基于Unity 3D 的海洋鉆井半實(shí)物仿真教學(xué)系統(tǒng)

孫 濤，李亞東，遲宏偉，丁 彬，逄仁德

（1.山東海洋工程裝備有限公司，山東 青島 266580；2.山東海洋藍(lán)鯤運(yùn)營(yíng)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

人類進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，石油需求與日俱增。海洋油氣能源儲(chǔ)量巨大，在國(guó)家能源安全領(lǐng)域中占據(jù)著極其重要的地位。海洋石油鉆井平臺(tái)作為海洋油氣勘探開采的重要裝備，其具有組成復(fù)雜、安全管理嚴(yán)格、操作風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[1]。海洋平臺(tái)工作人員在正式上崗前缺少實(shí)際操作機(jī)會(huì)，無法快速掌握熟練的操作技術(shù)，在實(shí)際平臺(tái)作業(yè)中時(shí)有操作不當(dāng)造成的不安全事故發(fā)生，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的需求日益迫切。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過數(shù)字世界呈現(xiàn)真實(shí)的自然場(chǎng)景，為在其中獲得人預(yù)想的表現(xiàn)和控制的對(duì)象提供了極為有效的技術(shù)途徑和展現(xiàn)方式，使其成為當(dāng)下應(yīng)對(duì)復(fù)雜項(xiàng)目難題的首選解決方案。

海洋石油鉆井工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu)配置嚴(yán)格，這對(duì)其功能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和操作者都具有極高的能力要求。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸被應(yīng)用到石油鉆井平臺(tái)仿真培訓(xùn)之中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可對(duì)石油鉆井平臺(tái)整體進(jìn)行原型建模，數(shù)字場(chǎng)景具有良好的逼真性和交互性特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)培訓(xùn)花費(fèi)高、效率低的缺陷，在上崗培訓(xùn)和宣傳海洋平臺(tái)知識(shí)方面發(fā)揮了重要作用，解決了鉆井平臺(tái)技術(shù)操作培訓(xùn)難的窘?jīng)r，對(duì)于高校人才培養(yǎng)以及提高海洋石油鉆井平臺(tái)相關(guān)工作人員的技能具有重要的意義。

1 仿真系統(tǒng)總體框架與目標(biāo)

1.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)

半實(shí)物仿真即硬件在環(huán)仿真，是通過結(jié)合虛擬數(shù)字模型與實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真測(cè)試，把實(shí)物模型利用計(jì)算機(jī)接口串聯(lián)到軟件環(huán)境中，借助實(shí)時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件模擬整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)物模型的接入可以實(shí)現(xiàn)部件在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的環(huán)境中進(jìn)行觀察的需求，可以形象地反映實(shí)物模型的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性等特性，半實(shí)物仿真對(duì)比其他類型的仿真方法具備經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)更高真實(shí)度的可能性。

多數(shù)石油鉆井仿真模擬系統(tǒng)采用純軟件仿真，通過直接控制PC 機(jī)對(duì)建立的數(shù)字三維模型進(jìn)行狀態(tài)控制，缺乏控制器硬件設(shè)備的指令傳輸，理論驗(yàn)證相對(duì)比較抽象，而半實(shí)物仿真系統(tǒng)通過結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、信息通訊接口技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真交互功能具有更切身的體驗(yàn)效果。其設(shè)計(jì)思路是首先對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模和純數(shù)學(xué)虛擬仿真，結(jié)合初步測(cè)試結(jié)果對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行修改定型，再引入實(shí)物模型替代部分?jǐn)?shù)字模型，然后修改模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

1.2 鉆井仿真系統(tǒng)研發(fā)目標(biāo)

本仿真教學(xué)系統(tǒng)以海洋石油自升式鉆井平臺(tái)為原型。目前海洋油氣開采使用的可活動(dòng)鉆井平臺(tái)主要有坐底式鉆井平臺(tái)、半潛式鉆井平臺(tái)、自升式鉆井平臺(tái)和鉆井船4 類，其中自升式鉆井平臺(tái)是當(dāng)下國(guó)內(nèi)海洋石油開發(fā)中使用最廣的一種鉆井平臺(tái)[2]，其由駁船形船體（上層平臺(tái)）、樁腿及升降機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)前，平臺(tái)多配備全自動(dòng)化鉆機(jī)，設(shè)備的動(dòng)作由程序控制，操作員在司鉆房?jī)?nèi)實(shí)施遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)無人化。在鉆井流程中鉆臺(tái)面是鉆井操作最集中的區(qū)域，在鉆臺(tái)區(qū)域完成的主要鉆井作業(yè)包括鉆進(jìn)作業(yè)、起下鉆作業(yè)、下套管作業(yè)、固井作業(yè)等。

傳統(tǒng)模擬仿真采用VC++與OpenGL 圖形編程技術(shù)控制三維數(shù)字模型，其缺點(diǎn)是編程內(nèi)容多、技術(shù)門檻高以及與設(shè)備匹配性低。本海洋鉆井仿真系統(tǒng)借助成熟且經(jīng)濟(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，總體框架圍繞鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)、鉆井工藝與系統(tǒng)控制等應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，確定模擬系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)三大功能：虛擬鉆井平臺(tái)設(shè)備與實(shí)物座椅控制器的實(shí)時(shí)交互控制模擬功能、虛擬鉆井平臺(tái)的三維工作場(chǎng)景自主漫游展示功能以及虛擬鉆井平臺(tái)部分系統(tǒng)處理程序、通訊接口驗(yàn)證等功能。

仿真教學(xué)系統(tǒng)是實(shí)際裝備與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的海上平臺(tái)操作演練平臺(tái)，系統(tǒng)主要包括平臺(tái)仿真模擬器、仿真服務(wù)器、三維虛擬視景演示系統(tǒng)三大模塊組成。仿真軟件接收操作臺(tái)輸出的鉆井平臺(tái)主要分系統(tǒng)的控制信號(hào)，并且提供操作臺(tái)觸摸屏所需要顯示的海洋平臺(tái)系統(tǒng)及設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)，用戶對(duì)平臺(tái)模擬器的操作信號(hào)通過仿真服務(wù)器解析生成三維虛擬視景演示系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)三維虛擬視景演示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行相應(yīng)的矩陣轉(zhuǎn)換，通過圖形渲染在顯示設(shè)備中顯示出來。同時(shí)仿真服務(wù)器將狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給模擬器，模擬器做出相應(yīng)的回應(yīng)?？蚣茉O(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 框架設(shè)計(jì)

2 仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

海洋鉆井仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)是一項(xiàng)融合多學(xué)科技術(shù)的系統(tǒng)工作，涉及的技術(shù)主要有數(shù)字建模、模型表現(xiàn)、工業(yè)自動(dòng)化控制及接口通訊等，通過各專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人才將不同專業(yè)的資源高效整合完成教學(xué)平臺(tái)的搭建。系統(tǒng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用局域網(wǎng)C/S 網(wǎng)絡(luò)模式，通過OPC 通訊橋梁，完成司鉆椅控制器與虛擬場(chǎng)景數(shù)字模型的信息通訊，方案設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 方案設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)從設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上可大致分為三大模塊：三維數(shù)字模型模塊、PLC 控制器通訊模塊、三維仿真交互模塊。

3 仿真交互系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 三維數(shù)字模型模塊

搭建數(shù)字場(chǎng)景是設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的前提，建模要盡可能保證模型的尺寸、形狀、工藝與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一致，數(shù)字模型的真實(shí)度是影響用戶體驗(yàn)評(píng)價(jià)的重要因素。

在眾多三維建模軟件中，3D Max 是最受青睞的建模軟件之一，相較其他建模軟件，其構(gòu)建的模型具有精度高、易于修改、格式兼容性好等特點(diǎn)，強(qiáng)大的渲染功能可以為導(dǎo)入仿真軟件的模型提供材質(zhì)貼圖，3D Max 通過其超高的性價(jià)比被廣泛應(yīng)用在廣告、影視、裝修及仿真交互等領(lǐng)域。鉆井平臺(tái)建模是整個(gè)仿真教學(xué)系統(tǒng)的重要部分，收集平臺(tái)原型數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)任務(wù)，使用3D Max 軟件根據(jù)平臺(tái)實(shí)際布局進(jìn)行三維建模。通過分析設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，明確結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，使用多邊形建模法建立模塊，布爾模塊合并成一個(gè)對(duì)象[3]，構(gòu)建井架、懸臂梁、司鉆房、動(dòng)力貓道、排管機(jī)和鐵鉆工等三維模型，綁定層次鏈接，實(shí)現(xiàn)IK 關(guān)系運(yùn)動(dòng)。

為獲得更好的項(xiàng)目體驗(yàn)，模型的建立要足夠精細(xì)[4]，同時(shí)應(yīng)避免生成的大數(shù)據(jù)量影響系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度，三維模型質(zhì)量的高低將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的友好度與可視化水平，模型要逼真、盡量減少點(diǎn)線面數(shù)以滿足仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的制作要求。通常模型優(yōu)化方式采用以下幾點(diǎn)：

（1）盡可能減少模型面數(shù)，刪除不可見面或重疊的面，避免渲染出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。

（2）運(yùn)用Photoshop 處理賦予模型的照片，以減少材質(zhì)數(shù)量、壓縮貼圖等方式優(yōu)化模型。比如對(duì)于生活區(qū)門窗等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過材質(zhì)編輯器繪制紋理貼圖代替復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)，運(yùn)用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)真實(shí)的視覺效果，可以有限減化模型，節(jié)省運(yùn)行內(nèi)存，提高仿真交互程序運(yùn)行的流暢度。

（3）采用LOD 層次細(xì)節(jié)技術(shù)，在不同層次的視覺條件下使用不同精細(xì)程度的模型，以加快場(chǎng)景的顯示速度。自升式鉆井平臺(tái)三維模型如圖3 所示。

圖3 鉆井平臺(tái)三維模型

3.2 PLC 通訊控制模塊

可編程控制器PLC 使用數(shù)字或模擬量輸入/輸出操控各類型機(jī)械或生產(chǎn)過程，其基本構(gòu)成包括電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊等部分，是工業(yè)控制的核心部分。PLC 的一個(gè)掃描周期分信號(hào)采集、程序運(yùn)行、信號(hào)更新3 個(gè)階段，通過不斷重復(fù)掃描周期完成數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)使用真實(shí)的工控系統(tǒng)設(shè)備對(duì)虛擬仿真場(chǎng)景數(shù)字模型進(jìn)行控制，通過操控司鉆椅的手柄或按鍵發(fā)送控制信號(hào)，將電信號(hào)采集傳輸給PLC中的控制算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算，輸出的控制信號(hào)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)綀D形工作站與虛擬仿真交互模塊進(jìn)行通訊[5]，實(shí)時(shí)控制虛擬仿真軟件中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)虛擬仿真軟件中的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)信息等也通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絎inCC 界面，將設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)的人機(jī)組態(tài)畫面中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控調(diào)整。除了PLC程序中做好連鎖、告警輸出以外，上位機(jī)做好更細(xì)致的分級(jí)、歸類和存檔指示。控制登陸界面如圖4 所示。

圖4 PLC 登陸界面

指令通訊按照以太網(wǎng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過OPC 通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)接口開發(fā)，完成虛擬仿真模型與司鉆椅PLC 控制器的信息交換，為滿足后續(xù)功能添加以及控制信號(hào)更改，接口代碼設(shè)計(jì)為開放式，可自主進(jìn)行后續(xù)功能的開發(fā)[6]。WinCC界面如圖5 所示。

圖5 WinCC 界面

3.3 仿真交互模塊

虛擬仿真是用一個(gè)系統(tǒng)模擬真實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。為流暢運(yùn)行仿真程序，要求工作站硬件系統(tǒng)具備較高的圖像處理能力，同時(shí)為了切實(shí)模擬司鉆視角配置拼接顯示屏多方位顯示監(jiān)視畫面。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件通常不具備三維建模功能，其主要作用是對(duì)導(dǎo)入的數(shù)字模型等素材進(jìn)行整合處理，現(xiàn)在流行的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件包括Unity 3D、3DVIA Virtools、VR-Platform、Cult3D 等引擎。Unity 3D引擎作為全球最火爆的仿真軟件之一，其跨平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)簡(jiǎn)易高效，通過仿真程序創(chuàng)造一個(gè)虛擬的海洋鉆井平臺(tái)，實(shí)時(shí)控制模擬對(duì)象變化并與之相互作用，完成整個(gè)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模擬。

（1）將FBX 模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 軟件中搭建整個(gè)海洋平臺(tái)的虛擬場(chǎng)景，通過腳本程序和物理引擎對(duì)平臺(tái)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和工藝交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景中排管機(jī)、貓道、頂驅(qū)、鐵鉆工及鼠洞等單體設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制，以及多體配合展示鉆井接立根工藝作業(yè)流程控制，模擬不同仿真工況并分析系統(tǒng)的正確性、穩(wěn)定性。通過拓展其與半實(shí)物模擬器的交互仿真功能、增強(qiáng)控制邏輯與機(jī)械裝備動(dòng)作交互能力、制作自升式鉆井平臺(tái)三維模型及交互控制數(shù)據(jù)等開發(fā)工作，完成自升式鉆井平臺(tái)的操作控制、系統(tǒng)測(cè)試等培訓(xùn)任務(wù)，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全操作規(guī)范等驗(yàn)證任務(wù)，完成海洋工程裝備作業(yè)狀態(tài)三維可視化同步監(jiān)控任務(wù)。仿真交互程序如圖6 所示。

圖6 仿真交互程序

（2）借助HTC Vive 頭盔、手柄設(shè)備，預(yù)設(shè)第一人稱視角角色控制器高度1.7 m 進(jìn)行空間位置變換，利用手柄控制向前移動(dòng)，頭盔改變前進(jìn)方向，限定二層臺(tái)、圍梯可移動(dòng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)人員在虛擬平臺(tái)中的交互漫游，構(gòu)建一個(gè)沉浸感強(qiáng)、實(shí)時(shí)互動(dòng)性好的鉆井平臺(tái)仿真漫游系統(tǒng)[7]。

4 仿真系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試

軟件與硬件模塊搭建完成需要進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，即實(shí)現(xiàn)PLC 控制模塊與仿真交互模塊的同步運(yùn)行。使用仿真軟件替代PLC 硬件在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序開展模擬調(diào)試，以節(jié)省時(shí)間提高效率。編程軟件的狀態(tài)圖、圖表監(jiān)視程序均可以作為觀察模擬量信號(hào)的途徑。模擬調(diào)試完成后進(jìn)行實(shí)物聯(lián)機(jī)調(diào)試，將程序植入現(xiàn)場(chǎng)的PLC 中，通過座椅按鍵、手柄等硬件輸入對(duì)鉆井平臺(tái)各系統(tǒng)獨(dú)立測(cè)試、整體系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試，檢驗(yàn)控制指令的匹配性、有效性以及工藝模塊能的完整性。

仿真教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行過程生動(dòng)地演示了鉆井工藝操作，學(xué)員依靠對(duì)仿真設(shè)備的操作，可以直接觀察到鉆井平臺(tái)設(shè)備模型的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)讓學(xué)員掌握正確操作過程的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真模型的有效模擬和驗(yàn)證[8]。測(cè)試效果如圖7 所示。

圖7 仿真系統(tǒng)運(yùn)行

5 結(jié)論

（1）搭建了一種海洋石油鉆井半實(shí)物仿真教學(xué)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)模型和仿真交互模塊為培訓(xùn)人員提供了認(rèn)知鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)布局以及熟悉鉆井作業(yè)工藝流程的學(xué)習(xí)平臺(tái)，同時(shí)借助作業(yè)過程中的動(dòng)態(tài)仿真來檢驗(yàn)平臺(tái)存在的結(jié)構(gòu)性和空間性不足。

（2）設(shè)計(jì)了仿真教學(xué)系統(tǒng)的框架路線，實(shí)現(xiàn)司鉆椅模擬控制器輸入設(shè)備對(duì)鉆井設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制以及上位機(jī)程序處理，優(yōu)化了半實(shí)物仿真項(xiàng)目的框架路線，為制定相似功能的半實(shí)物仿真系統(tǒng)項(xiàng)目提供借鑒，同時(shí)進(jìn)一步縮短了將虛擬仿真操作系統(tǒng)研究成果成功植入現(xiàn)場(chǎng)裝備的研究進(jìn)程。

（3）模擬了鉆井平臺(tái)的作業(yè)工藝控制，實(shí)現(xiàn)了PLC硬件設(shè)備與虛擬仿真交互模塊之間的信號(hào)傳輸，測(cè)試設(shè)備模型對(duì)硬件指令響應(yīng)的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和同步性度狀態(tài)，驗(yàn)證了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的可靠性；將造價(jià)昂貴的海洋平臺(tái)帶入到實(shí)驗(yàn)室中，減少了現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)的巨大開支，對(duì)提高學(xué)員的學(xué)習(xí)能動(dòng)性具有現(xiàn)實(shí)意義。