基于Unity3D的油田作業仿真考核系統移動設備客戶端的設計與實現

李金永，吳寅生，鄭建峰，趙 婭（.華北油田公司第三采油廠，河北河間 06450；.東北石油大學計算機與信息技術學院，黑龍江大慶 6338）

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基于Unity3D的油田作業仿真考核系統移動設備客戶端的設計與實現

李金永1，吳寅生1，鄭建峰1，趙 婭2
（1.華北油田公司第三采油廠，河北河間 062450；2.東北石油大學計算機與信息技術學院，黑龍江大慶 163318）

摘 要：本文旨在研究和開發可運行于智能移動設備之上的、脫離網絡的油田作業崗前5分鐘仿真考核系統。根據系統需要，文中分析了服務器端和移動客戶端的功能需求，針對移動客戶端需求進行了功能設計；研究了移動客戶端系統功能實現時所涉及的部分關鍵技術；闡述了系統功能的具體實現流程；最終完成了一個可流暢運行于移動設備終端上的仿真考核系統客戶端。該系統在油田作業崗前測試中投入使用后，取得了良好的測試效果，能幫助油田作業工在上崗前充分熟悉作業流程，有效避免作業事故的產生，深受油田作業單位的認可，具有向其他油田作業單位推廣的潛質。

關鍵詞：仿真考核；移動學習；Unity3D；移動客戶端

1　引 言

安全性是油田在進行各項作業時永恒的追求目標，為了降低作業事故發生率，油田工人上崗前需要進行正確的作業培訓及考核。傳統的培訓采取書本知識、視頻演示及跟班學習等方式，采取統一的集中測試方式，所需時間集中、耗時長、耗費人力物力財力且效果一般。隨著虛擬現實技術的出現，各種各樣的油田作業仿真培訓考核系統應運而生，這些系統大大節省了培訓時間及培訓消耗，虛擬現實的特性保證了作業的真實體驗感、提高了培訓效率。

隨著油田對作業安全性的重視程度再提升，提出使用仿真系統利用崗前5分鐘的時間對上崗工人進行作業前考核的想法，考核合格上崗，不合格不允許上崗，旨在將油田作業事故出現的可能性降至最低。前述的仿真系統一般以登錄PC機通過網絡連接服務器的方式進行訪問使用，對油田野外作業而言其局限性不言自明，而智能移動設備的便攜性及移動學習的成熟發展為這種想法帶來新的契機。

基于此前提，本文旨在研究可運行于智能移動設備之上的、脫離網絡的油田作業仿真考核系統。此系統作為客戶端獨立運行于智能移動設備之上，系統考核所需的前期數據可以在網絡環境下從數據服務器下載至本機存儲，考核所得的后期數據亦可以暫時存儲在本機上，然后在網絡環境下可上傳至數據服務器，以便油田管理人員對上崗工人的崗前考核情況進行監管。

2　Unity3D游戲引擎簡介

Unity3D由Unity Technologies公司發行，是一個全面整合的輕量級專業游戲引擎，能輕松實現三維互動功能［1～2］。Unitye3D的交互式圖形化開發環境友好且簡潔，具有可快速開發的特性。Unitye3D自身擁有圖形渲染管道，且支持來自max、maya等建模平臺的模型文件及動畫的導入，其擁有的高逼真物理引擎PhysX能有效結合三維模型、視音頻等素材元素，打造具有真實感和沉浸感的三維場景。Unity3D編輯器可運行在W indows和Mac OS X系統下，只需要對其工程文件設置進行簡單調整，同一個項目文件既可方便的發布至不同游戲平臺：W indows、Android、Web、Mac、iOS PS3、XBox 360和W indows Phone 8等，避免了重復開發和移植開發，節省了開發成本，提高了開發效益。

Unity3D游戲引擎的開發框架包含四個層次：Project工程，Scene場景，GameObject模型物體和ComPonent腳本組件，這四個層次相互配合共同作用完成項目的開發工作。

3　系統功能需求及設計

3.1服務器端功能需求

基于移動設備的系統客戶端的正常運行離不開系統服務器端的支持［3］，根據系統功能分析，系統服務器端主要為客戶端提供數據支持和通信支持，其功能需求主要涵蓋數據庫需求及數據通信需求。

（1）數據庫需求。

用戶在移動設備上運行虛擬仿真考核系統客戶端時，需要事先從數據庫中下載相關的數據信息，包括：用戶角色信息、具體考核作業模塊相關信息、各個作業模塊的操作工序信息等，只有這些信息是完備的，才可以保證系統在移動客戶端上的正常運行及使用。考核完畢后，用戶需要將其考核信息上傳至服務器端數據庫中，以便油田管理人員在服務器端進行用戶考核信息的查看及統計。基于系統的數據庫需求及數據信息的安全性考慮，系統在開發時選用了Oracle 10g數據庫。

（2）數據通信需求。

在此系統中，客戶端和服務器端之間的數據傳輸通過數據通信協議以數據包的形式進行。因此需要建立一套準確完善的數據通信協議以及和協議配套使用的高效簡潔的數據交換格式。進行數據傳輸的數據包要保證其完整性和準確性，因此包結構的定義要規范，并注意傳輸過程中的保密性。

3.2客戶端功能需求及設計

（1）系統客戶端功能需求。

運行于移動設備上的虛擬仿真考試系統客戶端是整個系統的核心功能。根據系統功能分析，系統客戶端一方面需要服務器端為其提供數據支持，即數據通信功能的實現；另一方面是系統虛擬考核功能的實現。

系統客戶端和服務器端的數據通信功能是由兩者相配合實現的。

系統客戶端在實現各作業模塊考核功能時，需要構建各作業模塊三維物體模型及角色模型，集成場景并優化，編寫控制邏輯完成系統的考核功能。

（2）系統客戶端的設計。

根據客戶端的功能需求分析，客戶端的設計分為三個層級：表現層（即三維建模、場景集成及優化），邏輯層（即控制邏輯腳本的考核功能編寫），數據通信層（即客戶端與服務器端的數據通信）。此外，針對系統客戶端中所含的各個獨立考核作業模塊，還需要進行模塊內容的功能結構及考核流程設計。

4　系統所涉及關鍵技術

4.1模型動態顯示技術

由于硬件限制，移動設備的運行速率有限。而為了追求逼真度，系統所含各個作業模塊的場景消耗非常大，如果在模塊運行時一次性加載場景中的所有模型，系統運行的流暢性不易保證。為了提高系統運行速率，系統采用了模型的動態顯示技術。

系統在運行時，每個被考核的用戶在虛擬場景中都有一個模擬考核用戶視點的攝像機，考核時視點觀察范圍主要集中在該攝像機周圍。模型動態顯示技術通過編寫類來獲取該攝像機的位置信息，并獲取場景中其他模型及角色的位置信息，給定一個閾值，通過計算這些模型及虛擬角色與模擬用戶視點的攝像機之間的距離，將距離與閾值進行對比，距離在閾值范圍內的模型及虛擬角色進行渲染，從而有效地提升了系統的運行流暢性。模型動態顯示判定方法如圖1所示。

圖1　模型動態顯示判定方法示意Fig.1 Dynam ic d isp lay determ ining m ethod of m odels

4.2Shader的使用

Shader是GPU渲染流水線中的一個可編程渲染單元，可以用來控制圖形渲染的輸出效果，其代碼直接在GUP上運行［4］。Unity 3D內置了ShaderLab語言進行Shader腳本的編寫。

Shader分為頂點Shader及像素Shader，頂點shader進行三維模型各個三角面片頂點位置的計算，并為后期像素渲染做準備；像素shader是以像素為單位來計算光照和顏色的一系列算法。

為了進一步提高模型的質感及場景真實感，依據現實生活中真實物體的物理屬性，系統對虛擬模型進行了紋理貼圖及Shader腳本的設置，以模型的法線貼圖為例：

void surf（InPut IN，inout SurfaceOutPut o）

｛

half4 c=tex2D（MainTex，IN.uvMainTex）*_ Color；

o.Albedo=c.rgb；

o.AlPha=c.a；

o.Normal=UnPackNormal（tex2D（BumPTex，IN.uvBumPTex））*4.0f-1.0 f；

｝

4.3自動的相機視點切換控制

虛擬仿真考核系統離不開視點的交互，通過視點交互用戶才能正確地觀察虛擬場景中的物體。用戶在進行系統作業模塊考核的過程中，視點需要隨著場景中的工具或者角色的位置變化而變化，以保證用戶所觀察物體的正確性。在虛擬場景中，用戶的視點是由攝像機來模擬的，通過調整系統攝像機的位置和角度可以模擬用戶的視點切換。

系統各模塊虛擬場景中的物體眾多，要根據所觀察的物體靈敏且準確迅速地進行準確的攝像機位置調整和角度變換有一定的難度。綜合考慮視點切換的準確性及視點定位的快捷性，系統采用了一種通用的自動相機視點切換方法：為攝像機設置父物體。這樣當用戶的視點需要切換時，將攝像機的父物體更改為視點附近的某一物體以確定其位置信息，并對攝像機進行角度調整以達到最佳觀察視角，即可達到準確變換視點從而觀察物體的目的。這種方法簡潔且通用，充分保證了相機切換的快捷性和準確性。

4.4虛擬角色自動尋路

虛擬角色的自動尋路是三維游戲以及虛擬仿真系統中不可避免要解決的問題，尋路問題的解決在于在虛擬場景中進行合理的路徑規劃，關于路徑規劃算法的研究與應用也是長期以來人們所關注的焦點，比較典型的路徑規劃算法有Dijkstra算法以及A*算法等［5］。

本文所實現的系統中多處需要實現虛擬角色的自動尋路，該功能的實現主要利用了Unity提供的一種類似于A*算法的優化算法。該算法對于障礙物靜止、運動空間確定的靜態環境，其路徑規劃可分為場景坐標化建模和路徑搜索兩個步驟。Unity3D利用NavMesh（導航網格）組件將系統場景中復雜的結構組織關系簡化為帶有一定信息的網格，即進行場景坐標化建模；接著在這些網格的基礎上通過一系列的計算來實現虛擬角色的自動尋路，即進行虛擬角色的路徑搜索。

具體應用時將NavMesh（導航網格）組件掛載到虛擬角色模型身上，在腳本控制邏輯中設置角色要到達的目標點坐標值；自動尋路功能啟用時，虛擬角色便自行根據目標點坐標來尋找最直接的路線，并沿著該線路到達目標點。

4.5屏幕自適應

本文所實現的系統運行在移動設備之上，受生產廠商的限制，市場上的移動設備有不同的分辨率，沒有統一標準。因此，如果不考慮設備分辨率，系統的UI在不同分辨率的移動設備上將會被壓縮或者拉伸，失去界面原有的美感。為解決這個問題，就要充分考慮系統在不同分辨率移動設備上的界面定位問題，即系統的屏幕自適應問題，具體實現流程如圖2所示。

圖2　屏幕自適應功能的實現流程Fig.2 Realization p rocess of screen adap tability function

自選擇具體的作業模塊開始，首先進行模塊在所運行移動設備上的UI原點定位，該系統中把定位坐標原點設定在移動設備的左上角，然后獲取設備的分辨率，根據分辨率進行設備屏幕的顯示比例計算，從而進行UI重定位，完成之后再進行最終的模塊加載顯示，這樣能保證系統在不同分辨率的移動設備上都能正常顯示和使用。

5　系統功能實現

5.1前期物體及角色建模、動畫制作

虛擬仿真系統實現的基礎是三維模型構建，包括物體模型及角色模型。三維模型構建是將現實世界中的物體及屬性轉化為機器世界表達的方法［6］。三維模型構建的質量將直接影響虛擬仿真系統的真實感。三維模型構建的主要流程包括：素材整理，模型構建及美化，動畫制作。

5.1.1素材整理

為構建一個高度仿真的虛擬井場作業環境，素材整理是至關重要的第一步。

在調研明確油田作業具體的場景信息、作業中所涉及的設備及工具信息、具體的作業流程信息、參與作業的人員信息等信息之后，對信息進行分類，劃分為物體類和角色類，以便后期分別采用不同的方法進行模型的構建。

根據三維模型的信息分類進行素材整理。物體類：勾畫作業井場布局平面圖，搜集井場所含設備和工具的外形照片、具體尺寸、內外部構造等參數，并拍攝盡可能多的圖片以便進行模型真實感貼圖。角色類：明確角色外部特征，本系統中主要是不同作業工的服飾、隨身配備工具等。

5.1.2模型構建及美化

根據素材整理的內容，進行三維模型的構建。模型構建的原則是：在盡量保持模型真實感的情況下，所建模型面數盡可能的少，材質球盡可能的少。模型面數及采用的材質球數直接影響系統的運行效率。

物體類模型：利用基礎建模、復合建模、Nurbs建模、命令器編輯修改等多種建模方法對系統中所含的物體模型進行構建，并進行合理的材質貼圖設置，保證所構建物體的真實感。

角色類模型：通過幾何建模的方法來構建虛擬角色的外形；接著構建骨骼，以支撐虛擬角色后期的運動；然后進行角色蒙皮，為虛擬角色設置材質貼圖，保證所構建虛擬角色的外形是類真人的。

圖3為所構建的抽油機物體模型及虛擬角色模型示例。

圖3　抽油機物體模型及虛擬角色模型Fig.3 M odels of oil pum ping m achine and virtual character

5.1.3動畫制作

系統中某些物體的自身周期運動（如抽油機的往復運動）及虛擬角色的固定動作在Unity3D中實現起來復雜且效果不好，而這些動作在max中實現起來較為簡單。便捷的是，Unity3D提供了直接引用max動畫的組件，因此，為了追求更加逼真的動作效果，可以在max中將一些物體運動及角色動作直接制作成動畫片段，導出后在Unity3D中直接引用。

物體運動和角色動作在max中動畫的制作，都是采用max中最為常見的關鍵幀動畫的方式來實現。

5.2場景集成及優化

系統所含的各個作業模塊具有不同的作業設備及工具，因此，在進行模型構建時采用單一模型構建法，構建完成的模型形成三維模型庫，在搭建各個作業模塊虛擬場景時，從庫中實時抽取該作業場景所含的模型文件，進行場景集成，搭建和真實作業場景一致的虛擬作業場景。

集成完畢的虛擬作業場景只是在場景物體及角色構成上完成了對真實作業場景的實體仿真，在光效及周圍環境上還需要進一步美化才能達到物理仿真。這些美化包括：自然的光照、真實的光照陰影以及周圍的自然環境。

通過在Unity3D環境中進行場景集成、為場景設置光源、創建場景物體的物體陰影、為場景添加天空盒子等操作可以完成場景的優化，達到高度的場景實體仿真和物理仿真。

5.3控制邏輯的實現

系統各作業模塊的考核功能主要是通過編寫控制邏輯來實現的，系統包括以下幾部分邏輯功能：數據通信邏輯、考核數據邏輯、用戶登錄邏輯、場景加載邏輯、操作響應邏輯、成績管理邏輯，邏輯走向圖如圖4所示。

數據通信邏輯主要完成移動設備客戶端與服務器端之間的數據通信。包括數據通信協議的制定及數據通信的實現。

考核數據邏輯通過數據通信邏輯從服務器端調取模塊考核所需的用戶信息及操作工序信息等數據信息到移動設備客戶端并進行本地保存。

圖4　控制邏輯走向圖Fig.4 A lignm entm ap of control logic

用戶登錄邏輯用來實現油田作業工在各個考核模塊中的按角色登錄，以提取該角色在該作業模塊中的考核操作工序信息。

場景加載邏輯在用戶登錄后加載用戶所進入的作業模塊虛擬場景，用戶的仿真考核在該虛擬場景中進行。

操作響應邏輯針對用戶的考核操作進行響應：播放操作工序內容、啟用作業工具、變更設備狀態等，以順序有效地進行具體作業的操作工序展示。

成績管理邏輯對用戶考核過程中的考核成績進行管理，包括記錄各個考核操作工序的完成與否、各個考核操作工序的具體得分、以及考核完成時用戶的總成績，記錄完成后將這些信息暫時保存在移動終端的數據文件當中，以便聯網時通過數據通信邏輯存儲到服務器端數據庫中。

5.4客戶端與服務器數據通信的實現

系統中，客戶端需要和服務器端進行數據通信，才能進行用戶信息、操作工序信息等考核相關數據信息的下載；將用戶的考核成績等信息回傳。客戶端和服務器端數據通信的實現包含三個過程：通信協議的定義、協議數據文件的編寫及序列化和數據通信的實現。

5.4.1通信協議的定義

通信協議是指在客戶端和服務器端之間事先約定好一定的數據格式和標識碼（請求標識和應答標識），二者在進行數據通信時，將通信數據通過這種格式進行封裝，經由網絡協議進行傳送，接收到的數據包再按照協議約定進行解析，還原所傳輸數據，從而完成二者之間的數據通信。在定義通信協議時，要充分考慮通信過程中的效率問題及安全性等問題［7］，因此協議所包含數據包結構和數據的編碼解碼方式至關重要。

本系統定義的通信協議是基于數據包的交互式協議，經由TCP/IP網絡協議進行數據的傳輸。數據包的定義格式為：標識碼+包整體長度+包類型+包頭+包體。

4.4.2協議數據文件的編寫及序列化

Protocol Buffers是Google公司內部的混合語言數據標準，是一種輕便高效的結構化數據存儲格式，可以用于序列化結構化數據［1 -2］。基于其特點，所開發的系統使用它來進行通信協議的序列化和通信實現，具體實現過程如下：

（1）在記事本中進行數據定義文件的編寫，完成后選擇編碼為UTF-8、后綴為.Proto的方式進行保存；

（2）將第一步保存的數據定義文件利用轉化工具ProtoGen進行轉化，轉化為以.cs為后綴的數據訪問類文件；

（3）將上一步生成的數據訪問類文件進行編譯，編譯進動態鏈接庫進行調用。

5.4.3數據通信的實現

在實現系統客戶端與服務器端的通信時，根據數據通信的定義方法，系統編寫了兩個數據定義文件：

（1）請求數據定義文件：此文件由客戶端用來向服務器端發起請求。

（2）應答數據定義文件：此文件由服務器端用來向客戶端發回應答。

系統啟用數據通信功能時，由客戶端向服務器端發送請求指令及數據包，服務器端接收后進行包的解析，明確客戶端的操作需求，驗證所請求操作的合法性，執行所請求操作；服務器端向客戶端發送應答指令及結果數據包，客戶端接收后進行包的解析，獲取自己所需數據，執行相應操作。具體的通信流程如圖5所示。

圖5　數據通信流程Fig.5 Data comm unication flow

6　結束語

基于Unity3D的油田作業仿真考核系統架構于C/S模式之上，文中主要討論了運行于移動設備之上的客戶端的設計與實現。所實現的系統可穩定運行于移動設備之上，充分滿足了油田作業工利用崗前5分鐘進行考核、考核合格才能上崗的要求，能充分幫助油田作業工在崗前充分熟悉作業流程，有效避免作業事故的產生，深受油田作業單位的認可，具有向其他油田作業單位推廣的潛質。

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李金永 男（1970 -），山東利津人，高級工程師，主要研究方向為信息技術在采油工程中的應用

吳寅生 男（1962 -），上海人，工程師，主要研究方向為采油工程管理。

The Design and lmplementation ofMobile Device Client Based on Unity3D for Oilfield Operation Simulation Exam ination System

LI Jinyong1，WU Yinsheng1，ZHENG Jianfeng1，ZHA0 Ya2
（1.The Third ExPloit Factory Of Huabei Oilfield ComPany，Hejian 062450，China；2.ComPuter&Information Technology College，Northeast Petroleum Institute，Daqing 163318，China）

Abstrac t：This PaPer aim s to research and develoP the oilfield oPeration simulation exam ination system used in 5 m inutes before going to w ork，which can run on the intelligent mobile devices w ithout netw ork.According to the system needs，the PaPer analyzes the functional requirements of the server and the mobile client；designs the functions according to the mobile client needs；researches some key technologies involved in the im Plementation of the mobile client；describes the concrete realization Process of the system functions，finally com Pletes the simulation exam ination system clientwhich can run on the mobile devices smoothly.The system obtains good test effect after being used in oilfield oPeration，can helP the workers be fam iliarw ith the oPeration Process before going to work，can avoid the generation of oPeration accidents effectively，is recognized by the oilfield com Pany，has the Potential of being Promoted to other oilfields.

Key words：simulation exam ination；mobile learning；Unity 3D；mobile device

中圖分類號：TP 391.9

文獻標識碼：A

基金項目：黑龍江省教育科學規劃重點課題（GJB1215019）；黑龍江省研究生教育創新工程資助項目（JGXM-HLJ-2015111）