《電子技術(shù)應(yīng)用》
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關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在油田培訓(xùn)中的應(yīng)用探討
摘要: 尤其對(duì)于危險(xiǎn)作業(yè)或不具備實(shí)驗(yàn)條件的高級(jí)培訓(xùn),傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更是難以實(shí)現(xiàn),。傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限性制約了人們所期望的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率,,滿足不了現(xiàn)代社會(huì)的需求。
Abstract:
Key words :

1.引 言

  我國(guó)石油行業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況等密不可分,,充滿著危機(jī)和挑戰(zhàn),。對(duì)于員工的能力和安全意識(shí)要求很高,傳統(tǒng)的進(jìn)場(chǎng)培訓(xùn)有一定的局限性,,例如:職業(yè)培訓(xùn)效果是否良好主要依賴于教師的水平,,培訓(xùn)過(guò)程沒(méi)有明確統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)性差,,沒(méi)有可重用性等,??梢?jiàn)傳統(tǒng)的培訓(xùn)技術(shù)不但受時(shí)間,、空間的限制,,而且在人力、資源,、經(jīng)費(fèi),、組織實(shí)施等方面都存在很大問(wèn)題。尤其對(duì)于危險(xiǎn)作業(yè)或不具備實(shí)驗(yàn)條件的高級(jí)培訓(xùn),,傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更是難以實(shí)現(xiàn),。傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限性制約了人們所期望的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率,滿足不了現(xiàn)代社會(huì)的需求,。

  鉆井模擬器采用虛擬制造技術(shù)的概念,,開(kāi)發(fā)過(guò)程基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù),、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并結(jié)合了鉆井工程的實(shí)際工藝,,改變了原有的鉆井培訓(xùn)方法,。它為用戶提供了起下鉆、鉆進(jìn),、井控和鉆井事故及復(fù)雜情況處理等作業(yè)的操作過(guò)程模擬,,主要用于鉆井司鉆、鉆井技術(shù)人員的操作培訓(xùn)和安全培訓(xùn),,并為學(xué)員培訓(xùn)考核提供了教師評(píng)分系統(tǒng),,解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)過(guò)程中客觀上無(wú)法解決的技術(shù)難題。作為新型的針對(duì)油田具體情況開(kāi)發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng),,鉆井模擬器有著積極的意義,。

  2.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬培訓(xùn)

  該設(shè)備是以控制為中心的VM設(shè)備,主要用于鉆井人才的培訓(xùn),。這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) ,,真實(shí)生動(dòng)的模擬了鉆井工藝流程的細(xì)節(jié)。學(xué)員能夠通過(guò)對(duì)仿真鉆機(jī)設(shè)備的操作,,直接觀察到鉆井平臺(tái)上的活動(dòng)以及操作結(jié)果,,最終達(dá)到讓培訓(xùn)人員掌握正確操作過(guò)程的效果。虛擬培訓(xùn)有以下特征:

  2.1 仿真性

  在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下,,虛擬培訓(xùn)設(shè)施與真正的培訓(xùn)設(shè)施功能相同,,操作方法也一樣,學(xué)員通過(guò)虛擬培訓(xùn)設(shè)施訓(xùn)練技能與現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)基地里同樣方便,。這是因?yàn)樘摂M培訓(xùn)環(huán)境無(wú)論是現(xiàn)實(shí)的環(huán)境還是構(gòu)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(yīng)該達(dá)到使受訓(xùn)者難以分辨真假的程度。

  2.2 開(kāi)放性

  虛擬培訓(xùn)環(huán)境可以為所有受訓(xùn)者在任何時(shí)間,、地點(diǎn)提供各種培訓(xùn)的場(chǎng)所,。實(shí)際上,虛擬培訓(xùn)環(huán)境的內(nèi)涵是廣泛的,,它不同于傳統(tǒng)的培訓(xùn)基地概念,,它具備可以進(jìn)行類似于傳統(tǒng)培訓(xùn)項(xiàng)目的環(huán)境,但更擅長(zhǎng)的是使學(xué)員置身于培訓(xùn)項(xiàng)目對(duì)象中的逼真環(huán)境,。凡是受訓(xùn)者可以通過(guò)有關(guān)器具操作,,來(lái)學(xué)習(xí)或訓(xùn)練某種技能的虛擬環(huán)境,并都?xì)w之于虛擬培訓(xùn)環(huán)境,。

  2.3 超時(shí)空性

  虛擬培訓(xùn)環(huán)境具有超時(shí)空的特點(diǎn),,它能夠?qū)⑦^(guò)去世界、現(xiàn)在世界,、未來(lái)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(dú)呈現(xiàn)或進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,并可隨時(shí)隨地提供給學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn),。

  2.4 可操作性

  受訓(xùn)者可通過(guò)使用專門設(shè)備,,用人類的自然技能實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的物體進(jìn)行操作,就像在現(xiàn)實(shí)世界中一樣,。

  2.5 對(duì)應(yīng)性

  學(xué)員的培訓(xùn)內(nèi)容與虛擬環(huán)境是密切對(duì)應(yīng)的,。例如,學(xué)員要學(xué)習(xí)飛行器駕駛技術(shù),,那么虛擬環(huán)境就是飛行器飛行的模擬環(huán)境,。對(duì)應(yīng)性將能為受訓(xùn)者設(shè)定各種復(fù)雜的情況,以提高受訓(xùn)者的應(yīng)變能力,,從而使得他們?cè)趯?shí)際環(huán)境下能得心應(yīng)手的處理各種情況,。另外,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能按每個(gè)學(xué)員的基礎(chǔ)和能力,,對(duì)應(yīng)性的開(kāi)展個(gè)性化的教育培訓(xùn),。

 3.鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

  計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景計(jì)算機(jī)顯示的科學(xué),也是利用計(jì)算機(jī)處理人類所能看見(jiàn)的圖景的手段和方法,。視景仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為理論基礎(chǔ)的三維模型動(dòng)態(tài)顯示技術(shù),,基本原理是:根據(jù)觀察點(diǎn)及觀察方向?qū)?chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和實(shí)現(xiàn),并做到對(duì)三維復(fù)雜環(huán)境中物體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)交互控制,產(chǎn)生良好的動(dòng)畫效果,。實(shí)現(xiàn)三維模型視景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示,,一方面要求計(jì)算機(jī)硬件有高速運(yùn)算能力和很強(qiáng)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(tái)上取得更好的實(shí)時(shí)動(dòng)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(gè)三維的真實(shí)感視覺(jué)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(xùn)過(guò)程中需要模擬井場(chǎng)環(huán)境和操作結(jié)果,,這就需要視景仿真系統(tǒng)根據(jù)鉆井模擬器司鉆控制臺(tái)的操作過(guò)程,實(shí)時(shí)模擬出井場(chǎng)環(huán)境的變化和司鉆,、井控操作對(duì)鉆井過(guò)程的影響。在現(xiàn)實(shí)的司鉆和井控過(guò)程中,,操作錯(cuò)誤和地質(zhì)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(guò)程和事故排除的情況。實(shí)時(shí)地顯示鉆井過(guò)程中的數(shù)據(jù),,計(jì)算參數(shù),。根據(jù)司鉆臺(tái)操作的具體行為,依照物理模型和數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,,使得鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的三維動(dòng)畫過(guò)程更貼近現(xiàn)實(shí),。

  鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)需要對(duì)井場(chǎng)設(shè)備、自然環(huán)境,、井下情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬,,使培訓(xùn)者在培訓(xùn)過(guò)程中除了學(xué)習(xí)操作知識(shí) ,還能更有效,、直觀的學(xué)習(xí)到理論知識(shí),。硬件設(shè)施和三維圖形軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了虛擬模擬系統(tǒng) ,培訓(xùn)人員能夠通過(guò)這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備完成所有鉆井工作人員所需要的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際操作技術(shù),。

  3.2 實(shí)時(shí)場(chǎng)景系統(tǒng)組成

  根據(jù)鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的需要,,開(kāi)發(fā)過(guò)程在Windows xP平臺(tái)上,建模部分使用3D MAX完成機(jī)械部件的模擬,,模型的管理由3D Explorer~成,,并實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換導(dǎo)出。程序?qū)δP偷目刂朴蒀++Builder6.0實(shí)現(xiàn),,整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程基于OpenGL2.0,。

  鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景組成包括以下幾個(gè)部分:三維圖形實(shí)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(gè)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(chǎng)景初始化,、工藝動(dòng)畫控制,、與主控機(jī)通信、參數(shù)顯示,、碰撞處理以及特效渲染,。

  場(chǎng)景初始化:由于鉆井工藝的復(fù)雜性和虛擬培訓(xùn)的操作性,每個(gè)作業(yè)當(dāng)前場(chǎng)景都有所不同,。在一個(gè)新的作業(yè)開(kāi)始前,,圖形程序在接收到控制機(jī)發(fā)出的作業(yè)指令后初始化當(dāng)前場(chǎng)景,例如:鉆井平臺(tái)上各操作部件當(dāng)前的數(shù)量,、狀態(tài)以及位置,。

  工藝動(dòng)畫控制:在完成規(guī)定工藝作業(yè)的過(guò)程中,司鉆控制臺(tái)做出的每一個(gè)動(dòng)作都將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給主控機(jī),,再由主控機(jī)發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)給圖形程序,,圖形程序得到參數(shù)后,做出具體反映,。在圖形機(jī)上體現(xiàn)出鉆臺(tái)上各種控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),、具體動(dòng)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(jī)通信及參數(shù)顯示:主控機(jī)的設(shè)計(jì)主要由鉆井模擬器設(shè)計(jì)的需求決定,,由于這套儀器主要用于虛擬培訓(xùn) ,教師和學(xué)生之間有教與學(xué)的關(guān)系,,主控機(jī)能夠提供給教師一個(gè)教育平臺(tái),,提供作業(yè)調(diào)度、控制,、評(píng)分等功能,,與此同時(shí),傳遞司鉆控制臺(tái)上發(fā)來(lái)的各項(xiàng)數(shù)據(jù),,并把與操作有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)給圖形機(jī),,即鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng),兩方通信,,傳遞參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,,在屏幕上顯示操作過(guò)程中需要操作者了解的參數(shù)值。

 碰撞處理:在三維圖形的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中是不允許有“穿墻而過(guò)”的狀況發(fā)生的,,因此要對(duì)運(yùn)動(dòng)物體作碰撞檢測(cè)的處理,。為了遵循模型運(yùn)動(dòng)的真實(shí)感,鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)當(dāng)然也包括碰撞的檢測(cè)與處理部分。

  渲染特效:實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰 ,、氣泡 ,、液體噴涌效果的模擬,使用GLSL實(shí)現(xiàn)電影級(jí)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(shí)感,。

3.3 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  一個(gè)性能優(yōu)越、功能完備的系統(tǒng)需要在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)劃,。這樣,,在后期的開(kāi)發(fā)過(guò)程中才能完成高質(zhì)量的軟件項(xiàng)目。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循面向?qū)ο?/a>的原則,,在系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、可擴(kuò)展性和兼容性等方面都有突出的表現(xiàn)。

  3.4  系統(tǒng)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)目標(biāo)

  鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)要求有以下特點(diǎn):

  1)可以生成高質(zhì)量的圖形,,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的可控動(dòng)畫。

  2)圖形的生成快速穩(wěn)定,,對(duì)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖形動(dòng)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(cè),,在操作過(guò)程中既能觀察整個(gè)場(chǎng)面,又能集中觀察工藝作業(yè)下重要部件的工作過(guò)程,。

  4)建立模型細(xì)致,、真實(shí) ,宏觀模型和微觀模型通過(guò)軟件和程序分別建模,,真實(shí)感程度高,。

  經(jīng)過(guò)分析鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)特點(diǎn)后,設(shè)定該系統(tǒng)要達(dá)到以下目標(biāo) :

  可擴(kuò)展性:對(duì)于新模型,、新器件,、新工藝的增加,方便快捷,,可以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展,。

  兼容性 :系統(tǒng)可以用于Windows2000/XP平臺(tái),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(yīng)達(dá)到反應(yīng)迅速,、操作靈敏的功效,。

  3.5 基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)

  鉆井模擬器圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于面向?qū)ο蟮模到y(tǒng)規(guī)模較大,,設(shè)計(jì)復(fù)雜,。基于在鉆井工藝中涉及到的物體較多,,并且各個(gè)物體在不同的方面有不同的特性,,因此在設(shè)計(jì)之前,應(yīng)確定設(shè)計(jì)類的準(zhǔn)則,。對(duì)本系統(tǒng)而言 ,,這里關(guān)心的是用物體如何展現(xiàn)工藝流程 ,所有類的設(shè)計(jì)應(yīng)該圍繞物體的動(dòng)畫功能需要來(lái)進(jìn)行,。

  在鉆井各工藝流程中,,大鉤、鉆桿等物體是系統(tǒng)動(dòng)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(jù)圍繞物體的運(yùn)動(dòng)功能來(lái)設(shè)計(jì)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(yè)設(shè)計(jì)成不同的類,,這樣設(shè)計(jì)不僅可以使動(dòng)畫更加逼真,,還能提高系統(tǒng)靈活性。

  4.結(jié)論

  鉆井模擬器對(duì)油田實(shí)現(xiàn)安全,、有效,、高質(zhì)量的培訓(xùn)有著積極的意義。它能夠滿足信息時(shí)代技能培訓(xùn)不斷變化的要求,,是一種高水平,、高效率、低費(fèi)用的新興柔性培訓(xùn)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(shí)的展現(xiàn)了井場(chǎng)的三維環(huán)境和操作流程,對(duì)于整個(gè)虛擬培訓(xùn)過(guò)程有著十分重要 的意義,。本文圍繞對(duì)鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化,,分析了開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù),,解決了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的實(shí)際問(wèn)題。

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