基于VR的海洋平臺遠程運維系統設計

張健庚 賀保衛 張 健 胡麗麗

（1.中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責任公司，山東 青島 266520；2.青島杰瑞工控技術有限公司，山東 青島 266061）

0 引言

海洋平臺在石油勘探、開發過程中占據非常重要的位置。石油開采過程中，各種作業工藝越來越復雜，主要包括如何使鉆井工人快速而且正確地掌握安全操作以及當設備出現故障后如何快速進行診斷[1]。由于海洋平臺作業設備結構復雜，自動化程度也越來越高，設備中各種元器件相互聯系、相互依賴，因此這就增大了設備故障診斷的難度[2]，對平臺作業來說，能否及時對故障進行快速診斷并排除故障[3]是非常重要的。

建立海洋平臺遠程運維系統可以克服地域和時間的限制，實現專家遠程診斷。遠程運維系統涉及多學科工作組的協同作業，可以有效地提高工作效率和成果的準確性，同時利用專家決策技術搭建系統性平臺，為存在的問題提出有效的解決方案。

1 系統總體架構

該文根據海洋平臺的設計規范、標準等技術文件，充分結合現場運維實際工況和遠程運維的迫切需求，設計了一套基于VR的海洋平臺遠程運維系統，該系統共包括系統軟件、視景顯示、網絡通信、接口采集、音響報警以及輔助診斷6個部分。系統利用接口采集模塊實時采集海洋平臺各個設備的運行情況，在終端打包處理后，通過網絡通信模塊將數據傳到岸端，在系統軟件、視景顯示模塊中進行仿真與顯示，通過音響報警模塊在仿真系統中為運維人員提供身臨其境的聽覺感受，并在該基礎上通過輔助診斷系統形成專家決策，從而完成整個遠程運維過程。系統總體架構如圖1所示。

圖1 總體構架圖

2 系統方案設計

2.1 系統軟件

系統利用相應的軟件，完成數據計算、圖像生成、圖像建模以及平臺運動仿真等過程，并實時處理用戶與虛擬現實環境的交互過程。該部分主要用于模擬運維過程中的外部視覺環境，為運維人員提供空間定向的視覺信息，從而提高仿真感受的真實性。

2.2 視景顯示模塊

視景顯示系統主要由柱形投影幕、投影器、投影校正計算機、投影控制和輔助設備組成，該模塊主要用于形成遠程運維的視覺顯示場景，進一步利用VR眼鏡顯示虛擬場景，提高運維的真實性和沉浸感。

2.3 網絡通信模塊

網絡通信系統用于實現海洋平臺和各系統仿真計算機之間數據的組織、交換以及轉發等過程，是整個運維系統的樞紐部分。

組成系統的所有計算機之間的數據（包括語音數據）均通過網絡系統來進行數據交換和通信。該系統是一個典型的“人在回路”分布交互式實時仿真系統，具有分布交互式實時仿真系統的4個典型特征：異構性、分布性、交互性和實時性。該程序具有3個功能：網絡數據的廣播接收發送功能；一點對多點、多點對一點的實時接收發送功能；分時、分級和分段的網絡數據管理能力。

2.4 接口采集模塊

接口采集系統主要負責海洋平臺各個設備的數據采集工作，并將采集到的接口數據發送到仿真系統，實現遠程運維的數據交互功能。為了使設備具有較高的可靠性和易維修性，信號量的采集與驅動采用模塊化的信號采集驅動板來完成，主要由電源模塊、485通信模塊、TCP/IP通信模塊以及輸入輸出模塊組成。根據系統要求，信號采集驅動板采用高性能單片機作為主控芯片，通過高效的軟件算法對外部模擬量和數字輸入量（DI）進行采集，所有仿真信號量采用專門設計的采集通信板進行采集。為了方便兼容，設計時就要考慮接口采集的一致性問題，布線時將所有的開關量放在前面并保留一定的擴充能力，保證后續接口充足，然后再放置模擬量。

2.5 音響報警模塊

音響模塊是仿真系統中為運維人員提供聽覺感受的非常重要的分系統。它負責模擬真實環境中的各種聲響信號，在聽覺方面為運維人員提供身臨其境的感受，是回路仿真系統中不可或缺的重要組成部分。

音響系統仿真內容包括環境聲、警告聲、撞擊聲以及機電設備啟動運行的噪聲。這些聲音應與操縱、視景系統的情況協調一致。

高風險人群：主要有男男同性性行為者、靜脈注射毒品者、與HIV/AIDS者有性接觸者、多性伴人群、性傳播感染（STI）者。

音響通信模擬系統包括音響分系統和通信分系統2個部分，由計算機、音響播放設備等組成。其中，計算機上插有網卡，負責音響通信計算機與主計算機之間的通信；音響播放設備有聲卡、功率放大器和音箱，負責聲音的播放。

2.6 輔助診斷模塊

輔助診斷模塊對接收到的海洋平臺設備信息進行處理、分析和計算，對設備的運行狀態進行初步評估，并將評估內容與意見發送給相應專家進行查閱。專家通過設備運行數據及系統評估意見做出指導，給出檢修意見及計劃，并通過網絡模塊發送至海洋平臺，相關技術人員根據專家提供的技術指導意見對設備做出相對應的檢修、處理和維護操作。

3 基于VR的系統可視化設計

系統可視化設計是遠程運維系統突顯效果的關鍵[4]，通過手柄在海洋中漫游，可以在平臺上穩定地行走；通過樓梯登山鉆臺面可以進入司鉆房的控制操作平臺；也可以通過井架攀梯方式登上二層臺進行檢查；通過漫游查看各機械結構，運維人員能夠直觀地查看泥漿系統、盤剎系統、大鉤提升系統、游車、氣動卡瓦、動力貓道機以及多功能機械手等設備的當前狀態，提高運維效果，還可以獲得更直觀的效果[5]。

3.1 三維建模

三維建模的任務是在虛擬環境中還原海洋平臺各個設備的結構、外觀及部件的連接方式，并分析系統本身的運動規律和機理。

模型的創建采用Maya或3Ds Max的Polygons多邊形工具精準地進行參數化建模，該方式的建模優勢在于可以在保證模型精準性和美觀性的同時，有效控制組成模型本身面的數量，能夠使輸入參數和輸出型體之間建立精確、可控的聯系，有效地優化場景的大小，提升后期的渲染速度，對中期的UV貼圖的制作以及零部件細節的還原也有很大的幫助。模型制作的主要問題在于保持真實機械的原始比例尺寸，通過對機械零部件細節部分的準確性還原保證中期綁定、動畫等工作的順利進行。

三維物體模型構建分3步：幾何建模、物理建模（紋理、顏色、光照處理）和運動建模；通過紋理處理、數據結構優化、細節層次處理以及調試等步驟完成建模過程。

模型的格式為了滿足不同的需求，需要在MB、OBJ和FBX之間進行轉換。渲染即對模型進行美化，使其表現更貼近實物，采用當下CG行業比較主流的高品質Maya & Mental ray渲染器來進行渲染。作為當下最流行的MR渲染器，它經常用來制作超寫實的工業展示，其優勢在于參數的多樣性、可控性，能夠通過調節各種參數，達到還原真實場景的目的，再通過HDR圖等手段對周圍大環境進行模擬，以達到預期的效果。

海洋平臺鉆修井作業一體化智能系統裝備包括動力貓道機、自行走液壓大鉗、鉆臺機械手、二層臺機械手、液壓吊卡以及動力卡瓦等設備。其中，動力貓道機三維模型如圖2所示，自行走液壓大鉗三維模型如圖3所示。

圖2 動力貓道機三維模型

圖3 自行走液壓大鉗三維模型

3.2 圖像生成

由成像計算機生成的視景圖像，需要經邊沿融合校正計算機完成圖像的幾何形變校正、電子和光學邊緣融合以及對對比度亮度進行統一調整，以保證各通道之間的完整和連續，獲得整個投影畫面的無縫效果，無論白天或是黑夜場景，均可保證圖像的完整性及沉浸效果。

3.3 場景搭建

平臺及外部場景在Untiy 3D軟件中進行搭建，通過行為模型和渲染模型完成對海洋平臺環境的搭建和形成三維立體的顯示、輸出。

具體場景包括動態井場環境虛擬建設，絞車系統、提升系統（游車）、轉盤、井架和底座、天車、司鉆房、生活區、修井機循環設備、鉆臺設備（液壓貓頭、司鉆房和動力卡瓦）、部分管子處理設施等建設與渲染、周圍海洋環境建設與渲染以及光照環境渲染等。

3.4 交互軟件業務方案

交互軟件主要展示設備工藝過程的操作使用戶和軟件系統進行交互，當操作用戶單擊任意畫面（按鈕）進入相應的運維檢測過程時，每個設備的動作流程要保存至數據庫，保證操作過程全程可追溯。通過動作流程的記錄，用戶如果操作失誤，可以進行撤銷動作返回上一級操作的狀態，UI交互如圖4所示。

圖4 UI交互圖

基于Unity，根據工藝流程對海洋平臺設備進行動作設計及腳本編寫。考慮到與實際設備的操作相結合，需要進行業務交互設計。在交互軟件應用平臺中，整個業務模塊包括基礎信息管理、權限管理、工藝流程管理、數據管理、儀表展示模塊、統計查詢以及業務預留接口6個部分，并加入急停、遙控-司控室切換、巡檢崗位職責、單個設備及集成工程切換，保證業務的完整性。

3.5 交互軟件UI設計

整個平臺將采用Microsoft.NET Framework作為系統框架，前臺場景設置和構建采用了當前流行的Maya軟件和Unity 3D 引擎，后臺數據存儲采用SQL Server 數據庫。

系統數據通信采用基本SOAP的加密數據傳輸，使用C#程序采集和處理數據，數據顯示層基于微軟的WinForm技術，并結合了ADO.NET技術動態訪問數據庫。

采用Unity技術構建實時三維動畫互動內容，將Unity嵌入.NET平臺，通過數據采集板卡與實體輸入設備進行實時交互，實時渲染效果，而且將來不需要對太多代碼進行改動，方便在手機客戶端進行發布并與海洋平臺進行交互。

4 通信設計

船端通過各種傳感器采集各設備信息，并將采集的數據傳輸至司鉆房監控系統，將數據打包后，通過船舶網絡交換機發送至船上CDMA設備或衛星通信設備，由網關或衛星地面站中轉后，經Internet傳輸到岸端。岸端的數據處理中心接到船端發送的傳感器數據包后，經過監控服務器、數據服務器以及應用服務器進行數據解析，成功后即存儲到岸端相關的應用系統數據庫中，供岸上用戶終端進行分析與處理，數據傳輸架構如圖5所示。

圖5 數據傳輸架構圖

另外，在海洋平臺的數據融合中使用分簇技術。網絡中的部分節點處于激活狀態，成為簇頭節點，由這些簇頭節點構建了一個連通的網絡來處理和傳輸網絡中的數據，并定期或不定期地重新選擇簇頭節點，以均衡網絡中節點的能量消耗。該方式提高了無線傳感器網絡系統的生存時間，為遠程運維系統的船岸數據通信提供了保障。

5 結論

該文對海洋平臺遠程運維進行研究，建立了一套基于VR的海洋平臺遠程運維系統，克服了地域和時間的限制，實現專家遠程診斷，從而減少海洋平臺的維護時間，提高海洋平臺的工作效率。

在實際應用過程中，該系統可以解決以下問題：1） 提高作業安全性和智能化操作的可靠性。2） 遠程診斷運維系統增加設備可靠性。3）遠程診斷運維系統縮短故障診斷時間，提高故障診斷效率。