關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田培訓中的應(yīng)用探討論文
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)買技術(shù)培訓作用
摘要：我國石油行業(yè)發(fā)展迅速，職工的素質(zhì)直接影響到石油企業(yè)的效益及安全生產(chǎn)狀況，因此，企業(yè)對職工的技術(shù)要求越來越嚴格。鉆井模擬器采用基于虛擬現(xiàn)實的虛擬制造技術(shù)，開發(fā)過程運用多種先進的計算機技術(shù)，并結(jié)合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓方法。作為針對油田具體情況開發(fā)的新型培訓系統(tǒng)。鉆井模擬器有著積極的意義。本文重點分析了該系統(tǒng)的開發(fā)過程，詳述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田培訓鉆井井控人員過程中的作用。
1．引言
我國石油行業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)場地質(zhì)情況等密不可分，充滿著危機和挑戰(zhàn)。對于員工的能力和安全意識要求很高，傳統(tǒng)的進場培訓有一定的局限性，例如：職業(yè)培訓效果是否良好主要依賴于教師的水平，培訓過程沒有明確統(tǒng)一的評價標準，針對性差，沒有可重用性等�？梢妭鹘y(tǒng)的培訓技術(shù)不但受時間、空間的限制，而且在人力、資源、經(jīng)費、組織實施等方面都存在很大問題。尤其對于危險作業(yè)或不具備實驗條件的高級培訓，傳統(tǒng)的培訓方式更是難以實現(xiàn)。傳統(tǒng)培訓模式的局限性制約了人們所期望的培訓質(zhì)量和培訓效率，滿足不了現(xiàn)代社會的需求。
鉆井模擬器采用虛擬制造技術(shù)的概念，開發(fā)過程基于現(xiàn)代計算機控制技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并結(jié)合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓方法。它為用戶提供了起下鉆、鉆進、井控和鉆井事故及復雜情況處理等作業(yè)的操作過程模擬，主要用于鉆井司鉆、鉆井技術(shù)人員的操作培訓和安全培訓，并為學員培訓考核提供了教師評分系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)培訓過程中客觀上無法解決的技術(shù)難題。作為新型的針對油田具體情況開發(fā)的培訓系統(tǒng)，鉆井模擬器有著積極的意義。
2．基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬培訓
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。這套虛擬培訓設(shè)備運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，真實生動的模擬了鉆井工藝流程的細節(jié)。學員能夠通過對仿真鉆機設(shè)備的操作，直接觀察到鉆井平臺上的活動以及操作結(jié)果，最終達到讓培訓人員掌握正確操作過程的效果。虛擬培訓有以下特征：
2．1仿真性
在虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下，虛擬培訓設(shè)施與真正的培訓設(shè)施功能相同，操作方法也一樣，學員通過虛擬培訓設(shè)施訓練技能與現(xiàn)實培訓基地里同樣方便。這是因為虛擬培訓環(huán)境無論是現(xiàn)實的環(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)該達到使受訓者難以分辨真假的程度。
2．2開放性
虛擬培訓環(huán)境可以為所有受訓者在任何時間、地點提供各種培訓的場所。實際上，虛擬培訓環(huán)境的內(nèi)涵是廣泛的，它不同于傳統(tǒng)的培訓基地概念，它具備可以進行類似于傳統(tǒng)培訓項目的環(huán)境，但更擅長的是使學員置身于培訓項目對象中的逼真環(huán)境。凡是受訓者可以通過有關(guān)器具操作，來學習或訓練某種技能的虛擬環(huán)境，并都歸之于虛擬培訓環(huán)境。
2．3超時空性
虛擬培訓環(huán)境具有超時空的特點，它能夠?qū)⑦^去世界、現(xiàn)在世界、未來世界、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)生的事件單獨呈現(xiàn)或進行有機結(jié)合，并可隨時隨地提供給學員進行培訓。
2．4可操作性
受訓者可通過使用專門設(shè)備，用人類的自然技能實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的物體進行操作，就像在現(xiàn)實世界中一樣。
2．5對應(yīng)性
學員的培訓內(nèi)容與虛擬環(huán)境是密切對應(yīng)的。例如，學員要學習飛行器駕駛技術(shù)，那么虛擬環(huán)境就是飛行器飛行的模擬環(huán)境。對應(yīng)性將能為受訓者設(shè)定各種復雜的情況，以提高受訓者的應(yīng)變能力，從而使得他們在實際環(huán)境下能得心應(yīng)手的處理各種情況。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能按每個學員的基礎(chǔ)和能力，對應(yīng)性的開展個性化的教育培訓。
3．鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計
計算機圖形學是研究現(xiàn)實場景計算機顯示的科學，也是利用計算機處理人類所能看見的圖景的手段和方法。視景仿真技術(shù)是以計算機圖形學為理論基礎(chǔ)的三維模型動態(tài)顯示技術(shù)，基本原理是：根據(jù)觀察點及觀察方向?qū)鼍斑M行實時計算和實現(xiàn)，并做到對三維復雜環(huán)境中物體運動的實時交互控制，產(chǎn)生良好的動畫效果。實現(xiàn)三維模型視景的實時動態(tài)顯示，一方面要求計算機硬件有高速運算能力和很強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，以便在硬件平臺上取得更好的實時動態(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，它提供給用戶一個三維的真實感視覺環(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過程中需要模擬井場環(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的操作過程，實時模擬出井場環(huán)境的變化和司鉆、井控操作對鉆井過程的影響。在現(xiàn)實的司鉆和井控過程中，操作錯誤和地質(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)生過程和事故排除的情況。實時地顯示鉆井過程中的數(shù)據(jù)，計算參數(shù)。根據(jù)司鉆臺操作的具體行為，依照物理模型和數(shù)學模型來模擬設(shè)備運動的過程，使得鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的三維動畫過程更貼近現(xiàn)實。
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)需要對井場設(shè)備、自然環(huán)境、井下情況進行實時的動態(tài)模擬，使培訓者在培訓過程中除了學習操作知識，還能更有效、直觀的學習到理論知識。硬件設(shè)施和三維圖形軟件的結(jié)合實現(xiàn)了虛擬模擬系統(tǒng)，培訓人員能夠通過這套虛擬培訓設(shè)備完成所有鉆井工作人員所需要的專業(yè)知識和實際操作技術(shù)。
3．2實時場景系統(tǒng)組成
根據(jù)鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的需要，開發(fā)過程在WindowsxP平臺上，建模部分使用3DMAX完成機械部件的模擬，模型的管理由3DExplorer~成，并實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換導出。程序?qū)δＰ偷目刂朴蒀++Builder6．0實現(xiàn)，整個開發(fā)過程基于OpenGL2．0。
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的實時場景組成包括以下幾個部分：三維圖形實體模型、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：場景初始化、工藝動畫控制、與主控機通信、參數(shù)顯示、碰撞處理以及特效渲染。 場景初始化：由于鉆井工藝的復雜性和虛擬培訓的操作性，每個作業(yè)當前場景都有所不同。在一個新的作業(yè)開始前，圖形程序在接收到控制機發(fā)出的作業(yè)指令后初始化當前場景，例如：鉆井平臺上各操作部件當前的數(shù)量、狀態(tài)以及位置。
工藝動畫控制：在完成規(guī)定工藝作業(yè)的過程中，司鉆控制臺做出的每一個動作都將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給主控機，再由主控機發(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。在圖形機上體現(xiàn)出鉆臺上各種控制系統(tǒng)的運動參數(shù)、具體動作、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。
與主控機通信及參數(shù)顯示：主控機的設(shè)計主要由鉆井模擬器設(shè)計的需求決定，由于這套儀器主要用于虛擬培訓，教師和學生之間有教與學的關(guān)系，主控機能夠提供給教師一個教育平臺，提供作業(yè)調(diào)度、控制、評分等功能，與此同時，傳遞司鉆控制臺上發(fā)來的各項數(shù)據(jù)，并把與操作有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)給圖形機，即鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)，兩方通信，傳遞參數(shù)并進行數(shù)據(jù)處理，在屏幕上顯示操作過程中需要操作者了解的參數(shù)值。
碰撞處理：在三維圖形的運動仿真過程中是不允許有“穿墻而過”的狀況發(fā)生的，因此要對運動物體作碰撞檢測的處理。為了遵循模型運動的真實感，鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)當然也包括碰撞的檢測與處理部分。
渲染特效：實現(xiàn)對火焰、氣泡、液體噴涌效果的模擬，使用GLSL實現(xiàn)電影級的光照效果，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感。
3．3鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)設(shè)計
一個性能優(yōu)越、功能完備的系統(tǒng)需要在設(shè)計階段就進行詳細的設(shè)計規(guī)劃。這樣，在后期的開發(fā)過程中才能完成高質(zhì)量的軟件項目。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計遵循面向?qū)ο蟮脑瓌t，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性和兼容性等方面都有突出的表現(xiàn)。
3．4系統(tǒng)特點及設(shè)計目標
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)要求有以下特點：
1）可以生成高質(zhì)量的圖形，實現(xiàn)實時的可控動畫。
2）圖形的生成快速穩(wěn)定，對圖形硬件要求不高。目前，系統(tǒng)配置為NVIDA6800，NVIDA6系列以上顯卡都可以實現(xiàn)高質(zhì)量的圖形動畫。
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，在操作過程中既能觀察整個場面，又能集中觀察工藝作業(yè)下重要部件的工作過程。
4）建立模型細致、真實，宏觀模型和微觀模型通過軟件和程序分別建模，真實感程度高。
經(jīng)過分析鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)特點后，設(shè)定該系統(tǒng)要達到以下目標：
可擴展性：對于新模型、新器件、新工藝的增加，方便快捷，可以在短時間內(nèi)完成對系統(tǒng)的擴展。
兼容性：系統(tǒng)可以用于Windows2000／XP平臺，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
鉆井模擬器圖形系統(tǒng)的設(shè)計是基于面向?qū)ο蟮�，系統(tǒng)規(guī)模較大，設(shè)計復雜�；谠阢@井工藝中涉及到的物體較多，并且各個物體在不同的方面有不同的特性，因此在設(shè)計之前，應(yīng)確定設(shè)計類的準則。對本系統(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)計應(yīng)該圍繞物體的動畫功能需要來進行。
在鉆井各工藝流程中，大鉤、鉆桿等物體是系統(tǒng)動畫的載體，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)圍繞物體的運動功能來設(shè)計類的思想，將液壓大鉗和液壓大鉗的活塞、吊卡的主體和活頁設(shè)計成不同的類，這樣設(shè)計不僅可以使動畫更加逼真，還能提高系統(tǒng)靈活性。
4．結(jié)論
鉆井模擬器對油田實現(xiàn)安全、有效、高質(zhì)量的培訓有著積極的意義。它能夠滿足信息時代技能培訓不斷變化的要求，是一種高水平、高效率、低費用的新興柔性培訓模式。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)作為鉆井模擬器的圖形部分，真實的展現(xiàn)了井場的三維環(huán)境和操作流程，對于整個虛擬培訓過程有著十分重要的意義。本文圍繞對鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化，分析了開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，解決了系統(tǒng)開發(fā)中的實際問題。
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