石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐

白金美 張少輝 何巖峰

[摘要]石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心利用信息化技術(shù)，結(jié)合石油行業(yè)的特點(diǎn)和高等工程教育的發(fā)展需求，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，深入開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和研究，凝練出“遞歸跟進(jìn)式”實(shí)踐教學(xué)理念，形成了“五目標(biāo)、三層次、三模式”特色鮮明的培養(yǎng)體系。經(jīng)過多年發(fā)展，中心在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)、教學(xué)模塊設(shè)計(jì)開發(fā)、教學(xué)模式實(shí)施、開放共享等方面取得了顯著成效。

[關(guān)鍵詞]石油鉆采;儲運(yùn)工程;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[中圖分類號]G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）07-0060-03

信息技術(shù)對高等教育發(fā)展具有革命性影響，推動信息技術(shù)與教育的雙向融合創(chuàng)新是促進(jìn)高等教育改革創(chuàng)新、提高高等教育質(zhì)量的有效途徑。信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域和管理過程中的應(yīng)用正在逐步深入，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實(shí)需要，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。其有力地促進(jìn)了教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的時空，促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的全面提升。

石油鉆采與儲運(yùn)行業(yè)安全生產(chǎn)責(zé)任大、生產(chǎn)任務(wù)重，在企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的難度大;鉆采與儲運(yùn)機(jī)械價格高昂、耗電驚人，實(shí)踐培訓(xùn)成本高;鉆采與儲運(yùn)現(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜、事故隱患多、安全風(fēng)險大，很多實(shí)驗(yàn)難以采用傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)，無法保證教學(xué)效果。鉆采和儲運(yùn)是密切聯(lián)系的兩個石油生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國內(nèi)高校分別側(cè)重于培養(yǎng)為石油鉆采服務(wù)的工程師和為石油儲運(yùn)服務(wù)的工程師。經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)已建成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，面向的教學(xué)對象分別為石油工程專業(yè)或油氣儲運(yùn)工程專業(yè)的學(xué)生，這樣培養(yǎng)出的人才知識結(jié)構(gòu)較為單一。為此，常州大學(xué)基于自身在石油工程、油氣儲運(yùn)工程、油田化學(xué)、油氣安全工程等方面的綜合優(yōu)勢，針對石油行業(yè)特點(diǎn)和高等教育內(nèi)涵式發(fā)展對實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人才培養(yǎng)提出的新要求，在與中國石化共建的國家級工程實(shí)踐教育中心和兩個省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的支撐下，組建了服務(wù)于石油與天然氣工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)的石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。經(jīng)過10多年的建設(shè)和發(fā)展，現(xiàn)已成為特色鮮明、多學(xué)科融合、具有示范和共享作用的教學(xué)科研基地。其建立了6個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，探索實(shí)施了3種虛擬仿真教學(xué)模式，產(chǎn)學(xué)研深度融合，自主研發(fā)了大量工業(yè)化的仿真訓(xùn)練教學(xué)裝備及軟件，為學(xué)生提供了系統(tǒng)化、高水平的石油工業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺。

一、構(gòu)建系統(tǒng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在江蘇省重點(diǎn)建設(shè)礦業(yè)類專業(yè)（石油工程與油氣儲運(yùn)工程專業(yè)）、教育部綜合改革試點(diǎn)專業(yè)（安全工程）等優(yōu)勢明顯和特色鮮明的教學(xué)科研平臺支持下，凝練出了保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的“遞歸跟進(jìn)式”教學(xué)理念，構(gòu)建了獨(dú)具特色的“五目標(biāo)、三層次、三模式”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。學(xué)生通過在高度仿真的虛擬環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，達(dá)到了教學(xué)大綱培養(yǎng)目標(biāo)的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖1所示。

經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐和完善，以“教學(xué)情景化、課程模塊化、實(shí)訓(xùn)平臺化、能力工程化、素質(zhì)綜合化、監(jiān)控常態(tài)化”的“五目標(biāo)”為基礎(chǔ)，建立了“專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”“培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)”“培養(yǎng)創(chuàng)新能力的科研與實(shí)訓(xùn)教學(xué)”的“三層次”的訓(xùn)練教學(xué)核心環(huán)節(jié)，安全環(huán)保教育貫穿全部環(huán)節(jié)的油氣鉆采儲運(yùn)工程實(shí)踐教學(xué)體系。在教學(xué)過程中，利用油氣井工程（鉆井）、油氣田開發(fā)工程（采油）、油氣集輸、石油處理與管輸、天然氣處理與管輸和油氣安全應(yīng)急處理等6大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的100余套仿真軟件，可安全地模擬地層和密閉管道中“不可視”環(huán)境下的油氣流動與設(shè)備工況，并通過人機(jī)交互將操作結(jié)果及時反饋給操作者，從而讓操作者得以“視微”而了解地下油層內(nèi)的微觀油氣滲流規(guī)律;得以“知著”而了解到生產(chǎn)工藝流程的各環(huán)節(jié)之間的相互影響和協(xié)調(diào)性;得以“習(xí)邇”而能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)的模擬仿真結(jié)果，學(xué)習(xí)診斷和解決復(fù)雜故障的方法;得以“及遠(yuǎn)”而掌握使用自動化裝置遠(yuǎn)程操作的能力。這加強(qiáng)了學(xué)生對石油鉆采與儲運(yùn)工程的基本認(rèn)知，強(qiáng)化了基本實(shí)踐操作技能，實(shí)現(xiàn)了與生產(chǎn)現(xiàn)場的零距離接觸，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。

二、“遞歸跟進(jìn)式”教學(xué)理念

“需求一目標(biāo)一實(shí)施一評價一反饋一改進(jìn)”閉式循環(huán)改進(jìn)的跟進(jìn)式教學(xué)理念對于持續(xù)改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量非常有效，可以將其引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。仿真中心先將此閉式循環(huán)引入培養(yǎng)方案的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，根據(jù)企業(yè)的需求確定實(shí)踐課程;然后將此閉式循環(huán)引人實(shí)踐課程中對實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，確保實(shí)踐項(xiàng)目的內(nèi)容和數(shù)量滿足培養(yǎng)方案中對應(yīng)用型工程技術(shù)人才工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)要求;最后，將此閉式循環(huán)引入每個實(shí)踐項(xiàng)目中，對該次課的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，確保知識目標(biāo)和能力目標(biāo)的達(dá)成。總體上看，為培養(yǎng)出企業(yè)需要的人才，需要將教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的閉式循環(huán)從宏觀的調(diào)整培養(yǎng)方案，向設(shè)置實(shí)踐項(xiàng)目，以及更為微觀化的規(guī)劃實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容方向逐步深入，是同一個閉式循環(huán)逐步深入地自身調(diào)用，這就是“遞歸跟進(jìn)式”實(shí)踐教學(xué)理念，具體如圖2所示。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊建設(shè)

石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合教學(xué)需求和專業(yè)特點(diǎn)，不斷豐富教學(xué)資源，建立了油氣井工程（鉆井）、油氣田開發(fā)工程（采油）、油氣集輸、石油處理與管輸、天然氣處理與管輸和油氣安全應(yīng)急處理6個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊和100余套仿真軟件，使不可視、不可及的作業(yè)場景可視化，使不可控、不可逆的場景重復(fù)再現(xiàn)化，使高風(fēng)險、高污染的作業(yè)安全環(huán)保化。本文介紹其中3個模塊的功能和特點(diǎn)。

（一）鉆井工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件模塊

鉆井工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件模塊共開設(shè)17個實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，主要適用于本科3年級以上、專業(yè)核心課和專業(yè)選修課階段的教學(xué)。本模塊實(shí)體主要由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)仿真控制系統(tǒng)、3D鉆井作業(yè)場景動畫系統(tǒng)、實(shí)體教學(xué)設(shè)備（鉆機(jī)模型、井控設(shè)備模型、泥漿循環(huán)系統(tǒng)模型、鉆井管柱模型等）、多媒體顯示器、模擬音效系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成，完整地再現(xiàn)石油鉆井工藝操作流程，展現(xiàn)工作現(xiàn)場場景和工作氣氛，提高學(xué)生對鉆井作業(yè)現(xiàn)場的感性認(rèn)識，具體如圖3所示。

（二）油氣集輸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件模塊

實(shí)體設(shè)備主要由油氣集輸設(shè)備仿真模型、天然氣長輸管道虛擬仿真實(shí)訓(xùn)裝置、原油長輸管道虛擬仿真實(shí)訓(xùn)裝置、油氣水三相流虛擬仿真實(shí)訓(xùn)裝置等組成。該平臺能夠真實(shí)展現(xiàn)油氣集輸?shù)牡叵隆⒌厣舷嚓P(guān)整個工藝流程并實(shí)現(xiàn)互動操作。通過本教學(xué)模塊的項(xiàng)目訓(xùn)練，學(xué)生可以學(xué)習(xí)油氣集輸中五站（采油站、計(jì)量站、轉(zhuǎn)油站、注水站、聯(lián)合站）設(shè)備的工作原理、分布、功能和使用方法，掌握常見的油氣集輸工藝，實(shí)現(xiàn)油氣集輸設(shè)備仿真實(shí)訓(xùn)、天然氣及原油長輸管道工藝虛擬實(shí)訓(xùn)、油氣水三相流虛擬實(shí)訓(xùn)等教學(xué)功能，具體如圖4所示。

（三）天然氣處理及管輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件模塊

本模塊主要針對天然氣處理控制設(shè)備進(jìn)行模擬仿真，具備完整的控制功能和操作畫面。可實(shí)現(xiàn)天然氣生產(chǎn)過程中參數(shù)、設(shè)備的控制;流程和趨勢的顯示;故障設(shè)置、報警和處理;圖表的產(chǎn)生和繪制等功能。最終實(shí)現(xiàn)：可模擬再現(xiàn)天然氣處理生產(chǎn)情景，滿足天然氣處理生產(chǎn)過程所有項(xiàng)目的操作訓(xùn)練和考核的需求。

通過本教學(xué)模塊的項(xiàng)目訓(xùn)練，學(xué)生可以學(xué)習(xí)天然氣處理的關(guān)鍵設(shè)備的工作原理、分布、功能和使用方法，掌握常見的天然氣處理工藝，實(shí)現(xiàn)天然氣處理工藝操作、故障處理仿真實(shí)訓(xùn)等功能，具體如圖5所示。

四、探索多元化虛擬仿真教學(xué)手段

為了保障虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容的順利開展，石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不斷加強(qiáng)研究與實(shí)踐，開發(fā)了桌面式虛擬實(shí)驗(yàn)、沉浸式仿真訓(xùn)練、親歷式互動實(shí)訓(xùn)3種虛擬仿真教學(xué)模式，根據(jù)教學(xué)目的，因地制宜，合理實(shí)施，相互補(bǔ)充，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著提升。

（一）桌面式虛擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)特色化的石油鉆采和儲運(yùn)工程實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，進(jìn)行了實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備和桌面式虛擬仿真教學(xué)軟件的研發(fā)。桌面式虛擬仿真教學(xué)軟件指采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬鉆采井場、儲運(yùn)場站、設(shè)備等，將井下和生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)不可視的場景展現(xiàn)為安全可視的三維虛擬場景，是人機(jī)互動相對較少的軟件。仿真中心重點(diǎn)對實(shí)體裝置無法模擬的高溫高壓、易燃易爆和高成本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了“桌面式”仿真教學(xué)軟件的開發(fā)，共形成軟件50余套，顯著提高了學(xué)習(xí)效率。

（二）沉浸式仿真訓(xùn)練

根據(jù)各個層次實(shí)踐內(nèi)容的特點(diǎn)，開發(fā)沉浸式虛擬仿真軟件，即具有視、聽等多種感知的逼真虛擬環(huán)境，可在計(jì)算機(jī)上模擬鉆進(jìn)、開采、儲運(yùn)、事故處理等活動，進(jìn)行交互式視景仿真和信息交流的軟件。同時，針對多人在線的情況，學(xué)生還可以進(jìn)行模型化、角色化、事件化的訓(xùn)練模擬，使其訓(xùn)練更接近真實(shí)情景。

（三）親歷式互動實(shí)訓(xùn)

基于工程實(shí)踐教育中心的實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源，開發(fā)“虛實(shí)結(jié)合”的親歷式虛擬仿真軟件，即將石油勘探開發(fā)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、油氣田現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)裝備制作成模型，具備真實(shí)裝備所具有的相關(guān)結(jié)構(gòu)、功能，將其與虛擬仿真軟件相對接，使操作者實(shí)現(xiàn)仿真裝備與虛擬環(huán)境的有效互動。此類軟件的單次操作人員少，但更為接近真實(shí)工況。

五、結(jié)束語

石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心經(jīng)過長期的教學(xué)實(shí)踐與文化積累，在教學(xué)理念、教學(xué)體系、教學(xué)平臺、評價機(jī)制等方面都取得了新發(fā)展。已經(jīng)建設(shè)成為全面落實(shí)工程素質(zhì)教育，培養(yǎng)兼通油氣儲運(yùn)和石油工程知識的高層次工程應(yīng)用型人才的重要基地。目前，仿真中心開設(shè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)科目類型齊全，滿足了全校不同專業(yè)對石油與天然氣工程訓(xùn)練教學(xué)的需要，提高了大學(xué)生的實(shí)踐動手能力。仿真中心的實(shí)踐教學(xué)體系完善，師資工程經(jīng)驗(yàn)豐富，創(chuàng)新能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果好，本科生受訓(xùn)后的創(chuàng)新精神、工程能力和團(tuán)隊(duì)合作精神明顯提高。中心將繼續(xù)夯實(shí)基礎(chǔ)，突出特色，堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的道路，不斷加強(qiáng)自身內(nèi)涵建設(shè)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。