储罐机械清罐作业虚拟仿真培训系统的研究与应用

宋宇

大庆油田有限责任公司储运销售分公司

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是综合利用三维图形技术、多媒体技术、图形交互、网络编程等技术于一体，为用户搭建虚拟交互世界的一个科学技术领域，已经广泛应用于影视娱乐、教育、设计、医学、军事、航天等众多领域[1-2]。

原油储罐是原油库用于储存液体原油的主要设备。储罐机械清洗作业具有一定的危险性，属高危作业，对操作人员的技术能力、综合素质要求极高，人员必须经过严格培训、考核合格方可上岗作业[3-4]。随着近十年储罐机械清洗市场的扩大，员工的有效培训考核成为制约机械清罐业务不断扩大的重要因素。传统培训方式采用课堂讲授法，以集中授课形式进行。一方面，培训周期长，占据大量生产时间，员工碎片化时间没有得以利用；另一方面，因培训和考核场地受限，实现全员覆盖受训需经过几轮，耗费大量人力和物力[5-6]。而且培训方式过程枯燥，缺少直观形象的认识，实践机会少。特别是对现场突发问题的应急处置培训及模拟考核难度大，培训效果不理想。为此，利用虚拟仿真技术开发出一套仿真培训系统，可支持多平台离线使用，对于快速提高员工的操作技能，保障机械清罐业务拓展具有重要意义。

1 系统总体设计

1.1 需求分析

通过对机械清罐作业操作需求及培训需求相关资料进行搜集，建立知识准确、考核公平、程序处置规范的仿真培训系统。系统主要功能需求是基于三维仿真技术创建模拟真实原油库清罐作业场景，利用编程技术实现清罐作业程序化操作、避免危险事故的同时提高员工培训效果。系统主要使用环境包括电脑端和安卓系统移动端，采用C/S（客户机和服务器结构）架构进行系统开发，具有方便信息的传输、查询和发布功能。

1.2 技术架构

系统采用Unity 3D（三维集成开发引擎）集成开发引擎进行开发，使用3ds Max（基于PC系统的三维动画渲染和制作软件）软件制作仿真模型、选用C#语言编写后台脚本代码。系统结构图如图1所示。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

1.3 功能

系统功能主要包括岗位标准化操作虚拟仿真培训、应急处置的虚拟仿真培训、理论知识培训、作业流程视频展示、虚拟仿真考核、系统设置与管理等（图2）。

图2 系统功能模块Fig.2 System function module

2 三维模型构建

2.1 核心技术

获取并分析机械清罐作业过程三维建模数据资料，包括设施设备图纸（或照片或视频）的采集、整理、绘制、实地场景测量等，整理相关资料，分析机械清罐清洗作业过程，编制操作过程仿真脚本，为三维模型构建提供基础。

Unity3D 基于3ds MAX 的建模结果，结合纹理映射、特效、光照及阴影等多种技术，使模型更逼真、资源消耗更少、场景运行更流畅[7-9]。针对复杂三维模型使用纹理映射技术增加模型的细节水平及景物的真实感，如各种设施设备的外观、虚拟角色的皮肤、衣服等采用纹理映射技术实现[10]。利用Shader（着争工具）制作出的纹理效果更为良好、物体材质属性更为真实，应用于场景模型中，减少环境模型的多边形数目，提高图形显示的刷新频率；利用光照及阴影技术提高不同材质的显示效果。

在模拟流体运动、着火、爆炸等现象时，根据实际情况结合纹理切换技术和粒子系统生成技术，使得特效效果逼真。系统中的烟、火、液体等效果，利用粒子系统模拟算法来实现。

2.2 一般物体

利用三维几何体建模方法、放样建模方法、变形工具建模方法及多边形建模方法构建相关物体。利用二维图形建模、三维几何体建模、布尔建模、放样建模、变形工具建模、多边形建模方法及Nurbs（曲面建模）方法构建机械清罐作业设备所包含的装置，如移送装置、清洗装置、清洗机、气体浓度检测装置、氮气浓度注入装置、油水分离装置、总配电盘及总电源开关等。并采用漫反射贴图、纹理贴图、UVW（物体贴图坐标）等方式为物体设置材质，设置光照，充分保证模型的真实性。

2.3 人物角色

通过计算机三维图形技术与二维设计相结合来完成人物角色模型创建的过程。主要涵盖人物角色的创建、材质贴图以及动作制作。人物角色的创建实际就是以真实人物的体态特征转化为计算机图形化表达的过程。人物角色的三维建模及动作制作，通过关键帧动画的方式实现人物走、站立、爬梯子、转身、打电话、围挡、灭火、爬人孔、心肺复苏、触电救援、高空坠落、夹伤和手打开阀门、关闭阀门、摁按钮、握工具、正拧螺丝、反拧螺丝等一系列动作。构建的虚拟环境让使用者觉得真实，依靠的就是角色建模技术。角色建模在后期整个培训系统的设计开发过程中占有很大的比重，主要使用多边形建模的方式进行构建。角色建模的过程是由整体到局部、由简单到复杂，依次完善角色模型，最终用所建模型搭建出虚拟场景。

2.4 其他设施环境及动画建模

一般采用设置关键帧的方法来进行物体动画制作，包括手动设置关键帧及自动设置关键帧。手动设置关键帧：选中要移动的物体，设置关键帧，点击钥匙按钮，时间轴的初始位置上会记录下物体该时刻的位置。拖动时间轴，将物体移动到下一个位置，可以进行移动，旋转和缩放操作，再通过钥匙按钮，时间轴就记录了此时刻物体的形态，再往前拖动时间轴，会发现物体在运动。自动设置关键帧：一般用于物体运动之间轨迹比较简单的情况，点击自动关键帧以后，此时对物体做的任何变换，系统都会自动在该时间点生成关键帧。将时间轴拖到动作结尾的时间点，对物体进行变换操作，系统将关键帧插入，动画已经被记录。

采用这种方法，可完成设施及环境的三维建模，包括管线、车辆、工具、地面和树木环境等若干设施。可完成的物体动画包括：设备启动、设备运转、阀门转动、工具正反向旋转、表指针运动、清洗机转动、报警灯闪烁、液体流动、烟雾、着火、灭火、爆炸等相关动画。

3 系统实现功能

3.1 虚拟仿真培训

3.1.1 岗位标准化操作

运用虚拟仿真技术实现设备设施标准化操作仿真培训，员工可以在电脑端，通过鼠标、键盘在三维场景中进行操作，还可以在移动端通过触屏拖拽方式对虚拟场景中的设备或设施进行交互操作，使员工在培训过程中熟练掌握正确的操作步骤，明确错误操作所造成的后果，使安全知识和操作训练过程更加生动、逼真、易于接受。现场操作及应用效果如图3 至图5。系统培训不受网络限制，可以离线随时随地操作。实现作业过程操作的三维数字化、标准化和流程化，使得系统操作简单，增加员工学习的趣味性，避免员工对枯燥学习内容的抵触情绪，可取得更好的学习效果。

图3 真实标准化操作培训视频Fig.3 Real standardized operation training video

图4 虚拟标准化操作仿真Fig.4 Simulation of virtual standardization operation

图5 移动式仿真培训应用界面及现场应用Fig.5 Mobile simulation training application interface and field application

3.1.2 应急处置

通过电脑端和移动端进行应急处置仿真培训，在虚拟场景中完成应急处置操作，如发生原油泄漏事故、储罐爆炸、人员窒息等。仿真处置可以避免员工因在生产现场实际操作失误而造成的人身、设备重大安全隐患。

3.1.3 理论知识培训

可以随机抽取理论试题练习，不限时间，不限次数。利用业余时间练习，留有痕迹，对错误试题可以反复练习，直到熟练掌握。

3.1.4 设备设施三维动画展示

系统中包含清罐场景漫游相关模块，可以三维立体、全角度展示设备设施，使用人员可以俯视整个场景效果，通过键盘操作漫游整个仿真作业场景，并用鼠标查看具体设备的相应名称，使员工清晰掌握设备构造，了解设备运行方式。

3.1.5 作业流程视频展示

真实场景作业流程视频展示，使员工更具体了解作业流程，随时随地进行观看，熟练掌握施工流程。

3.2 虚拟仿真考核功能

仿真考核包括PC 机版仿真考核和移动版仿真考核。可以形成三维演练操作试题、电子试卷两种考核方式。三维演练试题考核过程是员工边进行操作边记录考核，错误操作直接终止考核（图6）。由系统自动出题、阅卷、评分，减少人为因素，简化组织程序，管理难度小，降低管理人员工作复杂度和强度，使考核工作简洁化、便捷化，考核结果更客观地反映出学员技能掌握的水平。基于虚拟仿真技术搭建的机械清罐作业过程仿真培训考核系统可实现全员参加，任何时间、任何地点考核，可多终端在线或离线学习考核。离线状态下的最终成绩可保存，再集中传输到数据库。

图6 油移送作业仿真考核界面图Fig.6 Interface of oil transfer operation simulation assessment

3.3 设置与管理

该系统可实现系统后台管理，包括文档资料管理、用户信息管理、登录管理、密码管理。试卷管理，包括科目、电子试题、组卷的管理和员工考核成绩信息的存储、查询与统计管理。统计可实现按人员统计、按单位统计、按岗位统计多种统计形式功能；网页维护管理具体包括通知公告显示管理、新闻显示管理、图片管理、建议征集、主页菜单设置、主页菜单显示等功能。

4 结束语

虚拟仿真技术在机械清罐作业培训中主要通过鼠标、键盘及触屏方式对虚拟场景中的设备或设施进行交互操作。每一步仿真训练操作都会收到相应的正误反馈，可以增强知识学习的关联性记忆，使员工的培训学习过程更加生动、有效。系统既能有效地提升培训效果，缩短培训时间，降低培训费用，又能避免培训过程中再生的安全事故。同时，运用该技术实现的培训系统支持PC 平台和移动平台的跨平台特性，野外清罐作业时，员工可在离线状态下或闲暇时间进行培训和考核，有效降低集中式培训的时间成本和人力、物力消耗。该系统可实现员工操作技术标准化、操作培训考核一体化、安全教育培训考核综合化，满足清罐危险岗位的培训及考核要求。

目前该虚拟仿真培训平台已经在机械清罐作业培训中应用5年，实现了由传统培训考核到信息化培训的转变，通过岗前测试和员工碎片化时间自我学习等新型培训学习方式，使岗位员工在上岗操作前进行全面风险因素识别、熟练掌握标准化操作和应急处置技能，显著提升了培训效果，可进一步推动机械清罐作业实现本质安全。该平台应用效果良好，可拓展到油田各高危作业中，进行员工培训考核应用。虚拟仿真技术运用在未来实现数字化油田管理中也将是一种趋势，具有重要的推广价值和应用前景。