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1、<p> 關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在油田培訓(xùn)中的應(yīng)用探討</p><p> 作者:賈月樂 丁鹛 張靜 王申申 </p><p> 論文關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)買技術(shù) 培訓(xùn) 作用 </p><p> 論文摘要:我國(guó)石油行業(yè)發(fā)展迅速,職工的素質(zhì)直接影響到石油企業(yè)的效益及安全生產(chǎn)狀況,因此,企業(yè)對(duì)職工的技術(shù)要求越來(lái)越嚴(yán)格。鉆井模擬器采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬制造技術(shù),開
2、發(fā)過程運(yùn)用多種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),并結(jié)合了鉆井工程的實(shí)際工藝,改變了原有的鉆井培訓(xùn)方法。作為針對(duì)油田具體情況開發(fā)的新型培訓(xùn)系統(tǒng)。鉆井模擬器有著積極的意義。本文重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)的開發(fā)過程,詳述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在油田培訓(xùn)鉆井井控人員過程中的作用。 </p><p><b> 1.引 言 </b></p><p> 我國(guó)石油行業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況等密不可分,充滿著危機(jī)和挑
3、戰(zhàn)。對(duì)于員工的能力和安全意識(shí)要求很高,傳統(tǒng)的進(jìn)場(chǎng)培訓(xùn)有一定的局限性,例如:職業(yè)培訓(xùn)效果是否良好主要依賴于教師的水平,培訓(xùn)過程沒有明確統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)性差,沒有可重用性等??梢妭鹘y(tǒng)的培訓(xùn)技術(shù)不但受時(shí)間、空間的限制,而且在人力、資源、經(jīng)費(fèi)、組織實(shí)施等方面都存在很大問題。尤其對(duì)于危險(xiǎn)作業(yè)或不具備實(shí)驗(yàn)條件的高級(jí)培訓(xùn),傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更是難以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限性制約了人們所期望的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率,滿足不了現(xiàn)代社會(huì)的需求。 </p&
4、gt;<p> 鉆井模擬器采用虛擬制造技術(shù)的概念,開發(fā)過程基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并結(jié)合了鉆井工程的實(shí)際工藝,改變了原有的鉆井培訓(xùn)方法。它為用戶提供了起下鉆、鉆進(jìn)、井控和鉆井事故及復(fù)雜情況處理等作業(yè)的操作過程模擬,主要用于鉆井司鉆、鉆井技術(shù)人員的操作培訓(xùn)和安全培訓(xùn),并為學(xué)員培訓(xùn)考核提供了教師評(píng)分系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)過程中客觀上無(wú)法解決的技術(shù)難題。作為新型的針對(duì)油田具體情況開
5、發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng),鉆井模擬器有著積極的意義。 </p><p> 2.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬培訓(xùn) </p><p> 該設(shè)備是以控制為中心的VM設(shè)備,主要用于鉆井人才的培訓(xùn)。這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) ,真實(shí)生動(dòng)的模擬了鉆井工藝流程的細(xì)節(jié)。學(xué)員能夠通過對(duì)仿真鉆機(jī)設(shè)備的操作,直接觀察到鉆井平臺(tái)上的活動(dòng)以及操作結(jié)果,最終達(dá)到讓培訓(xùn)人員掌握正確操作過程的效果。虛擬培訓(xùn)有以下特征: &l
6、t;/p><p><b> 2.1 仿真性 </b></p><p> 在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下,虛擬培訓(xùn)設(shè)施與真正的培訓(xùn)設(shè)施功能相同,操作方法也一樣,學(xué)員通過虛擬培訓(xùn)設(shè)施訓(xùn)練技能與現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)基地里同樣方便。這是因?yàn)樘摂M培訓(xùn)環(huán)境無(wú)論是現(xiàn)實(shí)的環(huán)境還是構(gòu)想的環(huán)境,都是虛擬的但又是逼真的。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使受訓(xùn)者難以分辨真假的程度。 </p><p&g
7、t;<b> 2.2 開放性 </b></p><p> 虛擬培訓(xùn)環(huán)境可以為所有受訓(xùn)者在任何時(shí)間、地點(diǎn)提供各種培訓(xùn)的場(chǎng)所。實(shí)際上,虛擬培訓(xùn)環(huán)境的內(nèi)涵是廣泛的,它不同于傳統(tǒng)的培訓(xùn)基地概念,它具備可以進(jìn)行類似于傳統(tǒng)培訓(xùn)項(xiàng)目的環(huán)境,但更擅長(zhǎng)的是使學(xué)員置身于培訓(xùn)項(xiàng)目對(duì)象中的逼真環(huán)境。凡是受訓(xùn)者可以通過有關(guān)器具操作,來(lái)學(xué)習(xí)或訓(xùn)練某種技能的虛擬環(huán)境,并都?xì)w之于虛擬培訓(xùn)環(huán)境。 </p>
8、<p> 2.3 超時(shí)空性 </p><p> 虛擬培訓(xùn)環(huán)境具有超時(shí)空的特點(diǎn),它能夠?qū)⑦^去世界、現(xiàn)在世界、未來(lái)世界、微觀世界、宏觀世界、客觀世界、主觀世界幻想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨(dú)呈現(xiàn)或進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,并可隨時(shí)隨地提供給學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)。 </p><p> 2.4 可操作性 </p><p> 受訓(xùn)者可通過使用專門設(shè)備,用人類的自然
9、技能實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的物體進(jìn)行操作,就像在現(xiàn)實(shí)世界中一樣。 </p><p><b> 2.5 對(duì)應(yīng)性 </b></p><p> 學(xué)員的培訓(xùn)內(nèi)容與虛擬環(huán)境是密切對(duì)應(yīng)的。例如,學(xué)員要學(xué)習(xí)飛行器駕駛技術(shù),那么虛擬環(huán)境就是飛行器飛行的模擬環(huán)境。對(duì)應(yīng)性將能為受訓(xùn)者設(shè)定各種復(fù)雜的情況,以提高受訓(xùn)者的應(yīng)變能力,從而使得他們?cè)趯?shí)際環(huán)境下能得心應(yīng)手的處理各種情況。另外,虛擬現(xiàn)
10、實(shí)技術(shù)能按每個(gè)學(xué)員的基礎(chǔ)和能力,對(duì)應(yīng)性的開展個(gè)性化的教育培訓(xùn)。 </p><p> 3.鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) </p><p> 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景計(jì)算機(jī)顯示的科學(xué),也是利用計(jì)算機(jī)處理人類所能看見的圖景的手段和方法。視景仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為理論基礎(chǔ)的三維模型動(dòng)態(tài)顯示技術(shù),基本原理是:根據(jù)觀察點(diǎn)及觀察方向?qū)?chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和實(shí)現(xiàn),并做到對(duì)三維復(fù)雜環(huán)境中物體運(yùn)動(dòng)
11、的實(shí)時(shí)交互控制,產(chǎn)生良好的動(dòng)畫效果。實(shí)現(xiàn)三維模型視景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示,一方面要求計(jì)算機(jī)硬件有高速運(yùn)算能力和很強(qiáng)的三維圖形處理功能;另一方面還要求在算法和軟件上有所發(fā)展,以便在硬件平臺(tái)上取得更好的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示效果。視景仿真系統(tǒng)是鉆井模擬器的重要組成部分,它提供給用戶一個(gè)三維的真實(shí)感視覺環(huán)境。 </p><p> 3.1 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)分析 </p><p> 鉆井模擬器在虛擬培
12、訓(xùn)過程中需要模擬井場(chǎng)環(huán)境和操作結(jié)果,這就需要視景仿真系統(tǒng)根據(jù)鉆井模擬器司鉆控制臺(tái)的操作過程,實(shí)時(shí)模擬出井場(chǎng)環(huán)境的變化和司鉆、井控操作對(duì)鉆井過程的影響。在現(xiàn)實(shí)的司鉆和井控過程中,操作錯(cuò)誤和地質(zhì)環(huán)境變化都是事故的誘因,在鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)中也模擬了事故發(fā)生過程和事故排除的情況。實(shí)時(shí)地顯示鉆井過程中的數(shù)據(jù),計(jì)算參數(shù)。根據(jù)司鉆臺(tái)操作的具體行為,依照物理模型和數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)的過程,使得鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的三維動(dòng)畫過程更貼近現(xiàn)實(shí)。
13、 </p><p> 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)需要對(duì)井場(chǎng)設(shè)備、自然環(huán)境、井下情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬,使培訓(xùn)者在培訓(xùn)過程中除了學(xué)習(xí)操作知識(shí) ,還能更有效、直觀的學(xué)習(xí)到理論知識(shí)。硬件設(shè)施和三維圖形軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了虛擬模擬系統(tǒng) ,培訓(xùn)人員能夠通過這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備完成所有鉆井工作人員所需要的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際操作技術(shù)。 </p><p> 3.2 實(shí)時(shí)場(chǎng)景系統(tǒng)組成 </p><
14、;p> 根據(jù)鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的需要,開發(fā)過程在Windows xP平臺(tái)上,建模部分使用3D MAX完成機(jī)械部件的模擬,模型的管理由3D Explorer~成,并實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換導(dǎo)出。程序?qū)δP偷目刂朴蒀++Builder6.0實(shí)現(xiàn),整個(gè)開發(fā)過程基于OpenGL2.0。 </p><p> 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景組成包括以下幾個(gè)部分:三維圖形實(shí)體模型、鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)控制程序
15、、GLSL編寫的渲染效果。 </p><p> 在整個(gè)組成部分中,最重要的是鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)控制程序,在程序中完成了以下工作:場(chǎng)景初始化、工藝動(dòng)畫控制、與主控機(jī)通信、參數(shù)顯示、碰撞處理以及特效渲染。 </p><p> 場(chǎng)景初始化:由于鉆井工藝的復(fù)雜性和虛擬培訓(xùn)的操作性,每個(gè)作業(yè)當(dāng)前場(chǎng)景都有所不同。在一個(gè)新的作業(yè)開始前,圖形程序在接收到控制機(jī)發(fā)出的作業(yè)指令后初始化當(dāng)前場(chǎng)景,例
16、如:鉆井平臺(tái)上各操作部件當(dāng)前的數(shù)量、狀態(tài)以及位置。 </p><p> 工藝動(dòng)畫控制:在完成規(guī)定工藝作業(yè)的過程中,司鉆控制臺(tái)做出的每一個(gè)動(dòng)作都將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給主控機(jī),再由主控機(jī)發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)給圖形程序,圖形程序得到參數(shù)后,做出具體反映。在圖形機(jī)上體現(xiàn)出鉆臺(tái)上各種控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、具體動(dòng)作、視圖選擇(包括上視角、井下視角、防噴器視角、多視圖顯示等)等。 </p><p> 與主控
17、機(jī)通信及參數(shù)顯示:主控機(jī)的設(shè)計(jì)主要由鉆井模擬器設(shè)計(jì)的需求決定,由于這套儀器主要用于虛擬培訓(xùn) ,教師和學(xué)生之間有教與學(xué)的關(guān)系,主控機(jī)能夠提供給教師一個(gè)教育平臺(tái),提供作業(yè)調(diào)度、控制、評(píng)分等功能,與此同時(shí),傳遞司鉆控制臺(tái)上發(fā)來(lái)的各項(xiàng)數(shù)據(jù),并把與操作有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)給圖形機(jī),即鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng),兩方通信,傳遞參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在屏幕上顯示操作過程中需要操作者了解的參數(shù)值。 </p><p> 碰撞處理:在三維圖形
18、的運(yùn)動(dòng)仿真過程中是不允許有“穿墻而過”的狀況發(fā)生的,因此要對(duì)運(yùn)動(dòng)物體作碰撞檢測(cè)的處理。為了遵循模型運(yùn)動(dòng)的真實(shí)感,鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)當(dāng)然也包括碰撞的檢測(cè)與處理部分。 </p><p> 渲染特效:實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰 、氣泡 、液體噴涌效果的模擬,使用GLSL實(shí)現(xiàn)電影級(jí)的光照效果,可以分別模擬白天,夜晚,探照燈等光照模式,大大地提高了圖形效果和真實(shí)感。 </p><p> 3.3 鉆井模擬器
19、視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p> 一個(gè)性能優(yōu)越、功能完備的系統(tǒng)需要在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)劃。這樣,在后期的開發(fā)過程中才能完成高質(zhì)量的軟件項(xiàng)目。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循面向?qū)ο蟮脑瓌t,在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和兼容性等方面都有突出的表現(xiàn)。 </p><p> 3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)目標(biāo) </p><p> 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)要求有以下特
20、點(diǎn): </p><p> 1)可以生成高質(zhì)量的圖形,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的可控動(dòng)畫。 </p><p> 2)圖形的生成快速穩(wěn)定,對(duì)圖形硬件要求不高。目前,系統(tǒng)配置為NVIDA6800,NVIDA6系列以上顯卡都可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖形動(dòng)畫。 </p><p> 3)提供給用戶多角度、多視圖的工作窗口,方便用戶定位觀測(cè),在操作過程中既能觀察整個(gè)場(chǎng)面,又能集中觀察工藝作業(yè)
21、下重要部件的工作過程。 </p><p> 4)建立模型細(xì)致、真實(shí) ,宏觀模型和微觀模型通過軟件和程序分別建模,真實(shí)感程度高。 </p><p> 經(jīng)過分析鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)特點(diǎn)后,設(shè)定該系統(tǒng)要達(dá)到以下目標(biāo) : </p><p> 可擴(kuò)展性:對(duì)于新模型、新器件、新工藝的增加,方便快捷,可以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展。 </p>
22、<p> 兼容性 :系統(tǒng)可以用于Windows2000/XP平臺(tái),兼容于各種圖形加速硬件。 </p><p> 敏捷性:圖形生成迅速、穩(wěn)定,一般的圖形加速硬件既可滿 </p><p> 足要求;系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到反應(yīng)迅速、操作靈敏的功效。 </p><p> 3.5 基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p> 鉆井模擬器圖形
23、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于面向?qū)ο蟮?,系統(tǒng)規(guī)模較大,設(shè)計(jì)復(fù)雜。基于在鉆井工藝中涉及到的物體較多,并且各個(gè)物體在不同的方面有不同的特性,因此在設(shè)計(jì)之前,應(yīng)確定設(shè)計(jì)類的準(zhǔn)則。對(duì)本系統(tǒng)而言 ,這里關(guān)心的是用物體如何展現(xiàn)工藝流程 ,所有類的設(shè)計(jì)應(yīng)該圍繞物體的動(dòng)畫功能需要來(lái)進(jìn)行。 </p><p> 在鉆井各工藝流程中,大鉤、鉆桿等物體是系統(tǒng)動(dòng)畫的載體,具有物體自身的方法和屬性,因此 ,可以將其封裝成類。根據(jù)圍繞物體的運(yùn)動(dòng)功能來(lái)
24、設(shè)計(jì)類的思想 ,將液壓大鉗和液壓大鉗的活塞、吊卡的主體和活頁(yè)設(shè)計(jì)成不同的類,這樣設(shè)計(jì)不僅可以使動(dòng)畫更加逼真,還能提高系統(tǒng)靈活性。 </p><p><b> 4.結(jié)論 </b></p><p> 鉆井模擬器對(duì)油田實(shí)現(xiàn)安全、有效、高質(zhì)量的培訓(xùn)有著積極的意義。它能夠滿足信息時(shí)代技能培訓(xùn)不斷變化的要求,是一種高水平、高效率、低費(fèi)用的新興柔性培訓(xùn)模式。鉆井模擬器視景仿
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