數字孿生VR技術在氣田應急演練中的應用

摘要：以合興場氣田為例，探索數字孿生驅動的虛擬現實操作技術在氣田應急演練中的應用效果。在研究數字孿生和虛擬現實技術的理論基礎上，設計氣田應急演練系統，構建氣田的虛擬孿生模型，結合虛擬現實技術，采用場景渲染算法，渲染并獲取最終氣田應急演練場景，提升虛擬氣田應急演練場景的真實感，為應急演練提供逼真的模擬環境，使參與人員能夠在虛擬環境中進行真實的應急操作。

關鍵詞：數字孿生驅動；虛擬現實；操作技術；氣田應急演練；應用探索

一、前言

氣田作為能源供應的重要基地，其安全運營和應急響應能力對于保障國家能源安全至關重要[1]。在面臨潛在的風險和挑戰時，傳統的應急演練方式已經難以滿足實際需求，迫切需要引入新技術來提高演練的效率。數字孿生驅動的虛擬現實操作技術以其獨特的優勢，為氣田應急演練提供了新的解決方案。數字孿生技術，作為一種將物理實體與虛擬模型相結合的技術，能夠實時模擬和監控實體的運行狀態，為決策提供支持[2]。虛擬現實操作技術則能夠為用戶提供沉浸式的操作體驗，使用戶仿佛置身于真實的場景中。將這兩種技術相結合可以構建出高度逼真的氣田虛擬環境，為應急演練提供全新的平臺[3]。因此，探索數字孿生驅動的虛擬現實操作技術在氣田應急演練中的應用，具有重要的現實意義。本研究旨在深入分析該技術的原理，并通過案例分析驗證了其有效性和實用性。

二、基于數字孿生VR技術的氣田應急演練

（一）數字孿生驅動的虛擬現實操作技術

數字孿生驅動的虛擬現實操作技術主要包括兩個核心部分：數字孿生技術和虛擬現實技術。數字孿生技術是一種將物理實體與虛擬模型相結合的技術。它通過集成傳感器、模型、數據和算法將物理世界和數字世界聯系起來，旨在通過數據驅動的方式，實現對物理實體的實時監控、預測和優化[4]。在氣田應急演練中，可以構建氣田的虛擬孿生模型，該模型能夠實時模擬氣田的生產流程、設備狀態以及潛在的風險因素。通過虛擬孿生模型，可以模擬各種復雜的應急場景，如設備故障、氣體泄漏等，為應急演練提供真實可靠的數據支持。虛擬現實技術是一種能夠創建和體驗虛擬世界的計算機技術[5]。它通過計算機生成的三維圖像和聲音，為用戶提供沉浸式的體驗。在氣田應急演練中，虛擬現實技術可以將參與人員帶入虛擬孿生模型中，使他們仿佛置身于真實的應急場景中。參與人員可以在虛擬環境中進行實時操作，如關閉閥門、啟動應急設備等，從而熟悉應急流程，掌握應急技能。

（二）系統總體結構

在研究數字孿生驅動的虛擬現實操作技術原理基礎上，構建氣田應急演練系統，提高氣田應急演練的質量和效率。該系統總體結構見圖1。

由圖1可知，該系統旨在通過數字孿生和虛擬現實技術，為氣田應急演練提供一個高度逼真、可交互的虛擬環境，以提高應急響應能力和操作效率。氣田應急演練系統總體結構主要包括以下幾個部分：

數據采集層，該層負責收集氣田的實際運行數據，包括設備狀態、工藝流程、環境監測等信息。這些數據經過預處理后，存進數據庫層將作為數字孿生模型的基礎輸入。

數字孿生模型構建層，以數據庫層中的數據作為基礎，利用先進的建模技術和算法，構建氣田的數字孿生模型。該模型需要精確反映氣田的物理結構和運行狀態，以支持后續的虛擬現實操作。

虛擬現實操作層，該層利用虛擬現實技術，將數字孿生模型以逼真的方式呈現給用戶。用戶可以通過虛擬現實設備（如VR頭盔、手柄等）與虛擬環境進行交互，模擬各種應急操作。同時，該模塊還支持多用戶協同操作，提高演練的真實性和有效性。在技術實現方面，系統采用了基于并行光子映射算法的渲染技術，以實現高效、逼真的虛擬環境渲染。

氣田應急演練層的演練控制模塊，在演練時，系統管理者可控制氣田應急演練場景操作；通過記錄/編輯模塊實現氣田應急演練的全程記錄，并生成氣田應急演練檔案；利用氣田應急演練考核模塊考核氣田應急演練過程，并和已有預案進行對比。應急決策支持模塊，該模塊通過分析數字孿生模型中的數據和虛擬現實操作過程中的反饋，為應急決策提供支持。例如，當模擬出現設備故障或氣體泄漏等緊急情況時，該模塊可以自動分析原因并給出相應的處理建議。

系統管理與維護模塊，該模塊負責整個系統的運行管理和維護，同時，該模塊還負責監控系統的運行狀態，確保系統的穩定性。

此外，系統還采用了人工智能和機器學習技術，以支持更加智能化的應急決策支持功能。

三、氣田應急演練場景構建與場景渲染算法

（一）氣田應急演練場景構建

該系統的虛擬環境構建利用數字孿生技術，可以構建出與真實氣田環境高度一致的虛擬模型。該模型不僅包含了氣田的地形、地貌、建筑、設備等物理信息，還包含了設備的運行狀態、工藝流程等動態信息。通過虛擬現實技術，可以將虛擬模型呈現給參與人員，使其能夠身臨其境地感受到氣田的環境和氛圍。通過數字孿生技術的Unity 3D軟件構建氣田應急演練場景，可提高氣田的數字孿生模型的真實性[6]。

應急場景模擬，在虛擬環境中，可以模擬各種復雜的應急場景，如設備故障、氣體泄漏、火災等。這些場景可以根據實際需求進行定制，以滿足不同應急演練的需求。通過模擬這些場景，參與人員可以在虛擬環境中進行真實的應急操作，提高應急響應能力和操作技能。石油化工企業可設置VR體驗室，通過數字孿生驅動的虛擬現實操作技術，實現應急場景模擬。虛擬現實操作示意圖如圖2所示。

由圖2可知，氣田應急演練人員需要進入VR室佩戴VR眼鏡，進入氣田應急演練場景，利用數字孿生技術驅動虛擬現實的實時語音操作，并利用虛擬現實技術完成氣田設備的操作。

（二）場景渲染算法

在實現氣田應急演練場景渲染功能時，采用了基于并行光子映射算法。首先，該算法在第一遍渲染時，光源會向氣田應急演練場景內發射光子，并通過追蹤這些光子的運動軌跡，記錄它們與場景內物體表面的交互信息。接著，在第二遍渲染時，從視點出發，向氣田應急演練場景內發射光線，并追蹤這些光線的路徑。此時，利用第一遍渲染時生成的光子圖，根據其中儲存的光子與物體表面的交互信息，計算并確定圖像平面上對應點的顏色值。最終，通過這些計算，生成完整的渲染圖像。為了提升渲染效率，利用共享內存的并行運算環境來執行這一算法。在這種環境中，通過一個稱為Rank0的進程來分發和劃分渲染任務，同時負責接收和整合各個并行任務生成的渲染結果。這種并行化的方式能夠顯著加速光子映射算法的執行速度，從而實現高效的氣田應急演練場景渲染。并行化光子映射算法的流程見圖3。

在過程一的渲染中，考慮到生成光子的時間成本較低，選擇在各個運算節點上獨立執行這一步驟。為確保生成的光子圖具有一致性，所有光源均使用統一的隨機種子來觸發光子的發射。

關于各運算節點的渲染流程，詳細步驟如下：

1.依據提供的隨機種子，光源從任意位置發射光子。這些光子在氣田應急演練場景內會與不同物體材質交互，經歷吸收、反射或折射，最終形成完整的光子圖。

2.當待渲染的空間R無待處理任務時，系統將渲染點轉移至空間的左上角，并繼續執行后續步驟。

3.以已生成的光子圖為基礎，通過基礎光線跟蹤算法，從視點出發向渲染點發射射線，并捕獲與氣田應急演練場景相交的采樣點P。P點的顏色計算公式如下：

（1）

P點的BRDF函數以fp（P，ω?p，ω?）表示；?A表示P點鄰近光子采樣密度，?A通常為常量；φp表示入射光子能量；n和?φp（ω?p）分別表示與P點最為接近的光子數量、各個光子擁有的能量。

4.隨后，將渲染點移至待渲染空間的右下角。如果渲染點仍在該空間R內，則重復步驟3。若不在，則將當前節點的渲染結果發送至中央處理單元，并返回步驟2繼續處理新的渲染區域。

5.當所有渲染任務完成后，整個渲染過程結束。由于各運算節點的渲染過程保持一致，通過將它們的結果整合，可以得到氣田應急演練場景的最終渲染圖像。

四、數字孿生驅動的虛擬現實操作技術在氣田應急演練中的應用探索

以四川省的合興場氣田為例，該氣田的天然氣產能達18億立方米，為國家能源安全作出了巨大貢獻。為了探索數字孿生驅動的虛擬現實操作技術在氣田應急演練中的應用效果，在合興場氣田應用氣田應急演練系統，并測試該系統的性能。通過該系統構建氣田罐區三維場景與氣田應急演練場景，測試人員佩戴虛擬現實的VR設備進入該氣田應急演練系統，并選取氣田應急演練場景，開始進行氣田應急演練功能測試，測試界面圖如圖4所示。

由圖4（a）可知，通過該系統構建氣田的虛擬孿生模型并結合虛擬現實技術，為測試人員提供了逼真的模擬環境。在圖4（b）中，測試人員佩戴虛擬現實的VR設備進入該氣田應急演練系統，在虛擬環境中，參與人員進行了設備泄漏著火應急場景的演練。圖4（c）中，測試人員依據應急場景中氣田的險情比較嚴重，采用中級指揮方案，利用VR設備選取相應滅火車輛及設備，進行應急處理。演練過程中，系統實時收集了參與人員的操作數據和設備的狀態數據，并對這些數據進行了分析。通過分析發現，參與人員在演練中表現出了較高的應急響應能力和操作技能水平。同時，也發現了一些潛在的問題和改進空間，為今后的應急演練提供了有力的支持。經過綜合分析可知，數字孿生驅動的虛擬現實操作技術在氣田應急演練中的應用效果較好。

五、結語

通過對數字孿生驅動的虛擬現實操作技術在氣田應急演練中的深入探索和應用實踐，得出該技術可行性高，這種模擬演練不僅能夠提高參與者的應急響應能力，還能夠幫助他們更好地理解應急措施的實際效果，為實際應急響應提供有力支持。數字孿生驅動的虛擬現實操作技術在氣田應急演練中具有廣泛的應用前景和重要的實踐價值。未來，將繼續探索該技術的更多應用場景和潛力，為氣田的安全運營和應急響應提供更加有力的支持。

參考文獻

[1]李壯，張歆雨，田培楠.虛擬現實在海洋石油數字孿生中的應用方法[J].電子元器件與信息技術，2023，7（03）：222-225.

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[3]熊佩佩，賈志鵑，張雙雙，等.基于虛擬現實技術的情景模擬演練在CSSD應急預案培訓中的應用[J].當代護士：下旬刊，2022，29（02）：148-150.

[4]索寒生，賈夢達，宋光，等.數字孿生技術助力石化智能工廠[J].化工進展，2023，42（07）：3365-3373.

[5]楊凌云.虛擬現實技術在油庫應急處置系統中的應用[J].石化技術，2022， 29（06）：82-84.

[6]陳超，閆艷.應用災害數字孿生體的應急預案演練系統[J].中國安全科學學報，2021，31（07）：90-96.

作者單位：新疆油田公司采氣一廠

責任編輯：張津平、尚丹