采油厂安全培训虚拟仿真平台设计
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摘要： 针对采油厂传统安全作业培训方法成本高、培训效果不佳等问题，本文采用三维模拟仿真技术对采油厂安全培训虚拟仿真平台进行设计实现。文中设计了安全培训虚拟仿真平台的体系结构与系统组成，重点阐述了安全培训虚拟仿真平台中虚拟人建模、静态事物及动态事物建模等三维场景建模方法，研究解决了虚拟仿真平台中层次细节及碰撞检测等关键技术。实践结果显示，本平台中的交互式操作演练及高度还原的事故案例明显提高了安全培训的效果，达到了减少油田培训成本、提高员工安全意识与操作水平的目的。
Abstract： For the problems of high cost and poor training effect of traditional safety training methods in oil production plant， this paper designs and realizes the virtual simulation platform of safety training in oil production plant by using 3D simulation technology. The virtual human simulation modeling， static and dynamic objects three dimensional scene modeling method are mainly introduced， and the level of detail and collision detection key technologies are solved in this virtual simulation platform. The results of practice show that the interactive operation drill and the highly reduced accident case obviously enhanced the security training effects， reduced the cost of oil field training and improved staff safety awareness and operational level.
关键词： 三维模拟；虚拟仿真；场景建模；交互式控制
Key words： 3D simulation；virtual simulation；scene modeling；interactive control
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0078-03
0 引言
随着油田的深入开发，采油厂在石油开采过程中的各种作业工艺变得越来越复杂，安全生产过程中的隐患问题日益突出，安全事故经常发生[1]。因此急需对石油生产一线的作业人员进行切实有效的、系统的安全操作技术培训，特别是一些危险作业的操作方法的培训。提高油田工作人员安全技术水平和预防、处理事故的能力，对于石油的安全生产至关重要，其中向油田职工展示以往的错误操作致使石油生产过程中发生的事故案例非常必要，以此达到警示的作用。
魍秤吞锇踩操作培训大部分是以文字资料和多媒体课件为主、实物操作训练为辅的方式进行集中培训[2]。这种形式的培训存在很多问题，例如通过书本学习的培训方式枯燥无味，实物操作训练的成本很高，设备和培训人员的数量都受到限制，难以控制设备的操作时间，由于无法还原事故案例现场，很多事故无法真正再现给培训人员，如果在实际生产操作中遇到了紧急情况，员工依然是手足无措、容易发生事故，培训效果不理想，无法实现实时交互式操作训练功能[3，4]。
因此，针对传统培训方法的不足，本文借鉴现代化油田安全培训方法，将虚拟现实技术应用于采油厂的安全培训中，使用三维模拟仿真技术，再现采油厂发生过的事故案例现场，描述每个案例的经过和预防措施，以人机交互的方式展现在员工面前，实现三维的高度仿真效果，使培训者如亲临生产或事故现场。将三维模拟仿真技术应用到油田培训工作中，让培训者在这个过程中既能学习到正确的操作步骤，又能起到防范的作用，很大程度上解决了油田培训中的困难， 对油田的安全生产与管理起到积极的推进作用。
1 系统设计
采油厂事故案例虚拟仿真平台主要利用虚拟现实技术，将采油生产事故案例和安全防范措施进行仿真，仿真平台主要应用3DS Max进行建模、贴图和渲染，通过Virtools工具将各个三维模型按照一定的结构进行集成，用来组建完整的场景，仿真平台可以通过接口如鼠标、键盘、控制手柄、操纵台等输入设备实现设备操作、故障处理等来实现人机交互。
本文的虚拟仿真平台根据系统的分层结构进行划分，可以分为数据服务层，仿真管理层、用户界面层三个层次。操作者与系统进行交互时，通过界面显示层输入数据的访问请求，通过仿真层中的各种服务，转换为对数据服务层的访问请求，数据服务处理请求后，将结果通过中间层，返回给界面层输出。该系统的体系结构如图1所示。
采油厂事故案例虚拟仿真平台由模拟仿真训练、事故案例再现、应急救援措施三个部分组成。模拟仿真训练主要实现采油工、电力变电、抽油机等安全操作的三维仿真，同时可以自由漫游于井厂配电间等；事故案例再现主要通过三维技术再现采油厂近些年发生的典型安全事故案例，并且分析事故原因；事故应急救援主要针对采油厂易发生的配电失误、油气泄露导致爆炸等事故，制作完整的事故应急救援三维仿真。系统组成结构如图2所示。
2 场景建模
在三维仿真系统中最重要的是场景数据库的管理与三维模型的建立，整个场景三维建模过程也就是场景数据库的建立和管理过程[5]。建立场景数据库首先要做好前期准备工作，收集和处理数据，并且确定场景数据库的层次结构，其次是建立三维实体模型，最后对模型进行集成优化并测试，场景数据库建立流程图如图3所示。
采油厂事故案例虚拟仿真平台中的物体模型分为三大类：虚拟人、静态物体模型和动态物体模型。虚拟人为供操作人员控制的替身或是与操作人员控制的替身合作完成任务的助手或监护人等；静态物体模型为场景中静止不动的实体模型，例如房屋、树木、道路等地形、地物；动态物体模型指的是具有运动属性的各种仿真实体模型，如按钮、开关、阀门等[6]。
2.1 虚拟人建模
虚拟人是整个虚拟仿真平台的主体，其中人物模型的建立、人和动态物体间的行为描述对虚拟仿真平台的质量起决定性作用。由于虚拟人具有运动的特性，为了使虚拟人的动作看起来更加流畅、更加合理，本平台采用曲面细分建模技术来构建虚拟人的外形，其特点是虚拟人在运动过程中产生的皮肤拉伸和挤压不会失真，并且运用正向运动与反向运动学技术对人物骨骼的运动进行虚拟仿真，然后通过蒙皮技术将人物的外形与骨骼模型进行连接最终构建了完整的虚拟人。虚拟人的动作表现、行为控制、人与物体的交互也是虚拟仿真平台的关键问题[7]。
通过对油田作业中常见操作活动的分析，将油田工人的一个操作活动分解成几个基本行为，而每个基本行为是由几个基本动作的不同组合完成，现将这些基本动作进行分类，建立人物幼骺猓库中的动作包含了操作活动的所有基本动作，每个动作在语义上是独立的，并且具有可重用性和通用性，这样一个操作活动就可以通过基本动作的组合来实现。
2.2 静态物体建模
静态建模大部分是通过几何建模技术，利用建模工具从形状以及外观上对实体进行模拟，并且通过使用纹理映射等方式来降低模型的复杂度[8]。根据井场内实体的位置和重要程度确定建模顺序，然后分别对其进行建模，最后进行集成。3DS Max建模工具为用户提供了优秀的树状层次结构来组织管理模型，并且3DS Max中的图形操作非常灵活，因为可以从最基本的元单位点、线、面等开始建立自己的三维模型，而且建立的所有三维模型都是通过树形结构组织在一起的。
2.3 动态物体建模
在虚拟仿真平台中，阀门的开关，分离液的流动等都属于动态物体建模。对运动部件进行动态建模时，首要任务就是建立运动对象，其方法是在已经建好的模型文件中添加自由度节点，设立其相应的局部坐标，并进行定位[9]。在本文中通过粒子系统制作分离液和气体流动的动态效果，来实现液体、气体等不规则物体的模拟仿真。在不规则物体的建模方法中，相对来说粒子系统是一种比较好的方法，该方法的特点是能够用很小的计算代价达到真实感很强的模拟效果，能充分体现不规则物体的动态性和随机性[10，11]。本文中把分离液和被分离出的气体都定义为粒子，这些粒子是具有生命周期并且是随机运动的，而且粒子的运动状态能够被改变，通过动态控制粒子的运动轨迹来实现液体和气体沿着管道内壁流动的效果。分液的流动效果如图4所示。
3 关键技术
3.1 层次细节技术
在本平台中采用层次细节技术进行场景优化，使用一组复杂程度逐渐增加的层次细节模型描述相同的对象，在场景漫游时，根据虚拟人视点距离目标实体模型的远近来选择不同层次的细节模型，当视点和目标实体的距离较大时，选用细节程度较低的模型，反之则选用细节程度高的模型，动态调节虚拟场景中模型的复杂度，这种技术使系统在不影响整体视觉效果的同时又提高了场景的运行效率，实现不同视点观看到复杂程度不同的模型，建立的四合一罐效果如图5（a）、（b）所示。
3.2 碰撞检测技术
本文中虚拟平台的交互控制主要有系统漫游，控制阀门、开关等操作，而实现交互控制的重点就是碰撞检测。为了避免平台中两个不可穿透的物体彼此穿透，所以在虚拟现实的建模中经常会用到碰撞检测技术。
本文中的碰撞检测是根据两个物体的相对位置计算它们之间的距离，例如现在进行更换法兰垫片操作，虚拟人需要行走到设备前，系统实时检测虚拟人与设备的相对位置，当人与设备的距离L超过系统设定的距离Ls时，则不会发生碰撞，人继续朝着设备行进，当L
4 结论
本文建立了采油厂安全培训虚拟仿真平台，通过三维模拟仿真技术模拟了采油生产过程与典型事故案例的再现事故应急。由于在生产岗位中的各种关键设备，在正常生产情况下是无法看见其内部结构和它们的运转情况的，培训时为了能使学员们了解设备的内部结构，本文在三维软件中按比例建立了四合一罐实物的整体和分部模型，建立场景数据库，然后进行整体效果渲染，模拟设备的运行，使学员有身临其境之感。
本文中的虚拟仿真平台融入了采油厂安全培训的知识，并且其平台的交互性与可操作性极大地增强了培训人员的学习效果，提高了操作人员的应急处理能力与操作水平，并在很大程度上减小了油田培训的成本，对于油田的数字化发展有很大的意义。
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