計算機仿真技術在集輸工培訓中的開發與應用

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計算機仿真技術在集輸工理論教學和操作技能培訓中的開發十分重要，不僅可以改變傳統的油氣集輸員工培訓中帶來的弊端，提高培訓質量，完善操作技能培訓教學環節，而且維護方便，升級快速，在大大降低培訓成本的同時，及時滿足生產一線設備和技術更新換代的需要，收到良好的效果。

一、傳統培訓教學的弊端及計算機仿真技術的開發

傳統的油氣集輸崗位員工培訓教學模式存在著如下的問題：

一是培訓教師結合教材上設備結構簡圖和工作原理圖進行講解，由于許多設備內部結構復雜、工作原理及工作過程極其微妙和抽象，培訓教師無論用多么精確的語言進行講解，很難達到讓每個學員都能夠完全理解。特別是因為來自生產一線沒有機械制圖基礎的員工，很難將平面的設備結構圖在頭腦中還原成立體的實際設備結構，也更無法理解設備的工件原理和工作過程；

二是如果播放現場錄像或到現場進行觀摩教學，由于生產運行的連續性；設備內部結構的封閉性；現場存在易燃、易爆等不安全因素，使培訓過程受到諸多限制，達不到預期效果；

三是借助多媒體，將集輸流程中的設備設制成平面或立體動畫形式進行演示，雖然能夠較直觀地反映實際生產流程和設備結構原理，但與現場實際仍有較大差距，缺少人機交流的實時互動性和可操作性，培訓效果亦不理想；

四是建立培訓基地不僅僅需要足夠的場地，更需要一次性投入龐大的資金，而且要求在應用基地培訓過程中提供充足的資金來保障操作工位和材料消耗，對許多培訓中心來說是很難實現的。

針對上述問題，我們在集輸工理論教學和操作技能培訓中積極開發與應用計算機仿真技術。2010年4月至7月，舉辦了十一期共330人的集輸崗位市場化用工人員操作技能培訓班，應用了該項研究的仿真設備油罐進行培訓教學；同年11月，舉辦了六期共180人的采油井組資料員培訓班，應用了該項研究的仿真井口集輸工藝流程和計量分離器進行培訓教學；還舉辦了一期41人的MI能源公司采油崗位人員技能提高培訓班，同樣也應用了該項研究的仿真井口集輸工藝流程和仿真計量分離器進行培訓教學，收到了意想不到的效果。通過應用仿真現場流程和設備進行培訓，使學員徹底弄清了設備結構和工藝流程，感覺操作起來十分熟悉和親切，課后學員疑問少，效果好。

二、計算機仿真技術應用的可行性

仿真即逼真模仿研究對象，可以分為物理仿真和計算機仿真兩大類。物理仿真的優點是直觀、還原，但需要專門的場地和設備，造價高，靈活性和通用性差，維護和升級困難；而對油氣集輸工藝流程系統和設備的內部結構、工作原理和工作過程進行計算機仿真，有如下優點：

一是形象性。計算機仿真油氣集輸系統的工藝流程、設備的工作過程，能創造一個與實際近乎相同的真實環境。仿真操作與實際機械操作近乎一致，通過仿真，培訓學員可進行360°任意角度觀看油氣集輸流程中流體的進出設備過程、設備的內部結構和工作過程，仿真過程形象生動。

二是交互性。計算機仿真過程中，學員尤如站在流程和設備旁一樣進入虛擬的真實的操作環境，增強學員對操作對象的親切感，可以大大激發學員的學習興趣。在“交互式虛擬真實的環境世界里”，學員獲得了對學習對象的感性和理性認識。

三是全面性。計算機仿真油氣集輸工藝流程系統，可充分考慮實際生產環境中的各種因素，避免由于特定條件而導致的操作結果的單一。如對油氣集輸工藝流程系統中原油脫水系統仿真、污水處理系統仿真、注水系統仿真、加熱系統仿真以及這些系統中所涉及到的設備的內部結構、工作原理、工作過程進行多因素全面仿真。

四是安全性。計算機仿真系統在油氣集輸工操作技能培訓過程中不會對操作對象如多級離心泵、油氣水三相分離器、電脫水器、電動機以及壓力儀表、流量計、溫度計等造成實質性損害，更不會因操作失誤對培訓學員造成人身危害。

五是節約性。集輸工培訓中引入計算機仿真教學，最根本的好處就是可大大節省成本，而且沒有因學員操作不當引起設備損壞帶來無度的損耗。學員坐在多媒體教室里就能實現仿真教學，可為培訓中心節約不小的開支和場地。

六是高效性。集輸工計算機仿真系統培訓教學可縮短教師對材料、儀器儀表或工具用具的準備時間，避免了材料和工具的欠缺和不足。而且培訓完成后，也節省了回收時間。在計算機仿真培訓教學過程中，學員可以輕松對操作技能培訓過程初始化，對未能完成的操作技能培訓過程進行狀態存貯，對已完成的操作技能培訓過程進行調入回顧，大大提高了效率。

三、計算機仿真油氣集輸工藝流程和設備系統的建立

1.集輸工培訓計算機仿真內容的確立

將油氣集輸系統分成四大部分進行計算機仿真該項目分為：脫水模擬仿真系統、污水處理模擬仿真系統、注水模擬仿真系統、加熱模擬仿真系統。同時對這四大系統中所有設備的內部結構、工作原理和工作過程也采用仿真技術制作?？傮w仿真的框架圖如下所示：

集輸仿真系統總體框圖

2.技術研究路線

把油氣集輸系統分成四大系統工藝流程：脫水系統工藝流程、污水系統處理工藝流程、加熱系統工藝流程和注水系統工藝流程，再綜合各個采油廠的集輸情況，選擇技術先進、管理科學的典型流程及流程中所包括的設備進行現場實際數據采集，采集回來的數據應用3Dmax建立所確定工藝流程中的設備及儀器儀表的三維模型、添加材質、貼圖、渲染、制作設備工作原理及工作過程動畫，并用Potoshop進行預處理紋理貼圖。把制作成的設備、儀器儀表單體進行視景生成，把生成的視景通過3D數據導出，將數據轉換成Virtools能夠接受的形式，再通過Virtools進行交互鏈接和模型整合，最后將鏈接好的的模型進行場景驅動，形成與實際工藝流程和設備完全一樣的計算機仿真系統。技術路線圖如下所示：

3.技術要求

（1）現場數據采集要準確，盡可能采用真實數據建模;（2）工藝流程和設備的選擇要典型;（3）在保證視覺不失真的前提下，盡量采用最簡單的模型。運用多項技術，盡可能減少文件儲存量，使系統運行流暢;（4）針對工藝流程和生產設備的遠景、近景及內部結構將對象分為重點和非重點對象，對其分別采用精細建模、次精細建模和粗略建模方式，從而降低場景實時渲染的復雜度;（5）在場景布局方面，在保持效果的前提下，對紋理圖片進行優化處理，盡可能減少占用顯存;（6）需要有相應的硬件支持。

4.油氣集輸工藝流程和設備計算機仿真系統的創建

（1）根據流程和設備的制作需求進行數據采集；（2）根據三維數據用計算機制作三維模型及場景搭建；（3）根據集輸工藝流程用計算機制作仿真操作流程；（4）用計算機制作關鍵設備三維結構模型、設備工作原理及工作過程動畫；（5）將三維模型的虛擬數據轉換；（6）將三維數據進行轉換，同Virtools進行模型整合和功能交互連接；（7）場景驅動；（8）實現系統內視野漫游；（9）調試、修改；（10）生成單機運行或網絡運行兩種版本。

實踐證明，建立油氣集輸工計算機仿真培訓教學系統具有很大的應用需求和發展空間。該項目克服了實際操作培訓的不足，具有實時性。利用先進的科技手段為學校節能降耗，從而降低辦學成本，提高辦學效率，全面增強培訓的綜合競爭力。

利用油氣集輸工計算機仿真系統進行培訓，作為一種新的教學模式，的確給操作技能培訓教學帶來很多方便，也大大提高了培訓質量，收到了很好的效果。但必須指出的是，油氣集輸計算仿真培訓教學畢竟不是真正的實際對象的操作，本身有不可替代的局限性，決不能完全拋開真實的實際操作過程，在應用計算機仿真油氣集輸系統進行培訓教學的同時，還要給學員安排必要的實際動手操作練習的機會。