應用于實訓教學的虛擬油氣聯合站構建

蘇欣

(承德石油高等專科學校計算機與信息工程系，河北承德067000)

應用于實訓教學的虛擬油氣聯合站構建

蘇欣

(承德石油高等專科學校計算機與信息工程系，河北承德067000)

實訓教學是高職教育的重要組成部分，但是油氣儲運專業實訓教學要求在油氣聯合站進行，存在著高危險、高成本、高能耗等問題。提出一種應用于油氣儲運專業實訓教學的虛擬油氣聯合站，在最大程度上模擬真實油氣聯合站及其油氣處理設備，同時設置實訓操作內容，學生在虛擬環境中進行專業實訓學習，從而實現兼顧實訓教學效果與保證人身安全的雙重目標。

虛擬;油氣聯合站;實訓教學

1　虛擬仿真教學現狀

虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)是近來年出現的高新技術，它利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，向使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，使用者如同身臨其境。但在高職高專院校中，真正意義上的虛擬仿真教學工廠還未出現，目前在高職高專院校中實訓教學是以電腦軟件模擬為主，在一些模擬控制設備的控制臺上，學生主要是在電腦上完成虛擬教學實踐，首先不能夠從感觀上真正認識工廠的生產環境;另外，由于只是通過電腦鼠標進行實踐操作學習或僅僅是通過控制臺連接電腦進行操作，學生并不能夠真實體驗到不同操作所產生的不同結果。因此在所謂的虛擬教學工廠中完成的實踐操作與工廠的實際情況相距甚遠，學生并不能夠從虛擬教學工廠中感受到工廠的實際生產環境，也不能夠真正掌握實踐操作的技能，這種所謂的“虛擬教學工廠”只是有名無實，并不能給學生帶來身處工廠實習的真實體驗。

對于高職院校來說，實訓教學是高職教育的重要組成部分，其目標是充分鞏固理論教學的教學成果，培養學生熟練的動手操作能力。但是目前的實訓教學在形式與內容上與企業的具體環境與要求存在較大差距，對學生的培養缺乏適應性和針對性，學生就業后難以適應企業工作環境，無法滿足崗位要求，不符合企業對人才的需求。未經過專業培訓的學生根本無法在真實的生產工廠環境中完成實訓教學的要求，而學校也不具備工廠的實訓環境。很多工科專業的實訓教學存在著高危險、高成本、高能耗等具體的問題，因此構建能夠最大程度上模擬生產工廠的虛擬仿真實訓教學場站，是進行專業實訓教學的最優選擇［1］。

2　虛擬現實軟件EON Studio

常用的虛擬現實軟件種類較多，在國內應用比較廣泛的有中視典公司的VRP、Eon Studio、OSG開發平臺等，每一種軟件都具有不同的特點，但均可以進行虛擬建模的開發與應用。

Eon Studio是在國外非常知名的VR制作軟件，經常被用于制作產品的虛擬演示，并用于醫療、教育等行業;也可以用來開發游戲，適合傾向于編程交互開發方面的愛好者使用。

Eon Studio能夠輕松導入3D模型，目前市面上90%以上的3D模型軟件產生的文件都能夠很方便地輸入到Eon Studio中。三維模型制作軟件如:3D max、Light wave，計算機輔助設計軟件如:Solidworks、AutoCAD等都可以很容易地導入。將模型導入之后，可以通過EON的圖形設計界面方便地為模型添加各種行為動作。

3　基于EON的虛擬油氣聯合站開發

對于虛擬教學來說，我們首先需要通過建模軟件構建一個虛擬教學環境，然后將這個模型導入到EON軟件之中，再添加教學所需要的內容與動作，完成教學模型。本文以油氣儲運專業實訓場站——油氣聯合站為例詳述虛擬仿真教學環境的開發流程。

虛擬油氣聯合站是對油氣聯合站最大程度的模擬仿真，不僅包括油氣聯合站所有的地面建筑、油氣管線展示與說明，還包括油氣處理設備知識的相關學習。通過研究與搭建三維立體演示環境，將油氣聯合站及其內部設備進行建模還原，并導入到虛擬現實軟件之中，在虛擬現實軟件中進行二次編輯與交互學習動作的添加，最后進行三維立體展示，使學生能夠在浸入式的環境中進行實訓學習，讓學生身臨其境，感覺是在真實的油氣聯合站中進行實訓學習，從而最大程度上提高實訓教學的效果［2，3］。

3．1基于3Ds Max的油氣聯合站建模實施

油氣聯合站建模實施的具體流程參見圖1，包括獲取場站布局、獲取貼圖資料、劃分場景單元、主要建筑物建模和次要建筑物建模幾個步驟實現。

步驟一:獲取場站布局數據。獲取的油氣聯合站圖紙資料包括大比例航拍照片、地形圖文件、建筑圖紙及規劃圖紙。獲取到原始資料后，按照一定比例把油氣聯合站的布局圖片制作成為地形貼圖，以及整理單個建筑體尺寸并按照比例尺進行模型尺寸計算。

步驟二:獲取貼圖資料。在虛擬場景中為了增加模型的逼真效果，通常需要將現場拍攝的圖片制作成紋理，并在3Ds Max中進行加載。但由于拍攝獲取全部現場照片的工作量十分大，因此主要建筑的圖片一般由現場拍攝獲取，其它非主要建筑如道路、樹木、草地等貼圖文件可以由網絡或素材庫獲取［4］。

步驟三:劃分場景單元。根據油氣聯合站的功能區域，將聯合站分為油氣分離區、原油穩定區、原油儲罐區、消防用水區等幾個場景單元，并分別在3Ds Max中進行模型構建。

步驟四:主要建筑物建模。對于油氣聯合站的主要建筑及設備，如油罐、原油穩定塔、三相分離器等，要求有較高的逼真度，因此盡可能地使用高分辨率真的紋理映射以提高模型的精細度。

步驟五:次要建筑物建模。對于其它的次要建筑物及設備如管線、普通房屋等，使用簡單的幾何體和低分辯率的貼圖完成即可。

3．2油氣聯合站虛擬建模

油氣聯合站虛擬建模具體是在3Ds Max中構建油氣聯合站的三維模型，模型的精細程度可以根據實際聯合站的規模、教學的具體方向進行綜合考慮。聯合站規模越大、細節越完整，相應生成的文件體積越大，可能會導致在虛擬教學時進行操作相關動作的緩慢與延遲。

如圖2所示為在3D max 2009中的油氣聯合站模型，該模型包括聯合站中的油氣分離區、原油穩定區、原油儲罐區、消防用水區等區域。油氣分離區主要設備是三相分離器、電脫水器與沉降罐，三相分離器的功能是將管線運輸而來的油氣水混合物進入密閉油氣分離脫水裝置進行油、氣、水的分離。電脫水器的功能是在高壓電場的作用下，原油中的水顆粒發生碰撞聚結合并，靠油水密度差分離沉降到脫水器底部，流入集水室，經排水管放出，脫出凈化油匯于脫水器頂部集油管，經油管排出。沉降罐是原油初步處理設備，可以含水原油進行初步沉降分離處理，以此降低含水率至30～50%以下。原油穩定區主要設備是原油穩定塔，其功能是對分離的原油進行穩定處理。原油儲罐區主要設備是儲油罐，功能是存儲原油;消防用水區的主要設備是儲水罐及消防泵房，主要功能是存儲消防用水。除上述這些功能區域外，該模型中還包括了連接各個區域的油氣管線。

3．3油氣處理設備建模

在實訓教學中，不僅需要對油氣聯合站進行瀏覽參觀學習，還需要學習相關油氣處理設備的設備構成與工作原理。以原油脫水處理設備為例，原油脫水設備包括沉降罐、電脫水器等。沉降罐如圖3所示為3ds max 2009中沉降罐建模示意圖。沉降罐是原油初步處理設備，可以對含水原油進行初步沉降分離處理，以此降低含水率至30%～50%以下。圖4所示為電脫水器建模示意圖。電脫水器是原油脫水處理裝置的一種，它的脫水原理是在電場中通過電場對水滴的作用，消弱水滴界面膜的強度，促進水滴碰撞，使水滴聚結成粒經較大的水滴，在原油中沉降下來。

3．4模型導入虛擬現實軟件EON Studio

完成油氣聯合站模型及相關設備模型的建模工作，將上述所建模型導入虛擬現實軟件EON Studio，并根據實訓教學需求，在EON中添加參觀線路、功能介紹、設備操作動作等內容。圖5所示為虛擬油氣聯合站鳥瞰圖。

4　基于EON軟件的油氣聯合站虛擬實訓教學

油氣儲運專業學生所需要的實訓場站——油氣聯合站是一個生產流程嚴謹，安全控制嚴格的生產型工廠，它存在著高危險、高成本、高能耗等具體的問題，未經過專業培訓的學生根本無法在這樣的環境中完成實訓教學所規定的內容。該專業的學生在完成學業后只是學習了聯合站相關的理論知識，卻從未參觀過真正的油氣聯合站，不了解聯合站的生產過程。這種只進行理論教學，而忽視現場實踐的培養方式存在著明顯的短板，學生不能在現場進行實際操作，學習專業技能也就無從談起［5，6］。

而通過EON Studio軟件虛擬顯示的油氣聯合站可以最大限度地還原油氣聯合站的情境、生產流程及機械操作方式過程，學生身臨其境，仿佛置身于油氣聯合站的生產環境之中，并且可以讓學生以虛擬操作的方式對相關處理設備進行操作，并觀察操作結果，能夠使學生在實踐層面上深入學習理論知識及具體生產操作技能;在虛擬仿真的油氣聯合站中進行學習不需要前往油氣聯合站現場，影響其正常生產秩序，同時也可以避免學生因誤操作而可能會引發的生產事故，最大程度兼顧實訓效果與學生人身安全，實現經濟成本與人身安全的最大優化。

［1］簡祖平．向新加坡“教學工廠”學什么——從教學工廠的概念談起［J］．中國職業技術教育，2010(7):34－36．

［2］許亞嵐．煉油化工虛擬工廠建設與情境教學探索［J］．化工高等教育，2013(6):59－62．

［3］許亞嵐．基于虛擬工廠的實踐教學體系構建與實施［J］．高教論壇，2013(2):85－87．

［4］崔盟軍．三維建模軟件在工程制圖教學中的應用［J］．承德石油高等專科學校學報，2010，12(1):68－71．

［5］黃鑫．基于VR技術的虛擬教學應用研究［D］．武漢:華中師范大學碩士研究生論文，2005．

Construction of Virtual Oil and Gas Station Applied to Practical Teaching

SU Xin
(Department of Computer＆Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Practical teaching is an important part of higher vocational education，but real practical teaching in the face of high risk，high cost，high energy consumption and other specific problems．This paper puts forward a virtual oil and gas station applied to the practical teaching，and puts forward practice operation content，students perform professional practice in virtual environment，so as to realize both practical teaching effect and ensure the personal safety．

virtual;oil and gas station;practical teaching

TE8-45

B

1008-9446(2015)02-0013-05

承德市科學技術研究與發展計劃項目(虛擬油氣聯合站教學工廠的設計與研究):201422105

2014-12-04

蘇欣(1981－)，男，河北承德人，承德石油高等專科學校計算機與信息工程系講師，碩士，主要研究方向為數字媒體技術與虛擬現實技術在教學中的應用。