计算机仿真技术在集输工培训中的开发与应用

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计算机仿真技术在集输工理论教学和操作技能培训中的开发十分重要，不仅可以改变传统的油气集输员工培训中带来的弊端，提高培训质量，完善操作技能培训教学环节，而且维护方便，升级快速，在大大降低培训成本的同时，及时满足生产一线设备和技术更新换代的需要，收到良好的效果。

一、传统培训教学的弊端及计算机仿真技术的开发

传统的油气集输岗位员工培训教学模式存在着如下的问题：

一是培训教师结合教材上设备结构简图和工作原理图进行讲解，由于许多设备内部结构复杂、工作原理及工作过程极其微妙和抽象，培训教师无论用多么精确的语言进行讲解，很难达到让每个学员都能够完全理解。特别是因为来自生产一线没有机械制图基础的员工，很难将平面的设备结构图在头脑中还原成立体的实际设备结构，也更无法理解设备的工件原理和工作过程；

二是如果播放现场录像或到现场进行观摩教学，由于生产运行的连续性；设备内部结构的封闭性；现场存在易燃、易爆等不安全因素，使培训过程受到诸多限制，达不到预期效果；

三是借助多媒体，将集输流程中的设备设制成平面或立体动画形式进行演示，虽然能够较直观地反映实际生产流程和设备结构原理，但与现场实际仍有较大差距，缺少人机交流的实时互动性和可操作性，培训效果亦不理想；

四是建立培训基地不仅仅需要足够的场地，更需要一次性投入庞大的资金，而且要求在应用基地培训过程中提供充足的资金来保障操作工位和材料消耗，对许多培训中心来说是很难实现的。

针对上述问题，我们在集输工理论教学和操作技能培训中积极开发与应用计算机仿真技术。2010年4月至7月，举办了十一期共330人的集输岗位市场化用工人员操作技能培训班，应用了该项研究的仿真设备油罐进行培训教学；同年11月，举办了六期共180人的采油井组资料员培训班，应用了该项研究的仿真井口集输工艺流程和计量分离器进行培训教学；还举办了一期41人的MI能源公司采油岗位人员技能提高培训班，同样也应用了该项研究的仿真井口集输工艺流程和仿真计量分离器进行培训教学，收到了意想不到的效果。通过应用仿真现场流程和设备进行培训，使学员彻底弄清了设备结构和工艺流程，感觉操作起来十分熟悉和亲切，课后学员疑问少，效果好。

二、计算机仿真技术应用的可行性

仿真即逼真模仿研究对象，可以分为物理仿真和计算机仿真两大类。物理仿真的优点是直观、还原，但需要专门的场地和设备，造价高，灵活性和通用性差，维护和升级困难；而对油气集输工艺流程系统和设备的内部结构、工作原理和工作过程进行计算机仿真，有如下优点：

一是形象性。计算机仿真油气集输系统的工艺流程、设备的工作过程，能创造一个与实际近乎相同的真实环境。仿真操作与实际机械操作近乎一致，通过仿真，培训学员可进行360°任意角度观看油气集输流程中流体的进出设备过程、设备的内部结构和工作过程，仿真过程形象生动。

二是交互性。计算机仿真过程中，学员尤如站在流程和设备旁一样进入虚拟的真实的操作环境，增强学员对操作对象的亲切感，可以大大激发学员的学习兴趣。在“交互式虚拟真实的环境世界里”，学员获得了对学习对象的感性和理性认识。

三是全面性。计算机仿真油气集输工艺流程系统，可充分考虑实际生产环境中的各种因素，避免由于特定条件而导致的操作结果的单一。如对油气集输工艺流程系统中原油脱水系统仿真、污水处理系统仿真、注水系统仿真、加热系统仿真以及这些系统中所涉及到的设备的内部结构、工作原理、工作过程进行多因素全面仿真。

四是安全性。计算机仿真系统在油气集输工操作技能培训过程中不会对操作对象如多级离心泵、油气水三相分离器、电脱水器、电动机以及压力仪表、流量计、温度计等造成实质性损害，更不会因操作失误对培训学员造成人身危害。

五是节约性。集输工培训中引入计算机仿真教学，最根本的好处就是可大大节省成本，而且没有因学员操作不当引起设备损坏带来无度的损耗。学员坐在多媒体教室里就能实现仿真教学，可为培训中心节约不小的开支和场地。

六是高效性。集输工计算机仿真系统培训教学可缩短教师对材料、仪器仪表或工具用具的准备时间，避免了材料和工具的欠缺和不足。而且培训完成后，也节省了回收时间。在计算机仿真培训教学过程中，学员可以轻松对操作技能培训过程初始化，对未能完成的操作技能培训过程进行状态存贮，对已完成的操作技能培训过程进行调入回顾，大大提高了效率。

三、计算机仿真油气集输工艺流程和设备系统的建立

1.集输工培训计算机仿真内容的确立

将油气集输系统分成四大部分进行计算机仿真该项目分为：脱水模拟仿真系统、污水处理模拟仿真系统、注水模拟仿真系统、加热模拟仿真系统。同时对这四大系统中所有设备的内部结构、工作原理和工作过程也采用仿真技术制作。总体仿真的框架图如下所示：

集输仿真系统总体框图

2.技术研究路线

把油气集输系统分成四大系统工艺流程：脱水系统工艺流程、污水系统处理工艺流程、加热系统工艺流程和注水系统工艺流程，再综合各个采油厂的集输情况，选择技术先进、管理科学的典型流程及流程中所包括的设备进行现场实际数据采集，采集回来的数据应用3Dmax建立所确定工艺流程中的设备及仪器仪表的三维模型、添加材质、贴图、渲染、制作设备工作原理及工作过程动画，并用Potoshop进行预处理纹理贴图。把制作成的设备、仪器仪表单体进行视景生成，把生成的视景通过3D数据导出，将数据转换成Virtools能够接受的形式，再通过Virtools进行交互链接和模型整合，最后将链接好的的模型进行场景驱动，形成与实际工艺流程和设备完全一样的计算机仿真系统。技术路线图如下所示：

3.技术要求

（1）现场数据采集要准确，尽可能采用真实数据建模;（2）工艺流程和设备的选择要典型;（3）在保证视觉不失真的前提下，尽量采用最简单的模型。运用多项技术，尽可能减少文件储存量，使系统运行流畅;（4）针对工艺流程和生产设备的远景、近景及内部结构将对象分为重点和非重点对象，对其分别采用精细建模、次精细建模和粗略建模方式，从而降低场景实时渲染的复杂度;（5）在场景布局方面，在保持效果的前提下，对纹理图片进行优化处理，尽可能减少占用显存;（6）需要有相应的硬件支持。

4.油气集输工艺流程和设备计算机仿真系统的创建

（1）根据流程和设备的制作需求进行数据采集；（2）根据三维数据用计算机制作三维模型及场景搭建；（3）根据集输工艺流程用计算机制作仿真操作流程；（4）用计算机制作关键设备三维结构模型、设备工作原理及工作过程动画；（5）将三维模型的虚拟数据转换；（6）将三维数据进行转换，同Virtools进行模型整合和功能交互连接；（7）场景驱动；（8）实现系统内视野漫游；（9）调试、修改；（10）生成单机运行或网络运行两种版本。

实践证明，建立油气集输工计算机仿真培训教学系统具有很大的应用需求和发展空间。该项目克服了实际操作培训的不足，具有实时性。利用先进的科技手段为学校节能降耗，从而降低办学成本，提高办学效率，全面增强培训的综合竞争力。

利用油气集输工计算机仿真系统进行培训，作为一种新的教学模式，的确给操作技能培训教学带来很多方便，也大大提高了培训质量，收到了很好的效果。但必须指出的是，油气集输计算仿真培训教学毕竟不是真正的实际对象的操作，本身有不可替代的局限性，决不能完全抛开真实的实际操作过程，在应用计算机仿真油气集输系统进行培训教学的同时，还要给学员安排必要的实际动手操作练习的机会。