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      基于虛擬現(xiàn)實(shí)的油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2023-09-25 17:13:28苑得鑫李嘉俊李佳萍
      現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2023年14期
      關(guān)鍵詞:油氣井抽油機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)

      苑得鑫,李嘉俊,李佳萍

      (中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工業(yè)訓(xùn)練中心,青島 266580)

      0 引言

      隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源需求的不斷增長(zhǎng),油氣企業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段,然而,油氣井場(chǎng)具有火災(zāi)、爆炸、高壓物料刺漏、機(jī)械傷害、高處墜落、物體打擊、觸電等諸多風(fēng)險(xiǎn),在生產(chǎn)運(yùn)行和檢維修過程中易出現(xiàn)安全事故[1],因此,安全培訓(xùn)十分重要。傳統(tǒng)安全培訓(xùn)的主要形式包括上課和觀看視頻,這種培訓(xùn)形式不僅缺少交流互動(dòng),枯燥乏味,更重要的是不易調(diào)動(dòng)起學(xué)員的積極性,以致很難達(dá)到必要的培訓(xùn)深度,難以使學(xué)員對(duì)井場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)形成深刻認(rèn)識(shí)。

      隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)的發(fā)展,利用其交互性、沉浸感和構(gòu)想性三個(gè)最突出的特征,可以構(gòu)建交互式三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真,為操作者提供視覺、聽覺、觸覺等感官體驗(yàn),使操作者如同身臨其境同三維空間內(nèi)的事物進(jìn)行交互[2-4]。目前,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于礦山、醫(yī)療、電力、交通等領(lǐng)域的教育培訓(xùn),對(duì)學(xué)員掌握操作技能、提升綜合素質(zhì)起到了巨大的輔助和促進(jìn)作用[5]。

      本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)相結(jié)合,通過提煉油氣井場(chǎng)典型的風(fēng)險(xiǎn)隱患,設(shè)計(jì)合理的體驗(yàn)場(chǎng)景和交互情節(jié),利用3dsMax建立模型,并導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine 4 引擎,利用HTC Vive 作為輸出設(shè)備,構(gòu)建油氣井場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)踐表明,該系統(tǒng)對(duì)提高學(xué)員的安全意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力,促進(jìn)學(xué)員安全綜合素質(zhì)提升具有積極作用。

      1 系統(tǒng)開發(fā)流程與功能

      1.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

      油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)既應(yīng)符合一般軟件工程項(xiàng)目的開發(fā)流程,又應(yīng)注重油氣井場(chǎng)安全工程背景,其整體開發(fā)流程如圖1所示,主要分為三個(gè)階段。第一階段為總體策劃,應(yīng)結(jié)合油氣井場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及典型事故案例,對(duì)交互場(chǎng)景和交互情節(jié)進(jìn)行總體設(shè)計(jì);第二階段為模型庫(kù)建立,根據(jù)設(shè)備CAD圖紙及現(xiàn)場(chǎng)照片、視頻等資料,利用3dsMax 進(jìn)行單體設(shè)備的三維建模,設(shè)計(jì)相關(guān)場(chǎng)景的平面圖,將模型文件以FBX 格式導(dǎo)出;第三階段是交互開發(fā),將FBX格式的模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine 4中,進(jìn)行貼圖及燈光的處理,結(jié)合井場(chǎng)布局圖進(jìn)行場(chǎng)景構(gòu)建和碰撞檢測(cè),通過藍(lán)圖可視化編程,根據(jù)設(shè)計(jì)好的交互情節(jié),實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的交互功能,最終完成油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)。

      1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

      油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng)旨在提高進(jìn)入井場(chǎng)作業(yè)人員的安全意識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力以及事故預(yù)防與處置能力,重在直觀體驗(yàn)。綜合考慮事故發(fā)生發(fā)展規(guī)律及學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體功能,如圖2所示。

      在充分辨識(shí)油氣井場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合GB 6441對(duì)于事故類型的劃分,設(shè)定了皮帶夾手、高處作業(yè)、閥門刺漏、人員觸電、旋轉(zhuǎn)擠入、光桿擠手、火災(zāi)及爆炸等八項(xiàng)體驗(yàn)內(nèi)容,結(jié)合實(shí)際事故案例,設(shè)計(jì)合理的交互情節(jié),引導(dǎo)操作者“犯下一個(gè)個(gè)小錯(cuò)誤”,最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。操作者通過HTC Vive 設(shè)備第一視角直觀體驗(yàn)事故帶來的強(qiáng)烈感官刺激和嚴(yán)重后果,隨后站在第三視角上觀看事故回放,對(duì)事故發(fā)生發(fā)展的全過程進(jìn)行復(fù)盤,對(duì)事故產(chǎn)生的原因形成直觀認(rèn)知。在事故體驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過圖文、語(yǔ)音、視頻等形式,多方式提示事故預(yù)防措施及應(yīng)急處置方法,強(qiáng)化知識(shí)吸收。此外,每個(gè)體驗(yàn)內(nèi)容均包含了即時(shí)測(cè)試題目,學(xué)員考核合格后,方可解鎖下一體驗(yàn)場(chǎng)景,否則需要重新體驗(yàn)。

      2 關(guān)鍵技術(shù)

      2.1 基于3dsMax的抽油機(jī)模型動(dòng)畫建立

      抽油機(jī)是油氣井場(chǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備,其零部件眾多,根據(jù)CAD 圖紙,利用3dsMax 作為建模工具進(jìn)行建模。由于抽油機(jī)是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的,為真實(shí)還原生產(chǎn)場(chǎng)景,應(yīng)建立抽油機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)模型動(dòng)畫,并帶入到Unreal Engine 4中。

      通過分析抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),在皮帶輪軸、曲柄銷、中軸承等五處添加骨骼,其位置和作用見表1。為建立各骨骼之間的約束關(guān)系,按照曲柄、連桿、游梁、驢頭的順序,依次連環(huán)設(shè)置IK 解算鏈。通過骨骼蒙皮技術(shù)建立骨骼與各運(yùn)動(dòng)模型間的物理和幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系,并對(duì)各模型運(yùn)動(dòng)受到不同骨骼動(dòng)作影響的權(quán)重進(jìn)行精確設(shè)定[6]。

      根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),確定驢頭上死點(diǎn)、驢頭下死點(diǎn)、曲柄上死點(diǎn)、曲柄下死點(diǎn)、游梁水平位置為關(guān)鍵位置,即關(guān)鍵幀。在TimeLine上,分別對(duì)各關(guān)鍵幀下所有骨骼關(guān)鍵點(diǎn)的角度及位置進(jìn)行調(diào)節(jié),在曲線編輯器中,對(duì)各關(guān)鍵幀之間位置變化的加速度進(jìn)行精細(xì)Bezier Curve校對(duì),并進(jìn)行逐幀檢查,以保證抽油機(jī)動(dòng)作連續(xù)平穩(wěn)。根據(jù)實(shí)際抽油機(jī)的沖次范圍,設(shè)定模型動(dòng)畫單次循環(huán)為120 幀,若超出120 幀范圍,將模型動(dòng)畫的循環(huán)規(guī)律設(shè)定為“循環(huán)”模式,最終得到連續(xù)運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)模型動(dòng)畫。

      2.2 基于UE4的交互場(chǎng)景構(gòu)建

      Unreal Engine 4(UE4)又稱虛幻引擎,該引擎具有強(qiáng)大的藍(lán)圖可視化編程功能,可與C++編程結(jié)合互補(bǔ)使用,同時(shí),其系統(tǒng)開源,利用編譯版本可以十分方便地接入其他插件,十分便于開發(fā);其光照渲染、物理引擎、材質(zhì)編輯器等功能和效果基本處于業(yè)內(nèi)頂尖水平,同時(shí)對(duì)VR 手柄和VR 控制器等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備提供了良好的支持。

      將FBX 格式的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4 后,在UE4 引擎中完成環(huán)境創(chuàng)建及場(chǎng)景渲染,UE4 材質(zhì)系統(tǒng)能夠創(chuàng)建出極為真實(shí)的材質(zhì),利用真實(shí)拍攝的抽油機(jī)照片貼圖以及結(jié)合運(yùn)用MindTex2軟件生成的法線、高光等貼圖,完成真實(shí)的、表面具有凹凸感的材質(zhì)。導(dǎo)入U(xiǎn)E4 中的設(shè)備模型已經(jīng)在3dsMax 中完成了UV 展開處理,能夠?qū)崿F(xiàn)為同一個(gè)物體的不同表面賦予不同的材質(zhì)。燈光渲染能夠讓整體的場(chǎng)景更加真實(shí),主要分為直接光照和全局光照。油氣井場(chǎng)為野外環(huán)境,其直接光照主要為太陽(yáng)光,在場(chǎng)景界面或藍(lán)圖界面均可設(shè)置太陽(yáng)光的角度和位置;全局光照為環(huán)境光,利用Lightmass 來存儲(chǔ)全局光照,可使環(huán)境光更具真實(shí)感[7]。利用UE4 渲染的油氣井場(chǎng)效果如圖3所示。

      圖3 油氣井場(chǎng)渲染效果展示

      2.3 基于UE4的事故傷害特效設(shè)計(jì)

      在安全體驗(yàn)系統(tǒng)中,事故傷害特效的展示尤為重要,直接決定了操作者受到感官震撼和沖擊的程度?;赨E4 強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)渲染能力,通過與實(shí)際傷害現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比,設(shè)計(jì)了符合各項(xiàng)事故體驗(yàn)內(nèi)容的事故傷害特效,充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的視覺、聽覺、觸覺感知,使體驗(yàn)更加真實(shí)。

      為展示事故特效,需進(jìn)行多項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定。以人物倒地效果為例,應(yīng)進(jìn)行如下設(shè)置:

      (1)物理倒下,即空間位置改變;

      (2)鏡頭旋轉(zhuǎn)設(shè)置,模擬人物滾動(dòng)效果;

      (3)尖叫聲觸發(fā),模擬聽覺感受;

      (4)屏幕材質(zhì)貼圖更換為紅色血跡,模擬流血效果;

      (5)禁止手柄指令,保證觸發(fā)后手柄無(wú)法繼續(xù)操作,以便充分展示事故效果;

      (6)屏幕晃動(dòng),模擬人員站不穩(wěn)的效果。

      各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化與測(cè)試,最終得到最具真實(shí)感的事故傷害體驗(yàn)效果。

      3 結(jié)語(yǔ)

      將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性、沉浸感和構(gòu)想性應(yīng)用于教育培訓(xùn)領(lǐng)域,可以提高學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性,增加學(xué)習(xí)的趣味性,易于通過切身感受引發(fā)深入思考。本文以油氣井場(chǎng)安全體驗(yàn)為主題,通過深挖工程內(nèi)涵,利用3dsMax 建立模型和動(dòng)畫,基于Unreal Engine 4引擎構(gòu)建交互場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)交互功能,利用HTC Vive 作為輸出設(shè)備,建立了油氣井場(chǎng)安全培訓(xùn)系統(tǒng),能夠使學(xué)員完全沉浸地、自主地、交互地進(jìn)行安全體驗(yàn)和學(xué)習(xí)。實(shí)踐表明,基于該系統(tǒng)開展的安全培訓(xùn),更加有助于提高學(xué)員的安全意識(shí)和安全技能,培訓(xùn)效果優(yōu)于傳統(tǒng)培訓(xùn)方式。

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