基于VR技術(shù)高含硫天然氣場(chǎng)站培訓(xùn)平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用

譚紅 何軍 徐揚(yáng) 張瑛茵 張雪瑩

【摘? 要】高效的安全培訓(xùn)能提高石油行業(yè)員工的專業(yè)技能，是確保天然氣場(chǎng)站安全運(yùn)行的重要措施之一。論文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了天然氣采氣場(chǎng)站仿真培訓(xùn)平臺(tái)，應(yīng)用結(jié)果表明該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在虛擬場(chǎng)景中開展巡檢培訓(xùn)，為企業(yè)員工安全培訓(xùn)提供了嶄新模式。

【Abstract】Efficient safety training can improve the professional skills of oil industry employees， which is one of the important measures to ensure the safe operation of natural gas station. Based on virtual reality technology， this paper designs and develops a simulation training platform for natural gas production station. The application results show that the platform realizes the development of inspection training in virtual scene， and provides a new mode for safety training of enterprise employees.

【關(guān)鍵詞】天然氣場(chǎng)站;VR技術(shù);培訓(xùn)平臺(tái)

【Keywords】natural gas station; VR technology; training platform

【中圖分類號(hào)】TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）10-0194-03

1 引言

由于高含硫氣井的高風(fēng)險(xiǎn)性和不斷深入開發(fā)，傳統(tǒng)的事故應(yīng)急演練培訓(xùn)方式已無法更好地滿足天然氣安全生產(chǎn)的培訓(xùn)需求。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)培訓(xùn)的弊端，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)際操作培訓(xùn)相融合，設(shè)計(jì)并開發(fā)出了天然氣場(chǎng)站培訓(xùn)平臺(tái)。不僅能夠在沉浸式的虛擬場(chǎng)景中開展場(chǎng)站的日常巡檢和應(yīng)急處置演練，同時(shí)，也避免了重復(fù)培訓(xùn)和資金、人力的投入，其應(yīng)用有利于企業(yè)提高安全管理水平。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）是利用計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下三個(gè)主要特性[1]：

多感知性：指除一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，等等。

交互性：指操作在虛擬環(huán)境所遇到的各種對(duì)象相互作用的能力。操作者能夠像在自然環(huán)境中一樣行走、拿取物件，甚至進(jìn)行一些專業(yè)的操作，同時(shí)，虛擬環(huán)境能給出與真實(shí)環(huán)境相同的反饋。

動(dòng)作性：要求操作者以客觀熟悉的方式在虛擬世界中操作，讓其感受到眼前的是一個(gè)真實(shí)的環(huán)境。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天然氣采氣場(chǎng)站仿真培訓(xùn)平臺(tái)是參照真實(shí)高含硫天然氣場(chǎng)站設(shè)備設(shè)施及實(shí)際工況而搭建的一個(gè)虛擬場(chǎng)景，利用該系統(tǒng)可以對(duì)員工開展站場(chǎng)巡檢要點(diǎn)培訓(xùn)、考核和緊急情況應(yīng)急處置考核兩大功能[2]。

3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

①高度還原，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高度還原真實(shí)場(chǎng)站原貌;

②交互性強(qiáng)，刻錄站場(chǎng)各類工況數(shù)據(jù)真實(shí)，操作者可與虛擬設(shè)備互動(dòng);

③考核前可由教師自由選擇障礙點(diǎn)及考核內(nèi)容，測(cè)試學(xué)員掌握情況;

④事故場(chǎng)景模擬逼真，如泄漏、煙霧、爆炸、燃燒等;

⑤對(duì)每個(gè)操作步驟后臺(tái)賦予相應(yīng)分值，考試時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)分，利于成績對(duì)比分析;

⑥可擴(kuò)展性強(qiáng)，后續(xù)可拓展開發(fā)多場(chǎng)站、多角色聯(lián)動(dòng)應(yīng)急處置等。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)虛擬仿真技術(shù)需求，將整個(gè)構(gòu)架分為以下幾個(gè)部分搭建[3]。

3D建模：按1：1的比例復(fù)原整個(gè)天然氣場(chǎng)站原貌，模擬真實(shí)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，初步實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景搭建（圖1）。

UI設(shè)計(jì)：UI設(shè)計(jì)是指對(duì)軟件的人機(jī)交互、操作邏輯、界面美觀的整體設(shè)計(jì)。需要在編碼之前做好交互設(shè)計(jì)，確立交互模型、交互規(guī)范。

巡檢要點(diǎn)及應(yīng)急演練腳本設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)典型高含硫場(chǎng)站應(yīng)包含的關(guān)鍵巡檢點(diǎn)及其巡檢內(nèi)容要求，開發(fā)了多個(gè)泄漏程度條件下的應(yīng)急處置腳本，整理了對(duì)應(yīng)操作的邏輯關(guān)聯(lián)順序、判定條件和嚴(yán)密的計(jì)分規(guī)則（圖2）。

交互性能開發(fā)：交互性是本平臺(tái)的核心，專業(yè)特點(diǎn)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)充分結(jié)合，同時(shí)，保證其穩(wěn)定性。包括以下方面[4]：

①閥門儀表操作：還原閥門的開關(guān)變化及其引起的壓力等儀表讀數(shù)變化，高精度模擬場(chǎng)站操作效果;

②泄漏、爆炸場(chǎng)景：真實(shí)模擬出站場(chǎng)在發(fā)生氣體泄漏和爆炸時(shí)的視覺與聽覺效果，配置嚴(yán)密的程序邏輯，達(dá)到操作思維和感官反饋與現(xiàn)實(shí)基本一致;

③工具選擇：實(shí)現(xiàn)工具日常的使用功能，實(shí)現(xiàn)即選即用，方便直觀;

④視覺追蹤與切換：實(shí)現(xiàn)視覺基本功能，同時(shí)，結(jié)合用戶輸入，實(shí)現(xiàn)多視覺追蹤和切換;

⑤教師端功能：實(shí)現(xiàn)考核選擇、畫面角度控制、考核得分查詢等，全方位掌握整個(gè)平臺(tái);

⑥數(shù)據(jù)通信：本軟件教學(xué)部分采用C/S軟件體系結(jié)構(gòu)，成績查詢采用B/S框架設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)表現(xiàn)為硬件模擬系統(tǒng)真實(shí)生動(dòng);軟件系統(tǒng)操作簡單方便、功能完善等特點(diǎn)。在系統(tǒng)無真實(shí)介質(zhì)的情況下，軟硬件相互補(bǔ)充，使整個(gè)系統(tǒng)操作更加準(zhǔn)確、逼真[5]。

4.1 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

建立天然氣場(chǎng)站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸等一致的工藝系統(tǒng)。由于虛擬仿真系統(tǒng)沒有介質(zhì)流動(dòng)無法通過傳感設(shè)備提供實(shí)時(shí)的壓力流量變化，所以在本系統(tǒng)中對(duì)閥門操作采取預(yù)設(shè)模擬。通過對(duì)不同閥門（多圈閥門、90°開關(guān)閥門、電動(dòng)閥門、安全閥等）開度設(shè)計(jì)，采用不同方法實(shí)現(xiàn)閥門信號(hào)多級(jí)感知，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的壓力、流量等生產(chǎn)工況變化。

4.2 軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

建立應(yīng)急處置各操作步驟內(nèi)在邏輯關(guān)系，嚴(yán)密計(jì)分規(guī)則，避免系統(tǒng)漏洞。采取雙人角色（班長、班員）同時(shí)考核，不同職責(zé)存在不同分工（下達(dá)應(yīng)急指令、語音匯報(bào)、應(yīng)急處置分工等），計(jì)分規(guī)則嚴(yán)格遵循相對(duì)應(yīng)的崗位職責(zé)。

由于在虛擬空間沒有物體的真實(shí)握感，在操作某些相對(duì)復(fù)雜的工具時(shí)會(huì)比較困難，對(duì)此本系統(tǒng)簡化了部分工具的使用過程，但保留其用途及使用效果，讓測(cè)試者的精力和時(shí)間花在應(yīng)急處置程序上。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)可分為教師端和操作端考核兩大功能。

5.1 教師端功能

考核教師在考試前可自主選擇員工的考核內(nèi)容或者考核中出現(xiàn)的障礙，考試開始后可全程任意捕捉角度畫面并進(jìn)行打分，考核成績會(huì)傳輸?shù)浇處煻撕头?wù)器，考試結(jié)束后可以查詢操作端考生的錯(cuò)誤操作事項(xiàng)以及過往成績對(duì)比。

5.2 日常巡檢培訓(xùn)及考核

將高含硫場(chǎng)站日常巡檢要點(diǎn)植入，人員靠近某一設(shè)備區(qū)域?qū)⒆詣?dòng)彈出本設(shè)備相關(guān)信息。對(duì)所有需要巡檢的設(shè)備儀表都賦予分值，得分條件也與日常巡檢要求相同（如檢查儀表視線要三點(diǎn)一線，輕敲儀表，系統(tǒng)的計(jì)分規(guī)則也是如此），員工可“真實(shí)”開展巡檢，查詢巡檢得分情況。新入廠員工在感知和觸摸的環(huán)境中學(xué)習(xí)更能激發(fā)參與感，迅速掌握基本技能（圖3）。

5.3 多種泄漏條件下的應(yīng)急演練考核

系統(tǒng)設(shè)置了多種泄漏點(diǎn)，允許雙人（一個(gè)班長、一個(gè)班員）開展演練考核。泄漏點(diǎn)可能需要在巡檢中發(fā)現(xiàn)，也可能是接到突發(fā)報(bào)警信號(hào)，員工需要判斷泄漏點(diǎn)位置以及泄漏大小等情況，采取相應(yīng)的處置措施，整個(gè)處置過程的語音匯報(bào)、應(yīng)急操作由兩人協(xié)作完成，計(jì)入總成績，考核時(shí)間30min，超時(shí)自動(dòng)結(jié)束考核。

在現(xiàn)場(chǎng)操作錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)引起設(shè)備起火爆炸等極端后果（圖4），考核會(huì)自動(dòng)結(jié)束并打分。

6 結(jié)語

本VR培訓(xùn)軟件在重慶某天然氣公司員工個(gè)人能力培訓(xùn)中逐漸推廣。按照虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則開發(fā)，讓培訓(xùn)資源多樣化，減少了培訓(xùn)資金投入，解決企業(yè)生產(chǎn)過程中不方便依靠生產(chǎn)裝置進(jìn)行的培訓(xùn)需求，有利于企業(yè)員工將傳統(tǒng)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作技能。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開啟了三維應(yīng)急仿真演練的新紀(jì)元，接下來我們將進(jìn)一步探索，著力對(duì)天然氣行業(yè)復(fù)雜設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)資源進(jìn)行開發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】

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【2】葛銘，朱一龍，魏江，等.石油化工沉浸式3D仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2017（34）：491-496.

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