸式在同场景下的组合演练；满足桌面式与沉浸式在同场景下的组合演练；满足多人多组本地同场景协同演练；具备演练期间的多视角参观功能，其中包含全局视角1个，每个角色分别具备第一人称和第三人称视角。

采用虚拟现实的技术，在虚拟空间中最大限度模拟真实情况的发生、发展过程，以及人员在虚拟环境中可能做出的各种反应。要求包括：

（1）三维场景模拟

三维场景真实、完整，定位准确、模型精度高，可优化，具体要求如下：

场景定位：在场景中可以对装置中的一些设备进行定位查找。

设备状态查询：在场景中对设备、阀门、人员、工具等物体进行状态查询。

场景漫游：可以在三维场景中漫游行走，任意角度的旋转场景，方便对三维场景的浏览和熟悉。

（2）培训目标达成

培训内容面向作业场景、工艺过程、演练要点、设备使用、应急过程进行可视化培训，通过生动、形象的三维动画场景交互达成培训目标。

（3）应急演练培训

在三维虚拟场景中将各个演练过程通过三维可交互场景的形式展示出来，包括各种工况下应采取的作业措施和培训要点，借助三维情景反馈达成作业发展与现场工艺处置、安全流程及应急处置等内容有机的结合起来，更加直观地呈现培训内容，使受训人员达成身临其境的演练效果。

4 结论

人工智能CWCC情景演练系统是基于海油培训需求，立足现场实际，体现工艺逻辑，为了真实模拟作业现场的实际情况，系统采用多种数学物理模型作为底层触发的数据基础。同事，运用多种虚拟现实技术，达成智能化情景展示为主体的井控多人演练系统。综合运用桌面式/沉浸式，单人/多人模式组合的演练组织形式，同时引入混合现实技术，以物联网技术为支撑，沉浸式虚拟现实和动作捕捉系统为实现路径，达成复合型多功能的大规模虚拟现实实训系统。该系统无论从培训目标、培训立意、培训形式、以及实现方式，均属业内属首创。

具有无定序模拟软件架构。对受训人员的操作顺序没有任何限制，完全模拟真实钻机的模式和功能，操作者可以按照任何方式去操作模拟系统，就像操作真实钻机。

仿真性：演练过程由丰富的后台数学物理模型支持，保证演练数据的真实性，客观反映演练过程的仪表数据参数变化，让演练过程与客观实际高度重合。

智能性：系统中多人协同支持AI角色扮演，可处理参培人员不够一个班组的情况。AI人物未被选角色，配合实际参演人员完成整个班组的演练任务。

综合性：多模块支持多人桌面和多人VR协同演练，可根据用户习惯选择性使用培训硬件，人性化设计多项目演化的综合性培训，适应行业培训需求，软硬件资源高度一体化、综合化。