虚拟交互技术在气田开发领域的研究与应用

钱福源

近年来，随着计算机技术的飞速发展，将计算机技术融合应用在各专业领域已成为一种趋势。人机交互技术是指通过计算机输入设备、输出设备，以有效的方式来实现人与计算机对话的技术。本文首先阐述了虚拟交互应用于气田开发过程中采用的关键技术细节，然后介绍三项应用实例并讨论了其应用效果。

一、现有技术存在的问题

现有技术只能提供平面示意图及文字操作流程，缺乏展示站场工艺流程的虚拟仿真技术，无法清晰展现天然气从井口进站、加热降压、分离、计量外输等一系列流程，站内设备结构展示不直观。

管网内气体状态复杂，且分布情况因各站管网结构不同差别较大，但通用的节点参数模拟技术还是一项空白，通过研究通用的节点参数模拟技术，对管网节点参数进行精确模拟，以避免因压力系统异常而产生的安全隐患。

缺乏针对天然气业务的人机交互技术，增大了员工误判断、误操作的概率。通过建立与实际站场相同的虚拟场景，模拟虚拟场景中的各项操作及突发情况，保障井站正常安全生产。

二、虚拟交换技术的研发

（一）虚拟模型的建立

在实际工作中通常采用的建模方式有三种 通过二维平面图纸生成三维模型，三维建模软件制作，利用扫描仪实地扫描生成模型。需要根据不同的需求优选建模方式，或采用多种建模方式相结合以提高建模效率。

由于站场建设前的设计图纸一般采用AutoCAD绘制，利用二维的设计图生成三维模型，具有很高的建模效率和建模精度，但这种建模方式有一定的局限性，对地面区域、道路或建筑等大型模型及场景的建模可采用这种方式，但不适宜用于设备，管线等精细模型的建立，可以在虚拟场景搭建的初期，快速生成场地的模型，后续可以在该模型基础上，采用其他建模手段对模型进行精细调整，以丰富模型细节。

三维建模可以对实际场景、建筑、设备及工艺外观尺寸进行仿真，利用贴图技术模拟物体表面的颜色、材质、粗糙度和反光度等属性，提高仿真程度。此外，还需要对动态的物体模型添加质量，表面摩擦系数等物理属性，从而在功能上实现对模型的运动状态的物理计算。

（二）交互模拟技术

在虚拟场景中视角的移动、对虚拟设备的操控等功能的实现，需要将三维模型导入到3D引擎中。目前最常用到的三维引擎主要有Unity3D. Unreal engine等，3D引擎可以高效地开发各类三维应用程序，有效减少底层开发的工作量，把开发工作重心转移到功能的设计上，同时对三维场景的渲染效果也十分出色，提高虚拟场景的仿真程度。

除视角控制外，交互模拟的重点是用户与虚拟场景与虚拟设备之间的交互，虚拟交互的基础是3D引擎对用户触发的事件进行响应，在可交互的三维物体上添加触发器组件，可针对用途设置不同触发条件，用来监听用户控制的角色与触发器产生碰撞、用户鼠标点击、键盘按键等多种交互形式。对于可运动的三维物体，首先要制作各个状态下的动画片段，3D引擎中的动画状态机可以根据物体的状态切换不同的动画片段，从而响应多种状态下的用户交互。在播放动画的同时，还需要通过脚本代码控制场景中的参数，使其符合操作后整体场景的参数变化。

（三）数据接入与模拟技术

在真实的气田站场中，设备和管线工艺的关键节点都通过仪表测量关键参数，测量的范围包括介质的温度、压力、流量、液位等数值，这些参数可以反映出站场的整体工作状态，当生产出现问题时，也需要通过这些参数来判断故障原因，从而解决问题。虚拟场景中必须对虚拟设备和工艺引入相关参数，使静态的三维模型模拟出真实生产站场的工作状态，针对不同的需求，可以将真实的生产数据通过接口接入虚拟模型中，也可以构建站内的参数模型，研究相关算法模拟生成数据。

实时数据的接入是通过真实站内的工控系统将物理信号转换为电信号，再通过网络存储于实时数据库，虚拟场景通过读取数据库，将数据投射于相应的位置进行展示，通过这种方式将真实场景的工作状态远程反映到虚拟场景中。

对于一些需要模拟站内特定工作状态的场景，需要通过数值模拟的方式还原场景中各节点参数的状态，而数值模拟技术的核心是数学模型和算法。首先针对虚拟场景中的设备、管线等工艺的关联关系，建立出相应的拓扑结构，进而建立虚拟井站的数学模型。该数学模型描述了站内各节点间的相互关系，再根据介质在管道内物理状态的算法编制脚本代码，就可以实现当单一节点发生变化时，其他节点的联动反应。算法的负责程度根据相关需求进行调整，当只需要简单的设备流程等虚拟操作时，可以简化模型，模拟的重点在于计算管线内介质的连通性、管道腔体内压力温度等参数。当需要辅助指导生产、判断故障的更加精确严谨的计算功能时，还需要融合更多的参数，例如介质的非均质性、压力温度传导的时效、实际气体状态方程等，但过于复杂的算法会严重影响运行效率。

三、虚拟交互技术的应用

（一）模拟日常设备操作

气田生产中使用的设备专业性强，操作难度大，对操作人员的操作水平要求高的特点，利用交互技术可以使以上问题得到解决。

首先，对设备进行三维精确建模，建立仿真度较高的三维设备模型。然后，研究设备的各个可交互部件的运动方式和规律，使用C#语言编写脚本，模拟手动操作过程中的部件运动。最后，将各个部件的运动逻辑进行整合，编写状态机脚本，记录虚拟设备的工作状态，监测操作人员的输入并给予响应，实现虚拟设备功能的整合。在使用过程中，操作人員可以通过计算机的输入设备实现虚拟场景中的工具控制，从而完成相关的设备模拟操作流程。

（二）虚拟应急演练

由于气田站场具有高危、易爆的特点，保障生产安全尤为重要，员工需要在突发状况发生时快速采取合理的应对措施，应急演练是提高员工应急能力的关键途径。在应急演练中融合交互技术可以显著提高演练的效果。

在虚拟场景中模拟实际站内的工作状态是虚拟应急演练的基础，每个集气站都具有独特的管网结构和工作参数，因此，首先运用数值模拟技术推导出适合所有站场的参数算法。在实际运用中，把站内管道的阀门抽象为控制节点，根据这些节点的开关，将管网分割为若干个气体连通体，每个连通体都拥有相对独立的压力系统，计算机会根据特定算法计算这些连通体的压力分布，然后将各个连通体根据不同站场的管线拓扑结构关联在一起，从而达到模拟真实井站中气体压力分布的目的。

完成了数值模拟之后，还需要对虚拟场景中增加火灾、爆炸等一系列特效以模拟紧急状态时的环境变化。添加人机交互脚本，允许操作人员在虚拟场景中自由移动、操作设备以及倒换流程，进而在虚拟场景中排除险情。

在应用了交互技术以及数值模拟技术后进行虚拟应急演练，可以摆脱场地的制约，不影响井站的正常生产，且保障了演练人员的安全性。此外，在虚拟场景中可以更加真实的模拟火焰、烟雾等逼真的特效，在常规的应急演练模式中难以实现这些效果。

（三）气田数字化生产辅助

目前，集气站都采用了安装有SCADA系统（数据采集与监视控制系统），通过光缆接人网络，使其具备数据自动采集、自动回传、统一入库的硬件条件。物理信号通过PLC远程传感器的转换，将电信号传送到各站的工控机，工控机将电信号转换为数值后通过网络将数据写入实时数据库，模拟交互系统读取数据库，并实时投射在虚拟场景中，反应在虚拟场景中的设备中。

管理人员可以通过投射于虚拟场景的各项参数判断各个站场的工作状态，直观了解具体参数在实际站内的精确位置。系统的相关算法可根据以往生产大数据进行判断参数的异常情况，并根据数字模型的拓扑结构辅助判断发生故障的位置和可能原因，可提高管理人员对故障处置的准确性和及时性。

四、结语

虚拟交互技术应用于气田开发，可显著提高员工的工作效率和处理紧急情况的能力，有效保障生产安全，可快速对生产数据处理及分析，且开发成本和应用成本低，运维方便，对新建站场可拓展性较强，应用前景广阔。