虛擬交互技術在氣田開發領域的研究與應用

錢福源

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，將計算機技術融合應用在各專業領域已成為一種趨勢。人機交互技術是指通過計算機輸入設備、輸出設備，以有效的方式來實現人與計算機對話的技術。本文首先闡述了虛擬交互應用于氣田開發過程中采用的關鍵技術細節，然后介紹三項應用實例并討論了其應用效果。

一、現有技術存在的問題

現有技術只能提供平面示意圖及文字操作流程，缺乏展示站場工藝流程的虛擬仿真技術，無法清晰展現天然氣從井口進站、加熱降壓、分離、計量外輸等一系列流程，站內設備結構展示不直觀。

管網內氣體狀態復雜，且分布情況因各站管網結構不同差別較大，但通用的節點參數模擬技術還是一項空白，通過研究通用的節點參數模擬技術，對管網節點參數進行精確模擬，以避免因壓力系統異常而產生的安全隱患。

缺乏針對天然氣業務的人機交互技術，增大了員工誤判斷、誤操作的概率。通過建立與實際站場相同的虛擬場景，模擬虛擬場景中的各項操作及突發情況，保障井站正常安全生產。

二、虛擬交換技術的研發

（一）虛擬模型的建立

在實際工作中通常采用的建模方式有三種 通過二維平面圖紙生成三維模型，三維建模軟件制作，利用掃描儀實地掃描生成模型。需要根據不同的需求優選建模方式，或采用多種建模方式相結合以提高建模效率。

由于站場建設前的設計圖紙一般采用AutoCAD繪制，利用二維的設計圖生成三維模型，具有很高的建模效率和建模精度，但這種建模方式有一定的局限性，對地面區域、道路或建筑等大型模型及場景的建模可采用這種方式，但不適宜用于設備，管線等精細模型的建立，可以在虛擬場景搭建的初期，快速生成場地的模型，后續可以在該模型基礎上，采用其他建模手段對模型進行精細調整，以豐富模型細節。

三維建模可以對實際場景、建筑、設備及工藝外觀尺寸進行仿真，利用貼圖技術模擬物體表面的顏色、材質、粗糙度和反光度等屬性，提高仿真程度。此外，還需要對動態的物體模型添加質量，表面摩擦系數等物理屬性，從而在功能上實現對模型的運動狀態的物理計算。

（二）交互模擬技術

在虛擬場景中視角的移動、對虛擬設備的操控等功能的實現，需要將三維模型導入到3D引擎中。目前最常用到的三維引擎主要有Unity3D. Unreal engine等，3D引擎可以高效地開發各類三維應用程序，有效減少底層開發的工作量，把開發工作重心轉移到功能的設計上，同時對三維場景的渲染效果也十分出色，提高虛擬場景的仿真程度。

除視角控制外，交互模擬的重點是用戶與虛擬場景與虛擬設備之間的交互，虛擬交互的基礎是3D引擎對用戶觸發的事件進行響應，在可交互的三維物體上添加觸發器組件，可針對用途設置不同觸發條件，用來監聽用戶控制的角色與觸發器產生碰撞、用戶鼠標點擊、鍵盤按鍵等多種交互形式。對于可運動的三維物體，首先要制作各個狀態下的動畫片段，3D引擎中的動畫狀態機可以根據物體的狀態切換不同的動畫片段，從而響應多種狀態下的用戶交互。在播放動畫的同時，還需要通過腳本代碼控制場景中的參數，使其符合操作后整體場景的參數變化。

（三）數據接入與模擬技術

在真實的氣田站場中，設備和管線工藝的關鍵節點都通過儀表測量關鍵參數，測量的范圍包括介質的溫度、壓力、流量、液位等數值，這些參數可以反映出站場的整體工作狀態，當生產出現問題時，也需要通過這些參數來判斷故障原因，從而解決問題。虛擬場景中必須對虛擬設備和工藝引入相關參數，使靜態的三維模型模擬出真實生產站場的工作狀態，針對不同的需求，可以將真實的生產數據通過接口接入虛擬模型中，也可以構建站內的參數模型，研究相關算法模擬生成數據。

實時數據的接入是通過真實站內的工控系統將物理信號轉換為電信號，再通過網絡存儲于實時數據庫，虛擬場景通過讀取數據庫，將數據投射于相應的位置進行展示，通過這種方式將真實場景的工作狀態遠程反映到虛擬場景中。

對于一些需要模擬站內特定工作狀態的場景，需要通過數值模擬的方式還原場景中各節點參數的狀態，而數值模擬技術的核心是數學模型和算法。首先針對虛擬場景中的設備、管線等工藝的關聯關系，建立出相應的拓撲結構，進而建立虛擬井站的數學模型。該數學模型描述了站內各節點間的相互關系，再根據介質在管道內物理狀態的算法編制腳本代碼，就可以實現當單一節點發生變化時，其他節點的聯動反應。算法的負責程度根據相關需求進行調整，當只需要簡單的設備流程等虛擬操作時，可以簡化模型，模擬的重點在于計算管線內介質的連通性、管道腔體內壓力溫度等參數。當需要輔助指導生產、判斷故障的更加精確嚴謹的計算功能時，還需要融合更多的參數，例如介質的非均質性、壓力溫度傳導的時效、實際氣體狀態方程等，但過于復雜的算法會嚴重影響運行效率。

三、虛擬交互技術的應用

（一）模擬日常設備操作

氣田生產中使用的設備專業性強，操作難度大，對操作人員的操作水平要求高的特點，利用交互技術可以使以上問題得到解決。

首先，對設備進行三維精確建模，建立仿真度較高的三維設備模型。然后，研究設備的各個可交互部件的運動方式和規律，使用C#語言編寫腳本，模擬手動操作過程中的部件運動。最后，將各個部件的運動邏輯進行整合，編寫狀態機腳本，記錄虛擬設備的工作狀態，監測操作人員的輸入并給予響應，實現虛擬設備功能的整合。在使用過程中，操作人員可以通過計算機的輸入設備實現虛擬場景中的工具控制，從而完成相關的設備模擬操作流程。

（二）虛擬應急演練

由于氣田站場具有高危、易爆的特點，保障生產安全尤為重要，員工需要在突發狀況發生時快速采取合理的應對措施，應急演練是提高員工應急能力的關鍵途徑。在應急演練中融合交互技術可以顯著提高演練的效果。

在虛擬場景中模擬實際站內的工作狀態是虛擬應急演練的基礎，每個集氣站都具有獨特的管網結構和工作參數，因此，首先運用數值模擬技術推導出適合所有站場的參數算法。在實際運用中，把站內管道的閥門抽象為控制節點，根據這些節點的開關，將管網分割為若干個氣體連通體，每個連通體都擁有相對獨立的壓力系統，計算機會根據特定算法計算這些連通體的壓力分布，然后將各個連通體根據不同站場的管線拓撲結構關聯在一起，從而達到模擬真實井站中氣體壓力分布的目的。

完成了數值模擬之后，還需要對虛擬場景中增加火災、爆炸等一系列特效以模擬緊急狀態時的環境變化。添加人機交互腳本，允許操作人員在虛擬場景中自由移動、操作設備以及倒換流程，進而在虛擬場景中排除險情。

在應用了交互技術以及數值模擬技術后進行虛擬應急演練，可以擺脫場地的制約，不影響井站的正常生產，且保障了演練人員的安全性。此外，在虛擬場景中可以更加真實的模擬火焰、煙霧等逼真的特效，在常規的應急演練模式中難以實現這些效果。

（三）氣田數字化生產輔助

目前，集氣站都采用了安裝有SCADA系統（數據采集與監視控制系統），通過光纜接人網絡，使其具備數據自動采集、自動回傳、統一入庫的硬件條件。物理信號通過PLC遠程傳感器的轉換，將電信號傳送到各站的工控機，工控機將電信號轉換為數值后通過網絡將數據寫入實時數據庫，模擬交互系統讀取數據庫，并實時投射在虛擬場景中，反應在虛擬場景中的設備中。

管理人員可以通過投射于虛擬場景的各項參數判斷各個站場的工作狀態，直觀了解具體參數在實際站內的精確位置。系統的相關算法可根據以往生產大數據進行判斷參數的異常情況，并根據數字模型的拓撲結構輔助判斷發生故障的位置和可能原因，可提高管理人員對故障處置的準確性和及時性。

四、結語

虛擬交互技術應用于氣田開發，可顯著提高員工的工作效率和處理緊急情況的能力，有效保障生產安全，可快速對生產數據處理及分析，且開發成本和應用成本低，運維方便，對新建站場可拓展性較強，應用前景廣闊。