儲罐機(jī)械清罐作業(yè)虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

宋宇

大慶油田有限責(zé)任公司儲運(yùn)銷售分公司

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）是綜合利用三維圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖形交互、網(wǎng)絡(luò)編程等技術(shù)于一體，為用戶搭建虛擬交互世界的一個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于影視娛樂、教育、設(shè)計、醫(yī)學(xué)、軍事、航天等眾多領(lǐng)域[1-2]。

原油儲罐是原油庫用于儲存液體原油的主要設(shè)備。儲罐機(jī)械清洗作業(yè)具有一定的危險性，屬高危作業(yè)，對操作人員的技術(shù)能力、綜合素質(zhì)要求極高，人員必須經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)、考核合格方可上崗作業(yè)[3-4]。隨著近十年儲罐機(jī)械清洗市場的擴(kuò)大，員工的有效培訓(xùn)考核成為制約機(jī)械清罐業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)大的重要因素。傳統(tǒng)培訓(xùn)方式采用課堂講授法，以集中授課形式進(jìn)行。一方面，培訓(xùn)周期長，占據(jù)大量生產(chǎn)時間，員工碎片化時間沒有得以利用；另一方面，因培訓(xùn)和考核場地受限，實現(xiàn)全員覆蓋受訓(xùn)需經(jīng)過幾輪，耗費大量人力和物力[5-6]。而且培訓(xùn)方式過程枯燥，缺少直觀形象的認(rèn)識，實踐機(jī)會少。特別是對現(xiàn)場突發(fā)問題的應(yīng)急處置培訓(xùn)及模擬考核難度大，培訓(xùn)效果不理想。為此，利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)出一套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可支持多平臺離線使用，對于快速提高員工的操作技能，保障機(jī)械清罐業(yè)務(wù)拓展具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 需求分析

通過對機(jī)械清罐作業(yè)操作需求及培訓(xùn)需求相關(guān)資料進(jìn)行搜集，建立知識準(zhǔn)確、考核公平、程序處置規(guī)范的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能需求是基于三維仿真技術(shù)創(chuàng)建模擬真實原油庫清罐作業(yè)場景，利用編程技術(shù)實現(xiàn)清罐作業(yè)程序化操作、避免危險事故的同時提高員工培訓(xùn)效果。系統(tǒng)主要使用環(huán)境包括電腦端和安卓系統(tǒng)移動端，采用C/S（客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)）架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，具有方便信息的傳輸、查詢和發(fā)布功能。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用Unity 3D（三維集成開發(fā)引擎）集成開發(fā)引擎進(jìn)行開發(fā)，使用3ds Max（基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件）軟件制作仿真模型、選用C#語言編寫后臺腳本代碼。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

1.3 功能

系統(tǒng)功能主要包括崗位標(biāo)準(zhǔn)化操作虛擬仿真培訓(xùn)、應(yīng)急處置的虛擬仿真培訓(xùn)、理論知識培訓(xùn)、作業(yè)流程視頻展示、虛擬仿真考核、系統(tǒng)設(shè)置與管理等（圖2）。

圖2 系統(tǒng)功能模塊Fig.2 System function module

2 三維模型構(gòu)建

2.1 核心技術(shù)

獲取并分析機(jī)械清罐作業(yè)過程三維建模數(shù)據(jù)資料，包括設(shè)施設(shè)備圖紙（或照片或視頻）的采集、整理、繪制、實地場景測量等，整理相關(guān)資料，分析機(jī)械清罐清洗作業(yè)過程，編制操作過程仿真腳本，為三維模型構(gòu)建提供基礎(chǔ)。

Unity3D 基于3ds MAX 的建模結(jié)果，結(jié)合紋理映射、特效、光照及陰影等多種技術(shù)，使模型更逼真、資源消耗更少、場景運(yùn)行更流暢[7-9]。針對復(fù)雜三維模型使用紋理映射技術(shù)增加模型的細(xì)節(jié)水平及景物的真實感，如各種設(shè)施設(shè)備的外觀、虛擬角色的皮膚、衣服等采用紋理映射技術(shù)實現(xiàn)[10]。利用Shader（著爭工具）制作出的紋理效果更為良好、物體材質(zhì)屬性更為真實，應(yīng)用于場景模型中，減少環(huán)境模型的多邊形數(shù)目，提高圖形顯示的刷新頻率；利用光照及陰影技術(shù)提高不同材質(zhì)的顯示效果。

在模擬流體運(yùn)動、著火、爆炸等現(xiàn)象時，根據(jù)實際情況結(jié)合紋理切換技術(shù)和粒子系統(tǒng)生成技術(shù)，使得特效效果逼真。系統(tǒng)中的煙、火、液體等效果，利用粒子系統(tǒng)模擬算法來實現(xiàn)。

2.2 一般物體

利用三維幾何體建模方法、放樣建模方法、變形工具建模方法及多邊形建模方法構(gòu)建相關(guān)物體。利用二維圖形建模、三維幾何體建模、布爾建模、放樣建模、變形工具建模、多邊形建模方法及Nurbs（曲面建模）方法構(gòu)建機(jī)械清罐作業(yè)設(shè)備所包含的裝置，如移送裝置、清洗裝置、清洗機(jī)、氣體濃度檢測裝置、氮氣濃度注入裝置、油水分離裝置、總配電盤及總電源開關(guān)等。并采用漫反射貼圖、紋理貼圖、UVW（物體貼圖坐標(biāo)）等方式為物體設(shè)置材質(zhì)，設(shè)置光照，充分保證模型的真實性。

2.3 人物角色

通過計算機(jī)三維圖形技術(shù)與二維設(shè)計相結(jié)合來完成人物角色模型創(chuàng)建的過程。主要涵蓋人物角色的創(chuàng)建、材質(zhì)貼圖以及動作制作。人物角色的創(chuàng)建實際就是以真實人物的體態(tài)特征轉(zhuǎn)化為計算機(jī)圖形化表達(dá)的過程。人物角色的三維建模及動作制作，通過關(guān)鍵幀動畫的方式實現(xiàn)人物走、站立、爬梯子、轉(zhuǎn)身、打電話、圍擋、滅火、爬人孔、心肺復(fù)蘇、觸電救援、高空墜落、夾傷和手打開閥門、關(guān)閉閥門、摁按鈕、握工具、正擰螺絲、反擰螺絲等一系列動作。構(gòu)建的虛擬環(huán)境讓使用者覺得真實，依靠的就是角色建模技術(shù)。角色建模在后期整個培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中占有很大的比重，主要使用多邊形建模的方式進(jìn)行構(gòu)建。角色建模的過程是由整體到局部、由簡單到復(fù)雜，依次完善角色模型，最終用所建模型搭建出虛擬場景。

2.4 其他設(shè)施環(huán)境及動畫建模

一般采用設(shè)置關(guān)鍵幀的方法來進(jìn)行物體動畫制作，包括手動設(shè)置關(guān)鍵幀及自動設(shè)置關(guān)鍵幀。手動設(shè)置關(guān)鍵幀：選中要移動的物體，設(shè)置關(guān)鍵幀，點擊鑰匙按鈕，時間軸的初始位置上會記錄下物體該時刻的位置。拖動時間軸，將物體移動到下一個位置，可以進(jìn)行移動，旋轉(zhuǎn)和縮放操作，再通過鑰匙按鈕，時間軸就記錄了此時刻物體的形態(tài)，再往前拖動時間軸，會發(fā)現(xiàn)物體在運(yùn)動。自動設(shè)置關(guān)鍵幀：一般用于物體運(yùn)動之間軌跡比較簡單的情況，點擊自動關(guān)鍵幀以后，此時對物體做的任何變換，系統(tǒng)都會自動在該時間點生成關(guān)鍵幀。將時間軸拖到動作結(jié)尾的時間點，對物體進(jìn)行變換操作，系統(tǒng)將關(guān)鍵幀插入，動畫已經(jīng)被記錄。

采用這種方法，可完成設(shè)施及環(huán)境的三維建模，包括管線、車輛、工具、地面和樹木環(huán)境等若干設(shè)施。可完成的物體動畫包括：設(shè)備啟動、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、閥門轉(zhuǎn)動、工具正反向旋轉(zhuǎn)、表指針運(yùn)動、清洗機(jī)轉(zhuǎn)動、報警燈閃爍、液體流動、煙霧、著火、滅火、爆炸等相關(guān)動畫。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

3.1 虛擬仿真培訓(xùn)

3.1.1 崗位標(biāo)準(zhǔn)化操作

運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化操作仿真培訓(xùn)，員工可以在電腦端，通過鼠標(biāo)、鍵盤在三維場景中進(jìn)行操作，還可以在移動端通過觸屏拖拽方式對虛擬場景中的設(shè)備或設(shè)施進(jìn)行交互操作，使員工在培訓(xùn)過程中熟練掌握正確的操作步驟，明確錯誤操作所造成的后果，使安全知識和操作訓(xùn)練過程更加生動、逼真、易于接受?，F(xiàn)場操作及應(yīng)用效果如圖3 至圖5。系統(tǒng)培訓(xùn)不受網(wǎng)絡(luò)限制，可以離線隨時隨地操作。實現(xiàn)作業(yè)過程操作的三維數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和流程化，使得系統(tǒng)操作簡單，增加員工學(xué)習(xí)的趣味性，避免員工對枯燥學(xué)習(xí)內(nèi)容的抵觸情緒，可取得更好的學(xué)習(xí)效果。

圖3 真實標(biāo)準(zhǔn)化操作培訓(xùn)視頻Fig.3 Real standardized operation training video

圖4 虛擬標(biāo)準(zhǔn)化操作仿真Fig.4 Simulation of virtual standardization operation

圖5 移動式仿真培訓(xùn)應(yīng)用界面及現(xiàn)場應(yīng)用Fig.5 Mobile simulation training application interface and field application

3.1.2 應(yīng)急處置

通過電腦端和移動端進(jìn)行應(yīng)急處置仿真培訓(xùn)，在虛擬場景中完成應(yīng)急處置操作，如發(fā)生原油泄漏事故、儲罐爆炸、人員窒息等。仿真處置可以避免員工因在生產(chǎn)現(xiàn)場實際操作失誤而造成的人身、設(shè)備重大安全隱患。

3.1.3 理論知識培訓(xùn)

可以隨機(jī)抽取理論試題練習(xí)，不限時間，不限次數(shù)。利用業(yè)余時間練習(xí)，留有痕跡，對錯誤試題可以反復(fù)練習(xí)，直到熟練掌握。

3.1.4 設(shè)備設(shè)施三維動畫展示

系統(tǒng)中包含清罐場景漫游相關(guān)模塊，可以三維立體、全角度展示設(shè)備設(shè)施，使用人員可以俯視整個場景效果，通過鍵盤操作漫游整個仿真作業(yè)場景，并用鼠標(biāo)查看具體設(shè)備的相應(yīng)名稱，使員工清晰掌握設(shè)備構(gòu)造，了解設(shè)備運(yùn)行方式。

3.1.5 作業(yè)流程視頻展示

真實場景作業(yè)流程視頻展示，使員工更具體了解作業(yè)流程，隨時隨地進(jìn)行觀看，熟練掌握施工流程。

3.2 虛擬仿真考核功能

仿真考核包括PC 機(jī)版仿真考核和移動版仿真考核?？梢孕纬扇S演練操作試題、電子試卷兩種考核方式。三維演練試題考核過程是員工邊進(jìn)行操作邊記錄考核，錯誤操作直接終止考核（圖6）。由系統(tǒng)自動出題、閱卷、評分，減少人為因素，簡化組織程序，管理難度小，降低管理人員工作復(fù)雜度和強(qiáng)度，使考核工作簡潔化、便捷化，考核結(jié)果更客觀地反映出學(xué)員技能掌握的水平?；谔摂M仿真技術(shù)搭建的機(jī)械清罐作業(yè)過程仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)可實現(xiàn)全員參加，任何時間、任何地點考核，可多終端在線或離線學(xué)習(xí)考核。離線狀態(tài)下的最終成績可保存，再集中傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。

圖6 油移送作業(yè)仿真考核界面圖Fig.6 Interface of oil transfer operation simulation assessment

3.3 設(shè)置與管理

該系統(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)后臺管理，包括文檔資料管理、用戶信息管理、登錄管理、密碼管理。試卷管理，包括科目、電子試題、組卷的管理和員工考核成績信息的存儲、查詢與統(tǒng)計管理。統(tǒng)計可實現(xiàn)按人員統(tǒng)計、按單位統(tǒng)計、按崗位統(tǒng)計多種統(tǒng)計形式功能；網(wǎng)頁維護(hù)管理具體包括通知公告顯示管理、新聞顯示管理、圖片管理、建議征集、主頁菜單設(shè)置、主頁菜單顯示等功能。

4 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械清罐作業(yè)培訓(xùn)中主要通過鼠標(biāo)、鍵盤及觸屏方式對虛擬場景中的設(shè)備或設(shè)施進(jìn)行交互操作。每一步仿真訓(xùn)練操作都會收到相應(yīng)的正誤反饋，可以增強(qiáng)知識學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)性記憶，使員工的培訓(xùn)學(xué)習(xí)過程更加生動、有效。系統(tǒng)既能有效地提升培訓(xùn)效果，縮短培訓(xùn)時間，降低培訓(xùn)費用，又能避免培訓(xùn)過程中再生的安全事故。同時，運(yùn)用該技術(shù)實現(xiàn)的培訓(xùn)系統(tǒng)支持PC 平臺和移動平臺的跨平臺特性，野外清罐作業(yè)時，員工可在離線狀態(tài)下或閑暇時間進(jìn)行培訓(xùn)和考核，有效降低集中式培訓(xùn)的時間成本和人力、物力消耗。該系統(tǒng)可實現(xiàn)員工操作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、操作培訓(xùn)考核一體化、安全教育培訓(xùn)考核綜合化，滿足清罐危險崗位的培訓(xùn)及考核要求。

目前該虛擬仿真培訓(xùn)平臺已經(jīng)在機(jī)械清罐作業(yè)培訓(xùn)中應(yīng)用5年，實現(xiàn)了由傳統(tǒng)培訓(xùn)考核到信息化培訓(xùn)的轉(zhuǎn)變，通過崗前測試和員工碎片化時間自我學(xué)習(xí)等新型培訓(xùn)學(xué)習(xí)方式，使崗位員工在上崗操作前進(jìn)行全面風(fēng)險因素識別、熟練掌握標(biāo)準(zhǔn)化操作和應(yīng)急處置技能，顯著提升了培訓(xùn)效果，可進(jìn)一步推動機(jī)械清罐作業(yè)實現(xiàn)本質(zhì)安全。該平臺應(yīng)用效果良好，可拓展到油田各高危作業(yè)中，進(jìn)行員工培訓(xùn)考核應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用在未來實現(xiàn)數(shù)字化油田管理中也將是一種趨勢，具有重要的推廣價值和應(yīng)用前景。