關于虛擬現實技術在油田培訓中的應用探討論文
關鍵詞：虛擬現買技術培訓作用
摘要：我國石油行業(yè)發(fā)展迅速，職工的素質直接影響到石油企業(yè)的效益及安全生產狀況，因此，企業(yè)對職工的技術要求越來越嚴格。鉆井模擬器采用基于虛擬現實的虛擬制造技術，開發(fā)過程運用多種先進的計算機技術，并結合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓方法。作為針對油田具體情況開發(fā)的新型培訓系統(tǒng)。鉆井模擬器有著積極的意義。本文重點分析了該系統(tǒng)的開發(fā)過程，詳述了虛擬現實技術在油田培訓鉆井井控人員過程中的作用。
1．引言
我國石油行業(yè)的發(fā)展與現場地質情況等密不可分，充滿著危機和挑戰(zhàn)。對于員工的能力和安全意識要求很高，傳統(tǒng)的進場培訓有一定的局限性，例如：職業(yè)培訓效果是否良好主要依賴于教師的水平，培訓過程沒有明確統(tǒng)一的評價標準，針對性差，沒有可重用性等。可見傳統(tǒng)的培訓技術不但受時間、空間的限制，而且在人力、資源、經費、組織實施等方面都存在很大問題。尤其對于危險作業(yè)或不具備實驗條件的高級培訓，傳統(tǒng)的培訓方式更是難以實現。傳統(tǒng)培訓模式的局限性制約了人們所期望的培訓質量和培訓效率，滿足不了現代社會的需求。
鉆井模擬器采用虛擬制造技術的概念，開發(fā)過程基于現代計算機控制技術、計算機仿真技術、計算機圖形技術、計算機網絡技術，并結合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓方法。它為用戶提供了起下鉆、鉆進、井控和鉆井事故及復雜情況處理等作業(yè)的操作過程模擬，主要用于鉆井司鉆、鉆井技術人員的操作培訓和安全培訓，并為學員培訓考核提供了教師評分系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)培訓過程中客觀上無法解決的技術難題。作為新型的針對油田具體情況開發(fā)的培訓系統(tǒng)，鉆井模擬器有著積極的意義。
2．基于虛擬現實技術的虛擬培訓
該設備是以控制為中心的VM設備，主要用于鉆井人才的培訓。這套虛擬培訓設備運用虛擬現實技術，真實生動的模擬了鉆井工藝流程的細節(jié)。學員能夠通過對仿真鉆機設備的操作，直接觀察到鉆井平臺上的活動以及操作結果，最終達到讓培訓人員掌握正確操作過程的效果。虛擬培訓有以下特征：
2．1仿真性
在虛擬現實技術支持下，虛擬培訓設施與真正的培訓設施功能相同，操作方法也一樣，學員通過虛擬培訓設施訓練技能與現實培訓基地里同樣方便。這是因為虛擬培訓環(huán)境無論是現實的環(huán)境還是構想的環(huán)境，都是虛擬的但又是逼真的。理想的虛擬環(huán)境應該達到使受訓者難以分辨真假的程度。
2．2開放性
虛擬培訓環(huán)境可以為所有受訓者在任何時間、地點提供各種培訓的場所。實際上，虛擬培訓環(huán)境的內涵是廣泛的，它不同于傳統(tǒng)的培訓基地概念，它具備可以進行類似于傳統(tǒng)培訓項目的環(huán)境，但更擅長的是使學員置身于培訓項目對象中的逼真環(huán)境。凡是受訓者可以通過有關器具操作，來學習或訓練某種技能的虛擬環(huán)境，并都歸之于虛擬培訓環(huán)境。
2．3超時空性
虛擬培訓環(huán)境具有超時空的特點，它能夠將過去世界、現在世界、未來世界、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)生的事件單獨呈現或進行有機結合，并可隨時隨地提供給學員進行培訓。
2．4可操作性
受訓者可通過使用專門設備，用人類的自然技能實現對虛擬環(huán)境的物體進行操作，就像在現實世界中一樣。
2．5對應性
學員的培訓內容與虛擬環(huán)境是密切對應的。例如，學員要學習飛行器駕駛技術，那么虛擬環(huán)境就是飛行器飛行的模擬環(huán)境。對應性將能為受訓者設定各種復雜的情況，以提高受訓者的應變能力，從而使得他們在實際環(huán)境下能得心應手的處理各種情況。另外，虛擬現實技術能按每個學員的基礎和能力，對應性的開展個性化的教育培訓。
3．鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的分析與設計
計算機圖形學是研究現實場景計算機顯示的科學，也是利用計算機處理人類所能看見的圖景的手段和方法。視景仿真技術是以計算機圖形學為理論基礎的三維模型動態(tài)顯示技術，基本原理是：根據觀察點及觀察方向對場景進行實時計算和實現，并做到對三維復雜環(huán)境中物體運動的實時交互控制，產生良好的動畫效果。實現三維模型視景的實時動態(tài)顯示，一方面要求計算機硬件有高速運算能力和很強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，以便在硬件平臺上取得更好的實時動態(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，它提供給用戶一個三維的真實感視覺環(huán)境。
3．1鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)分析
鉆井模擬器在虛擬培訓過程中需要模擬井場環(huán)境和操作結果，這就需要視景仿真系統(tǒng)根據鉆井模擬器司鉆控制臺的操作過程，實時模擬出井場環(huán)境的變化和司鉆、井控操作對鉆井過程的影響。在現實的司鉆和井控過程中，操作錯誤和地質環(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。實時地顯示鉆井過程中的數據，計算參數。根據司鉆臺操作的具體行為，依照物理模型和數學模型來模擬設備運動的過程，使得鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的三維動畫過程更貼近現實。
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)需要對井場設備、自然環(huán)境、井下情況進行實時的動態(tài)模擬，使培訓者在培訓過程中除了學習操作知識，還能更有效、直觀的學習到理論知識。硬件設施和三維圖形軟件的結合實現了虛擬模擬系統(tǒng)，培訓人員能夠通過這套虛擬培訓設備完成所有鉆井工作人員所需要的專業(yè)知識和實際操作技術。
3．2實時場景系統(tǒng)組成
根據鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的需要，開發(fā)過程在WindowsxP平臺上，建模部分使用3DMAX完成機械部件的模擬，模型的管理由3DExplorer~成，并實現模型數據文件的轉換導出。程序對模型的控制由C++Builder6．0實現，整個開發(fā)過程基于OpenGL2．0。
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的實時場景組成包括以下幾個部分：三維圖形實體模型、鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)控制程序、GLSL編寫的渲染效果。
在整個組成部分中，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：場景初始化、工藝動畫控制、與主控機通信、參數顯示、碰撞處理以及特效渲染。 場景初始化：由于鉆井工藝的復雜性和虛擬培訓的操作性，每個作業(yè)當前場景都有所不同。在一個新的作業(yè)開始前，圖形程序在接收到控制機發(fā)出的作業(yè)指令后初始化當前場景，例如：鉆井平臺上各操作部件當前的數量、狀態(tài)以及位置。
工藝動畫控制：在完成規(guī)定工藝作業(yè)的過程中，司鉆控制臺做出的每一個動作都將轉換成數字信號傳遞給主控機，再由主控機發(fā)送協議數據給圖形程序，圖形程序得到參數后，做出具體反映。在圖形機上體現出鉆臺上各種控制系統(tǒng)的運動參數、具體動作、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。
與主控機通信及參數顯示：主控機的設計主要由鉆井模擬器設計的需求決定，由于這套儀器主要用于虛擬培訓，教師和學生之間有教與學的關系，主控機能夠提供給教師一個教育平臺，提供作業(yè)調度、控制、評分等功能，與此同時，傳遞司鉆控制臺上發(fā)來的各項數據，并把與操作有關的數據發(fā)給圖形機，即鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)，兩方通信，傳遞參數并進行數據處理，在屏幕上顯示操作過程中需要操作者了解的參數值。
碰撞處理：在三維圖形的運動仿真過程中是不允許有“穿墻而過”的狀況發(fā)生的，因此要對運動物體作碰撞檢測的處理。為了遵循模型運動的真實感，鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)當然也包括碰撞的檢測與處理部分。
渲染特效：實現對火焰、氣泡、液體噴涌效果的模擬，使用GLSL實現電影級的光照效果，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感。
3．3鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)設計
一個性能優(yōu)越、功能完備的系統(tǒng)需要在設計階段就進行詳細的設計規(guī)劃。這樣，在后期的開發(fā)過程中才能完成高質量的軟件項目。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的設計遵循面向對象的原則，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性和兼容性等方面都有突出的表現。
3．4系統(tǒng)特點及設計目標
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)要求有以下特點：
1）可以生成高質量的圖形，實現實時的可控動畫。
2）圖形的生成快速穩(wěn)定，對圖形硬件要求不高。目前，系統(tǒng)配置為NVIDA6800，NVIDA6系列以上顯卡都可以實現高質量的圖形動畫。
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，在操作過程中既能觀察整個場面，又能集中觀察工藝作業(yè)下重要部件的工作過程。
4）建立模型細致、真實，宏觀模型和微觀模型通過軟件和程序分別建模，真實感程度高。
經過分析鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)特點后，設定該系統(tǒng)要達到以下目標：
可擴展性：對于新模型、新器件、新工藝的增加，方便快捷，可以在短時間內完成對系統(tǒng)的擴展。
兼容性：系統(tǒng)可以用于Windows2000／XP平臺，兼容于各種圖形加速硬件。
敏捷性：圖形生成迅速、穩(wěn)定，一般的圖形加速硬件既可滿
足要求；系統(tǒng)應達到反應迅速、操作靈敏的功效。
3．5基于面向對象的系統(tǒng)設計
鉆井模擬器圖形系統(tǒng)的設計是基于面向對象的，系統(tǒng)規(guī)模較大，設計復雜。基于在鉆井工藝中涉及到的物體較多，并且各個物體在不同的方面有不同的特性，因此在設計之前，應確定設計類的準則。對本系統(tǒng)而言，這里關心的是用物體如何展現工藝流程，所有類的設計應該圍繞物體的動畫功能需要來進行。
在鉆井各工藝流程中，大鉤、鉆桿等物體是系統(tǒng)動畫的載體，具有物體自身的方法和屬性，因此，可以將其封裝成類。根據圍繞物體的運動功能來設計類的思想，將液壓大鉗和液壓大鉗的活塞、吊卡的主體和活頁設計成不同的類，這樣設計不僅可以使動畫更加逼真，還能提高系統(tǒng)靈活性。
4．結論
鉆井模擬器對油田實現安全、有效、高質量的培訓有著積極的意義。它能夠滿足信息時代技能培訓不斷變化的要求，是一種高水平、高效率、低費用的新興柔性培訓模式。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)作為鉆井模擬器的圖形部分，真實的展現了井場的三維環(huán)境和操作流程，對于整個虛擬培訓過程有著十分重要的意義。本文圍繞對鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化，分析了開發(fā)過程中的關鍵技術，解決了系統(tǒng)開發(fā)中的實際問題。
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