井下作業仿真培訓系統關鍵技術

李 剛，侯平智

（杭州電子科技大學一帶一路信息技術研究院，浙江杭州 310016）

井下安全作業是油田勘探開發過程中保證油水井正常生產的技術手段。井下作業工作為油田生產最前沿的崗位，因其作業環境復雜，無法依靠生產現場對現場操作人員進行系統、有效的安全應急技能培訓［1］。國內部分高校及研究機構已將虛擬仿真技術應用到井下作業的教學中，但大多局限在單人模式的人機交互方面，無法為用戶提供支持多人協作演練的虛擬培訓環境［2-4］。為此，設計一個沉浸感強、支持多崗位協同操作訓練的井下作業仿真系統，對提高井下作業人員的協同配合能力、保證生產安全、提高生產效率具有長遠意義。

1 仿真培訓系統結構

為彌補井下作業傳統培訓方式交互性差、沉浸感弱，且無法開展多崗位協同演練的缺陷，本文設計了一種基于Unity3d游戲引擎的虛擬仿真培訓系統。整個系統采用C/S架構，分為三層：接口層、數據處理層、基礎設施層，井下作業仿真培訓系統結構如圖1所示。通過3D建模模擬生產現場實際裝置，制作3D動畫模擬現場真實場景及通過仿真設備模擬現場操作，提供與現場情況高逼真度的仿真操作環境；學員可以在該環境中漫游巡檢，進行現場生產操作，識別現場危險源以及接受生產巡檢、安全生產應急預案的單人或多人協同的演練培訓。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

1.1 接口層

接口層提供一系列網絡數據傳輸接口，負責與教師端Web網站進行數據交換，用于學員登錄身份驗證，接收教師端發布的培訓任務，喚起指定規程的指定模式，保存學員考核成績至教師端數據庫系統。

1.2 數據處理層

數據處理層負責處理人機交互教學培訓業務邏輯，由教學策略、交互邏輯處理器、教學結果處理器三個模塊組成。

教學策略模塊制定了仿真培訓系統的教學模式。系統根據實際教學任務需要，將整個教學模式分為單人和多人協同兩大模式，每種模式均由講解、引導、訓練以及考核四種基本的策略構成。（1）講解：系統會以三維動畫形式用語音并配合文字對知識點或操作流程進行講解，在講解過程中學員可以進行暫停、回放、重放等簡單操作，無需與虛擬設備交互。（2）引導：系統會將操作員定位到要進行交互操作的地方，以語音配合文字提示的形式引導操作員逐步完成當前的整套操作任務。（3）訓練：系統給學員下達當前要訓練的操作任務，不提供自動定位和與操作相關的任何提示，學員需自主尋找當前操作點所在的位置，僅當操作學員完成當前步驟后再對操作結果給予即時反饋。（4）考核：考核是培訓系統一個不可或缺的環節，為檢查學員對指定規程的掌握程度，系統在該模式中增設考核點，對學員的操作步驟實時監控和評判。考核結束后，系統將學員考核成績通過接口層上傳到服務器端。

交互邏輯處理器用于處理場景中三維物體所有的點擊事件。判斷學員是否到達指定考核點，以及是否按照工序正確點擊指定物體。

教學結果處理器用于搜集操作詳情和統計操作結果，系統根據教學結果處理器提供的數據計算出考核成績。

1.3 基礎設施層

基礎設施層提供通用的基礎功能模塊，采用Unity3d組件化的設計思想，在系統中被數據處理層調用，協同完成如日志管理、回放管理、異步加載等基礎功能，極大地優化了系統的擴展性和可維護性。Unity3d是由Unity Technologies開發的一個讓玩家輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型的互動內容多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。

2 關鍵技術

2.1 虛擬仿真環境搭建

本系統采用三維建模技術搭建虛擬仿真環境，以新疆油田工程技術公司的通用標準作業現場為依據，結合實際作業現場主要設備裝置和工藝，按照實物真實比例建模和制作材質，應用主流三維軟件（Maya/3DMax等）高度還原真實的生產現場，縮減學員從課程學習到現場實操的適應周期。小修作業生產現場與仿真場景對比如圖2所示。

圖2 小修作業生產現場與仿真場景對比Fig.2 Comparison between production site and simulation scene of minor repair operation

2.2 場景渲染優化策略

三維場景中包含了大量的三維模型需要實時渲染，為了保證美術效果和保持幀率，系統綜合采用靜態批處理技術、光照貼圖技術、LOD（多層次細節）技術相結合的優化技術。采用靜態批處理方式將場景中眾多渲染材質相同的模型合并為一個更大的渲染對象進行渲染，提高渲染性能。光照貼圖技術是一種增強靜態場景光照效果的技術，將光線效果預渲染成貼圖應用到多邊形上模擬光影效果，降低場景渲染時的性能消耗。LOD技術則根據場景模型的復雜程度和人體視覺特點，簡化遠距離幾何體的繪制，增強場景的真實感［5］。場景渲染優化后效果如圖3所示。

圖3 小修作業場景渲染優化后效果圖Fig.3 Rendering of minor repair scene after optimization

2.3 多人協同演練的實現

為彌補單人模式下無法實現多崗位協同操作訓練的缺陷，本系統利用Unity序列工具Timeline及Mirror網絡同步框架，設計了一種基于TCP/IP通信協議的多人協同演練模式。Timeline是一個線性編輯工具，是不同元素序列化的載體，包括動畫剪輯、音頻、虛擬攝像機、粒子特效等。通過編寫自定義的腳本軌道（Track），實現人機交互和三維動畫播放等功能。如圖4所示，使用Cinemachine軌道控制人物位置，在Check Point軌道上設置檢查點，檢測學員的操作是否符合規范等。

圖4 Timeline時間軸技術Fig.4 Timeline technology

Mirror是Unity用于構建多人游戲的基于Unet的新版網絡架構，框架簡潔、可維護性強。在局域網中，Timeline時間線順序掃描各崗位CheckPoint軌道上的檢查點，Mirror將檢測結果通過網絡層TCP/IP協議同步至其他崗位Timeline中對應的檢查點，使不同崗位的Timeline始終保持同步播放狀態，從而實現多崗位操作同步。Mirror實現多人協同原理如圖5所示。用戶可以以較高的自由度使用鼠標鍵盤同三維場景中的各種虛擬設備進行基本的交互，體驗各種不同的操作任務，配合完成井下及井控的各項操作，增強學員的協同配合能力。

圖5 Mirror實現多人協同原理圖Fig.5 Schematic diagram of multi person collaboration realized by mirror

3 仿真培訓系統在小修作業溢流關井中的應用

小修作業指井下作業中對油氣井的修理和維護，其基本方法是以起下油管為手段，將井中工具通過油管起出后，進行檢泵、換封等作業。在起下管柱時，井內壓力平衡受不同因素影響遭到破壞而出現溢流，作業隊需按照應急預案協同配合迅速完成關井操作，防止井噴［6］。以小修作業中溢流時關井操作為例，在發生溢流時，各崗位應在班長指揮下依次完成發出信號、停止起下作業、搶裝旋塞、打開放噴閥，關防噴器和旋塞、關放噴閥、讀取壓力七步操作。起下作業時溢流關井流程如圖6所示。

圖6 起下作業時溢流關井流程圖Fig.6 Flow chart of overflow shut in during tripping operation

3.1 操作步驟

學員登錄培訓系統后，選擇小修作業溢流關井規程。初次學習該規程時，需在單人講解模式下熟悉起下作業發生溢流時的關井工序。在引導模式中跟隨系統指引，與場景中的虛擬仿真設備交互，如使用管鉗擰開油管、使用扳手關閉旋塞、操作修井機起降等，體驗沉浸式的仿真教學；接著在訓練模式中進行關井操作訓練；訓練結束后，在考核模式下完成對個人關井操作的檢查。

系統在接收到教師端發布的溢流關井多人培訓任務后，開啟多人協同演練模式。在局域網中，系統根據學號將學員分配至指定房間，同組成員按照不同崗位職責分工，選擇好崗位后，協同完成溢流關井操作的訓練或考核，見圖7。

圖7 井下作業仿真培訓系統使用流程Fig.7 Application process of downhole operation simulation training system

3.2 效果評價

井下作業虛擬仿真培訓系統，已在中國石油新疆培訓中心的師生中開展應用。在井下小修作業溢流關井操作的教學中，2019級井下作業1班采用傳統的課堂教學方式，2班采用仿真平臺教學方式，并組織現場模擬考核。綜合兩個班級學員的學習耗時、操作錯誤率、考核成績對比分析，結果如表1所示。由表1可見，采用虛擬仿真培訓方式，可有效提高學員的學習效率、降低操作錯誤率。

表1 不同教學模式下考核結果Tab.1 Assessment results under different teaching modes

4 結 語

井下作業培訓是為中國石油提供高技能人才的必要途徑，而傳統的仿真培訓系統因其技術陳舊、仿真效果差，已不能滿足工業現代化背景下的教學要求。本文將現代計算機仿真技術應用于井下作業培訓系統中，解決了傳統仿真培訓系統虛擬沉浸感弱且無法實現多崗位協同演練的問題，有效地促進了學員的學習積極性和教學效果，為未來油田培訓系統的改革拓展一個新的思路。