虚拟现实技术在油田仿真培训中的应用

杨冬黎，王 辉，周 勃，顾洪博

（东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318）

传统的石油开采工作有一些弊端，据不完全统计，油田生产企业中70%一80%的事故是由于人的操作错误或违章行为引起的，而虚拟现实技术能大大降低这些问题出现的可能性，通过虚拟技术，呈现出石油开采的一系列过程，能够使石油开采等工作在我们的控制之中.因此借助虚拟现实技术对油田施工人员的规范化培训具有重要意义.

目前油田企事业单位对员工的培训多采用集中观看录像、教师讲授或上井跟班操作[1]等传统方式，这种方式内容枯燥，有的甚至影响正常的生产秩序.如果借助虚拟现实技术生成虚拟图形，然后利用相关软件对现实世界、现实油田生产设备进行模拟，使油田员工在一种交互式的环境中，拥有与现实世界近乎相同的浸没感[2]，利用身临其境的现场模拟训练，让被培训人员远离真实的大型生产机械，避免操作不当造成的设备挤压碰撞伤害，有效降低了油田员工操作出错率.从而使油田员工的工作技术过硬，提高工作效率，同时还能节约培训成本.

1 虚拟现实技术介绍

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)[3]技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户投入到该环境中，让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、触摸等多种直观而又自然的实时感知[4].

虚拟现实有3个基本特征[5].其中沉浸性指计算机生成的虚拟世界给人一种身临其境的感觉.交互性指人能够以很自然的方式跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流,着重强调使用手势、体势等身体动作(主要是通过头盔、数据手套、数据衣等来采集信号)和自然语言等自然方式的交流[6].构想性指虚拟环境可使用户面临交互环境中，学到新的知识并萌发创意，提高感性和理性认识.

2 系统框架设计

整个系统分为系统平台建设和应用系统建设两大部分.油田员工仿真培训系统框架如图1所示.

2.1 系统平台建设

图1 油田员工仿真培训系统框架图

系统平台是指用来构建与支撑应用软件的独立软件系统.该平台由算法库管理系统、图形化建模系统、控制系统仿真组态软件、专家评价系统组态软件、专用仿真实时数据库、安全分析与培训系统、在线考试系统七大模块组成，每个模块分别独立，但又可以集成.系统平台中最重要的是安全分析与培训系统、在线考试系统两大模块.通过在电脑上对这两个模块的虚拟练习，可以提高培训员工的实际操作技能.

安全分析与培训系统能完成两个相互关联的任务，一是为生产技术人员提供一套进行各种事故案例设定、仿真运行、事故分析、处理方案测试等的仿真试验环境；二是可以将“事故案例分析试验”的结果由用户设定为仿真培训与考核项目，作为操作人员技能培训与考核的题目[7].

事故案例分析与培训项目的组合设定使培训与考核项目无限扩展，比常规的仿真系统发挥的效能更大；使过去、现在或将来开发的仿真系统除具有针对中级工和高级工培训和考核鉴定功能外，还具备技师和高级技师的培训功能和考核鉴定功能[8]；通过大量的“事故案例”及其组合定义，对操作人员进行各种事故及组合事故分析、判断和处理技能等的培训与考核，提高员工的安全生产操作技能和面对突发事故的分析判断与操作能力.

在线考试系统采用web方式（局域网和广域网都行），客户不需要安装任何软件，就可进行通过网络进行学习或考试.而且该系统还拥有开放的题库管理功能，可方便的建立题库，生成试卷.同时，还有保存试卷，对考试成绩进行查询、分析等功能.

2.2 应用系统建设

应用系统是面向终端用户（在本项目中为教师和学员）的系统，主要由教师机管理系统、培训考试管理系统、油气集输培训系统和系统帮助这四个模块构成[9].主要完成教师演示、学员考试，以及学员对油气集输等知识和技术的掌握，模拟练习的操作过程，应用系统组成图如图2所示.

图2 应用系统组成图

油气集输是油田生产的关键，所以油气集输培训系统是应用系统的重要组成部分.它由原油处理仿真系统、原油脱水仿真系统、原油稳定仿真系统、天然气脱水仿真系统、污水处理仿真系统这5部分组成.主要负责接收油田各个转油站的来油，然后进行油气分离，原油脱水、原油稳定、污水处理、天然气处理等项工作.

3 系统主要实现功能

根据用户参与形式和沉浸的程度不同，油田员工既可以用自己的电脑虚拟现实系统，利用个人计算机进行仿真，模拟集输、采油及控制等工艺流程在正常与异常状态下进行操作，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，通过鼠标、追踪球等输入设备实现与VR世界的充分交互，使油田培训员工掌握实际生产中，设备正常或异常运行时全部操作过程，这种虚拟培训易于普及和实现；另外，油田员工可以增强虚拟现实系统对事故进行演练，既可减少构成复杂真实事故环境的开销，又可对实际物体进行操作，达到了亦真亦幻的境界.这种培训系统能随时对学员的操作水平做出评定，给出学员的操作质量分、操作步骤分及综合成绩，并生成评分信息卡[10].下面对其展开详细介绍.

（1）操作质量：某些过程参数值在操作过程中应该保持在某个范围内，如果学员在操作中，过程参数值超过了指定范围，则应从总分中扣除相应的分数.

（2）操作步骤：学员的操作步骤是考核的重要方面，评分系统通过检查学员的操作情况，根据操作顺序来给定学员的分数.

（3）报警情况：显然在学员的操作中，由于出错产生的报警太多，则学员的操作就不是一个规范的操作，评分系统可以根据报警情况来给定学员的操作得分.

用户也可以选择在线考试，考核测试一下自己操作的能力.根据实时跟踪、记录仿真系统状态和员工的操作动作，最后给出科学公正的操作评价.电脑给出这名操作员的实际分数的同时也指出这名员工的操作错在哪里.系统主要功能实现图如图3所示.

图3 系统主要实现功能图

4 结语

油田员工仿真培训系统在强大的仿真技术帮助下，利用3DMAX和Virtools软件开发平台让每个油田员工都清楚地了解了专业的、抽象的采油、集输等工艺流程，通过在虚拟场景中逼真的实时交互操作，提高了员工操作技能，减少时操作失误率，节约了培训费用.该系统在实际应用中得到了油田用户的好评，具有行业应用价值.

〔1〕林琳，刘贤梅.基于虚拟现实技术的油田仿真培训系统的设计[J].计算机技术与发展，2012，22(10):205-207.

〔2〕冯波，李江山，李毅.试析虚拟现实技术在石油勘探中的应用[J].中国新技术新产品，2012.

〔3〕http://wenku.baidu.com/view/5238f229cfc789eb172dc83 9.htm l.

〔4〕王长杰.浅析虚拟现实技术[J].科技信息，2011.631.

〔5〕http://wenku.baidu.com/view/00d5cd33b90d6c85ec3ac6c 2.htm l.

〔6〕杨立强，董宁，邬长武，赵廷寿.虚拟现实技术在塔河油田油气勘探中的应用[J].新疆石油地质，2006，27(5)．

〔7〕冯岱鹏,胡炎,邰能灵,金红核,袁成,林尉,陈康铭,崔鹏程.地下变电站虚拟现实仿真系统的研究[J].电力系统保护与控制,2010(11).

〔8〕李剑峰,董宁,关达.虚拟现实技术在鄂尔多斯东北部低渗透气藏勘探开发中的应用[J].石油物探,2005(05).

〔9〕徐东印,朱令起,郭立稳.矿井火灾模拟技术前沿介绍——虚拟现实技术的应用[J].山东煤炭科技,2008(01).

〔10〕孟宪颐,刘勇.虚拟现实技术在塔机司机训练培训中的应用[J].中国工程机械学报,2006(04).