基于虛實結合的海洋油氣工程仿真平臺建設與實踐

張洋洋 李成華 鄭黎明 徐加放 高永海

摘??????要：?海洋油氣工業在我國能源安全中的地位日趨重要，海洋油氣生產中的操作復雜、高溫、高壓、高風險等特點，使得海洋油氣工程專業實踐教學無法有效貼近生產現場，而簡單室內實驗環節亦難以完成系統完善的技能培訓。為此基于虛實結合方法，開發海洋油氣工程仿真平臺，該平臺將虛擬仿真軟件和虛擬仿真操作平臺相融合，使學生熟練掌握油氣開采、油氣處理系統等模塊的結構、原理、工藝流程及常規操作等實訓環節。在真實海上平臺上難以開展的實踐教學活動，通過虛實結合仿真平臺教學方式成功實現，完成了學生對海洋油氣工程工藝環節的有效認知、實踐與掌握。

關??鍵??詞：虛實結合;海洋油氣工程;仿真平臺;實踐教學

中圖分類號：TE 09???????文獻標識碼：?A ??????文章編號：?1671-0460（2020）01-0237-04

Construction and Practice of Simulation Platform based on “Virtual

Reality Combination” for Offshore Oil and Gas Engineering

ZHANG Yang-yang¹， LI Cheng-hua¹， ZHENG Li-ming²， XU Jia-fang¹， GAO Yong-hai¹

（1. Experimental Teaching Center of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （East China），

Shandong Qingdao 266580，?China;

2. College of Vehicles and Energy ，?Yanshan University，?Hebei Qinhuangdao 066004，?China）

Abstract： The offshore oil and gas industry plays an important role in China's energy security. The offshore oil and gas production has the characteristics of complex operation， high temperature， high pressure and high risk. A systematic technical training for offshore oil and gas engineering students is unable to complete through traditional experimental teaching. It is forbidden to keep close to the production sites without a training and permission. Thereby， a simulation platform for offshore oil and gas engineering was developed based on “virtual reality combination” method. Simulation software and simulation operation platform were combined. Through the platform， the students could master the structure， principle， process flow and normal operation during oil and gas drilling and production. The practical teaching activities， which were difficult to complete on the real offshore platform before， could be realized through the “virtual reality combination” teaching method. Effective cognition to the offshore oil and gas engineering process as well as skill practice was also achieved.

Key words： Virtual reality combination; Offshore oil and gas engineering; Simulation platform; Practical teaching

黨的十八大明確提出“建設海洋強國”的戰略目標和重大任務，標志著我國經濟發展從陸域經濟延伸到海洋經濟并進入實施階段。這是我國從國家發展戰略的全局高度做出的新戰略選擇和決策部署。海洋油氣資源作為我國的戰略資源，在我國能源安全領域中有著極其重要的地位。海洋油氣工業，與傳統的石油工程有巨大差別^[1-3]。真實海上油氣鉆采平臺具有組成復雜、安全管理嚴格（上平臺需安全5小證）、操作風險高等特點。由于海洋油氣開發的特殊性，海洋石油生產中易存在嚴重的安全風險。海洋石油生產中存在的高溫、高壓、高風險、高污染、高成本、不可逆生產過程，使得海洋油氣工程實驗教學無法有效貼近生產現場，難以完成對學習人員系統完善的技能培訓，因此目前實踐教學環節依靠簡單室內實驗實踐和理論分析，是難以實現學生對海洋油氣工程工藝環節的有效認知、實踐與掌握^[4]。

虛擬仿真作為可模擬現實場景的重要手段，可操作性強、安全、高效，可有效應用至復雜環節實踐教學過程中^[5-7]。在高校推動虛擬仿真教學的良好背景下，建立海洋油氣工程虛擬仿真實踐環節，有利于海洋油氣工程專業學生以及相關初學技術人員了解掌握生產環節、實際設備組成等，推動專業人才的合格培養。

1 ?海洋油氣工程仿真平臺建設

海洋油氣工程工藝原理、設計、實施是海洋油氣工程等相關專業學生必須掌握的關鍵環節。為滿足海洋油氣工程、石油工程等專業本科生的實習、實踐環節需要，原有教學過程主要通過學生觀看相關視頻、觀摩鉆井平臺模型等方式進行，教學設備較為簡陋，教學方法較為單一，這種方式的教學效果不突出不明顯，學生缺乏學習興趣，難以對具體生產環節形成直觀理解。

為進一步加深學生對海洋油氣工藝的理解，中國石油大學（華東）石油工程學院開發了海洋油氣工程仿真平臺作為海洋油氣工程等專業實踐環節的重要實現手段。

該仿真平臺開設海洋油氣工程各主要工藝過程的認知及實踐，能夠生動直觀地展現鉆采設備的結構和海洋油氣工程的工作過程，加深學生對海洋油氣工程設備復雜結構、工作原理的認知程度，提高學生專業興趣，有效調動學生學習海洋油氣工程課程的積極性。

海洋油氣工程仿真平臺以第五代以上半潛式鉆井平臺為建模依據，可滿足1 500 m深水海洋油氣鉆采要求，以三維交互的形式與學生形成互動，通過虛擬現實軟件平臺和虛擬現實仿真設備相結合的形式，使得真實海上鉆采平臺上難以實施的實踐教學活動通過虛擬仿真教學方式順利實現。圖1是海洋油氣工程仿真平臺實驗室實景圖。

通過海洋油氣工程仿真平臺，可有效開展如下實踐教學內容：

（1）?司鉆仿真操作：仿真司鉆操作頂驅，仿真副司鉆操作排管機、鐵鉆工和監控畫面（自動）補償系統。

（2）?井控仿真操作：鉆進過程仿真、關井仿真、壓井仿真。

（3）?海洋設備認知及演示：平臺漫游、海上鉆井關鍵技術動畫演示、海洋油氣開采模塊設備認知、油氣水處理系統模型演示、海底管道鋪設。

（4）?漫游鉆井平臺安全逃生模塊，加強安全培訓，熟悉平臺逃生路徑，掌握平臺逃生技巧。

2海洋油氣工程仿真平臺實踐教學理念

海洋油氣工程仿真平臺依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的海洋油氣虛擬環境和實踐對象，學生在虛擬環境中開展海洋油氣工程實踐訓練，從而達到教學大綱要求的教學效果^[8-11]。

2.1 ?海洋油氣工程仿真平臺教學實施過程

海洋油氣工程仿真平臺完整的教學實施過程如圖2所示，具體包括：①實驗教師在課堂講解接鉆桿、卸鉆桿和上扣、卸扣等實踐過程;②學生在大屏幕實時觀察深水油氣鉆進過程;③觀察中同時操作海洋平臺起下鉆模擬器等仿真設備（圖3是學生在海洋油氣工程仿真平臺上VR體驗鉆井平臺安全逃生）。

實踐環節完全在虛擬環境中進行，在虛擬環境中可觀察到關鍵設備的內部形態和運動流程，從而加深學生的印象，提升實訓效果。

學生通過實際操作，可熟練掌握副司鉆排管機接鉆桿、卸鉆桿和司鉆用鐵鉆工上扣、卸扣的全過程。這種可交互式的操作體驗，極大提升了學生的動手操作能力。通過身臨其境的上手操作環節，課本上的內容以3D可視化的方式展示出來，達到將海洋油氣知識點融會貫通的目的

2.2 ?新教學理念和思路探索

在落實“以學生為中心”的教育思想^[12-16]同時，通過仿真平臺建設與實踐充分調動學生的主體性，注重尊重學生的差異性，強調知識學習與實際應用的有機結合，培養學生的學習能力和研究意識。在海洋油氣工程實訓實踐等教學方面逐漸探索出了新的教學理念和思路：

（1）?按照以學生為中心、以產出為導向的新工科工程教育理念，通過半實物與虛擬現實虛實結合的方式，培養學生解決復雜工程問題的能力。

（2）?仿真現實設備危險性較大、無法安全開展的場景，通過設備認知、原理學習、數據交互、現場模擬操作等實踐環節進行展示。

（3）?通過模塊化、層次化、難度適宜的原創性實踐模塊，讓學生適應多任務、多成員間、多角色的切換與任務協同。

3海洋油氣工程仿真平臺實踐教學意義

3.1 ?教學方法改進

順應了現代信息技術的發展，加強實踐教學信息化建設，將理論教學與信息化實踐教學相協同、科學原理與工程應用相結合，推動實踐教育變革與創新，構建網絡化、數字化、信息化的實踐教育體系，培養海洋油氣工業創新人才。

實行“前展后拓”的實踐教學模式。學生自己預習，自主設計實踐方案。利用多元化的教學形式，運用所學知識思索實踐過程中出現的問題，探求問題背后原理，尋求問題解決的多元化方法。

有效落實“以學生為中心”的教育理念，實踐教學以人為本，兼顧普適性與個性，允許學生有選擇性地實踐，進行自主式、合作式、探究式學習。

3.2 ?授課滿意度提升

仿真平臺建設實踐應用后學生滿意度達到93%以上，學習興趣大大提高，知識鞏固程度得到加強，仿真實踐教學前后效果對比如下表1所示。

3.3 ?傳統教學的延伸與拓展

以“互聯網+”為技術驅動，實現線上Web端虛擬系統仿真資源共享、線下半實物系統仿真資源開放，是對傳統海洋油氣工程實踐教學的延伸與拓展。依托該仿真平臺開設海洋油氣工程各主要工藝過程的認識及設計實踐，能夠克服油氣現場生產對實習實訓帶來的諸多不利影響，目前已經實現了海洋油氣鉆采過程全覆蓋，海洋平臺實踐操作功能全覆蓋，VR體驗功能全覆蓋;提升了海洋油氣工程仿真平臺操作體驗，提高了虛擬仿真的真實性和可操作性，使其更加貼近海洋油氣鉆采實際過程。

3.4 ?海洋油氣工程仿真平臺建設的開放共享

仿真平臺支持線上共享和線下開放實踐，今后會不斷豐富海洋油氣工程仿真平臺的各項功能，加快網站建設與優化，不斷優化實踐教學功能，持續向社會提供教學服務。包括面向各中小學生的參觀演示體驗，面向國內石油高校與業內企業進行資源對接與培訓實習，面向“一帶一路”沿線國家進行資源共享與開放服務。

3.5 ?指導課程教學改革方向

依托國家級重點學科、國家“雙一流”建設學科、國家級特色專業—石油與天然氣工程和國家級實驗教學示范中心—石油工程實驗教學中心而開發的海洋油氣工程仿真平臺，以海洋油氣工程行業需求為指引，貫徹OBE教學理念，提升了實踐課授課專業性和規范性。

虛擬仿真實踐教學，說明了在課程網絡申請與管理維護、實踐課程新內容拓展、實踐教學與理論教學等環節互補的重要性。由理論化知識拓展至實踐認知，進一步加強了實踐操作規范化、靈活化教學，最終構建了從知識接收到知識運用、能力提高的實踐教學體系。

4 ?結?論

通過搭建海洋油氣工程仿真平臺，實施虛擬實踐教學內容，塑造了具有浸潤感的虛擬環境，可滿足學生身臨其境的體驗、真實全面的操作等多重需求，達到海洋油氣實際生產與理論實踐的高度融合。

海洋油氣工程仿真平臺的應用，為學生掌握海洋油氣工藝相關設備原理，研究設備與工作面匹配關系、設備間協作工作和性能匹配等方面提供了技術支撐。目前仿真平臺在提高海洋油氣工程實踐教學水平、整合相關教學資源、激發學生興趣、探索新的教學理念方面均取得一定成效。

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