虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字孿生結(jié)合的氣田人員培訓(xùn)模式研究

摘要：為提高氣田人員培訓(xùn)效果，保證人員對安全知識的全面了解，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)的氣田人員培訓(xùn)系統(tǒng)，以此進(jìn)行不同模式的人員培訓(xùn)。該系統(tǒng)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可操作化的教學(xué)理念，選擇合適的培訓(xùn)系統(tǒng)登錄，進(jìn)入安全培訓(xùn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)測試環(huán)節(jié)，進(jìn)行不同模式的人員培訓(xùn)。采用深度學(xué)習(xí)完成操作動(dòng)作規(guī)范考核，判斷人員的培訓(xùn)結(jié)果，為相關(guān)企業(yè)管理人員提供幫助，保證更佳的培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)字孿生；氣田人員；培訓(xùn)模式

一、前言

隨著我國石油化工企業(yè)的逐漸發(fā)展，人們對安全的要求越來越高，在石油化工企業(yè)的經(jīng)營管理工作中，企業(yè)員工違規(guī)指揮、違章操作和違反勞動(dòng)紀(jì)律的行為會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，嚴(yán)重威脅著石油化工企業(yè)的發(fā)展和企業(yè)員工的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。特別是新員工，他們對操作的規(guī)定和操作的流程還不是很熟悉，極容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。所以，加強(qiáng)石油化工企業(yè)員工安全技能的培訓(xùn)是石油化工企業(yè)工作的重要內(nèi)容。但是，傳統(tǒng)的石油化工企業(yè)的安全培訓(xùn)形式單一，主要是理論知識的講授[2]，基本是由培訓(xùn)講師對教材進(jìn)行講解，最多會(huì)配合一些錄像視頻，對員工安全意識的提高沒有起到積極的促進(jìn)作用，也沒有滿足減少安全事故的需求。傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式進(jìn)行往往達(dá)不到想要的效果。因此，如何提升培訓(xùn)效果成為企業(yè)人員培訓(xùn)的關(guān)注重點(diǎn)[3]。

基于上述問題，文本將虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字孿生結(jié)合，利用兩種技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)石油化工企業(yè)員工安全培訓(xùn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定不同的培訓(xùn)模式，對員工安全培訓(xùn)的一些現(xiàn)狀和問題進(jìn)行研究與分析，探索出一條新的安全培訓(xùn)教育模式。

二、氣田人員培訓(xùn)模式

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字孿生技術(shù)

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)就是采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的現(xiàn)實(shí)世界，在仿真的世界中有著集視覺、聽覺、觸覺為一體的仿真環(huán)境，使用者可以根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)備切實(shí)地體驗(yàn)到計(jì)算機(jī)技術(shù)事先設(shè)置好仿真環(huán)境，讓使用者有身臨其境的感受和體驗(yàn)。技術(shù)人員通過計(jì)算機(jī)用虛擬仿真技術(shù)將復(fù)雜的程序直觀地展示出來，通過虛擬仿真技術(shù)建立安全操作的平臺和環(huán)境[4]，增加了安全培訓(xùn)的趣味性，可以讓員工進(jìn)行積極的安全知識學(xué)習(xí)和安全操作訓(xùn)練。尤其是對于剛?cè)肼毜男聠T工，這種安全培訓(xùn)的模式有助于增強(qiáng)他們對安全培訓(xùn)教育的學(xué)習(xí)興趣，讓他們更好地掌握安全知識，熟悉安全操作流程，從根本上提高他們的安全意識和實(shí)際操作能力[5]。 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用流程如圖1所示。

石油天然氣企業(yè)可以通過4D虛擬仿真技術(shù)開展良好、有效的安全培訓(xùn)，尤其是對各類難以挽回、難以預(yù)估后果的事故發(fā)生時(shí)狀況的模擬，為全體員工展示現(xiàn)代化的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。該技術(shù)具有高度的綜合化，能夠通過自身的運(yùn)營機(jī)制，高效將所有相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理[6]，進(jìn)行合理并行與分布，整合全部培訓(xùn)知識轉(zhuǎn)化為二維圖形、三維圖形等，并展現(xiàn)在人們眼前。虛擬仿真技術(shù)通過結(jié)合相關(guān)的動(dòng)畫與聲音將情境進(jìn)行模擬或是重現(xiàn)，給予參加培訓(xùn)的員工身臨其境的體驗(yàn)。

2.數(shù)字孿生技術(shù)

作為當(dāng)今科技領(lǐng)域的佼佼者，數(shù)字孿生技術(shù)強(qiáng)大的模擬和仿真能力為各行各業(yè)帶來了革命性的變化。在氣田人員培訓(xùn)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用更是展現(xiàn)出了無與倫比的優(yōu)勢[7]。該技術(shù)基于物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，在虛擬空間中精確映射出實(shí)體目標(biāo)的全生命過程，為氣田人員培訓(xùn)提供了一種全新、高效的解決方案。首先，數(shù)字孿生技術(shù)通過精確數(shù)據(jù)建模和仿真，能夠模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備，為學(xué)員提供了一個(gè)無需實(shí)際設(shè)備和場地的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)員可以在這個(gè)平臺上進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作，從而有效避免了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和成本問題。此外，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)員可以在一個(gè)安全、無風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中熟悉工作流程和設(shè)備操作，提高技能水平，為將來的實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用不僅減少了實(shí)際培訓(xùn)中的錯(cuò)誤和損失，還大大提高了培訓(xùn)的效果。在虛擬環(huán)境中，學(xué)員可以反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不受時(shí)間和空間的限制，從而更快地掌握相關(guān)知識和技能。同時(shí)，通過數(shù)字孿生技術(shù)提供的實(shí)時(shí)反饋和指導(dǎo)，學(xué)員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步提高培訓(xùn)效果。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用流程如圖2所示。

在應(yīng)用流程上，數(shù)字孿生技術(shù)主要包括目標(biāo)孿生體、目標(biāo)物理實(shí)體、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、物理數(shù)據(jù)和人機(jī)交互等五個(gè)部分。其中，目標(biāo)孿生體是根據(jù)目標(biāo)物理實(shí)體的實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)建的，它準(zhǔn)確地反映了實(shí)體目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)行狀態(tài)。構(gòu)建的孿生體模型可以模擬出真實(shí)的培訓(xùn)環(huán)境，為學(xué)員提供身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。人機(jī)交互是數(shù)字孿生技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)孿生體和目標(biāo)物理實(shí)體之間的交互，使得學(xué)員可以在虛擬環(huán)境中對實(shí)體目標(biāo)進(jìn)行操作和控制。同時(shí)，人機(jī)交互還提供了直觀、易懂的界面和工具，方便學(xué)員進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作。

在氣田人員培訓(xùn)中，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了培訓(xùn)效果，還降低了培訓(xùn)成本。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)員可以更加深入地了解氣田設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握設(shè)備操作和維護(hù)技能。同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)還可以為氣田的安全生產(chǎn)和運(yùn)行提供有力支持，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的安全隱患，確保氣田的穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）安全培訓(xùn)模式操作

1.人員培訓(xùn)流程

結(jié)合上述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢，在實(shí)際操作過程中，4D虛擬仿真技術(shù)和VR技術(shù)可以幫助員工進(jìn)行具體的安全操作培訓(xùn)。與此同時(shí)，安全培訓(xùn)還可以搭配一些具有傳感功能的設(shè)備，比如特殊的頭盔、手套等，幫助員工更好地進(jìn)行虛擬操作。在員工安全培訓(xùn)的過程中，可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可操作化的教學(xué)理念，讓安全培訓(xùn)的各個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，人員培訓(xùn)流程如圖3所示。

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行氣田人員培訓(xùn)時(shí)，第一步是系統(tǒng)登錄，企業(yè)員工根據(jù)自己需要的安全培訓(xùn)內(nèi)容，選擇合適的培訓(xùn)系統(tǒng)登錄，進(jìn)入安全培訓(xùn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)測試環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)的設(shè)置是為了更好地了解員工的實(shí)際情況，掌握他們對安全知識的掌握情況。在測試完成以后，系統(tǒng)自動(dòng)核算結(jié)果，對合格的員工直接進(jìn)入實(shí)操環(huán)節(jié)，安全知識不合格的員工則需要繼續(xù)進(jìn)行安全理論知識的學(xué)習(xí)。第二步是順利進(jìn)入仿真實(shí)操環(huán)節(jié)的員工可以自主選擇實(shí)操的具體形式，比如進(jìn)行實(shí)操視頻錄制，或是跟著正確的示范視頻進(jìn)行同步實(shí)操作業(yè)。在這一過程中，系統(tǒng)會(huì)對員工的實(shí)操步驟和流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦在這過程中出現(xiàn)失誤，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)做出提示，并對該操作可能出現(xiàn)的安全事故進(jìn)行詳細(xì)描述。員工可以返回到上一操作步驟繼續(xù)進(jìn)行安全操作，直到完全掌握該操作的正確流程。第三步是系統(tǒng)可通過相關(guān)方法判斷員工的動(dòng)作是否規(guī)范，對員工進(jìn)行的模擬實(shí)操進(jìn)行綜合評價(jià)和反饋。根據(jù)員工在虛擬仿真技術(shù)操作平臺的所有表現(xiàn)，系統(tǒng)給予客觀的評價(jià)，并形成相應(yīng)的評價(jià)報(bào)告。員工可以根據(jù)評價(jià)報(bào)告了解自身安全知識和操作的掌握情況，對自己的操作能力，以及操作失誤所產(chǎn)生的事故后果進(jìn)行深刻了解，便于調(diào)整安全培訓(xùn)的具體內(nèi)容和強(qiáng)度。

2.人員操作動(dòng)作規(guī)范考核

在整體培訓(xùn)過程中，為提升培訓(xùn)效果，系統(tǒng)能夠?qū)T工的操作動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范化考核，為保證考核結(jié)果的精準(zhǔn)性，文中采用完成操作動(dòng)作規(guī)范化考核。

深度學(xué)習(xí)在應(yīng)用時(shí)先構(gòu)建人體骨骼時(shí)空圖G（V，E），其幀數(shù)用T表示，V和E分別表示邊和節(jié)點(diǎn)矩陣。通過幀和幀之間邊描述人體骨骼點(diǎn)的時(shí)序關(guān)系，并且依據(jù)人體自然骨骼連接關(guān)系，在每一幀中構(gòu)建空間圖。該空間圖中，員工k的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分別用j1和j2表示，其對應(yīng)的真實(shí)像素點(diǎn)分別用xkj1 和xkj2 表示，如果像素點(diǎn)p位于人體軀干上，j1至j2的單位向量用L*c，k （p）表示，依據(jù)該向量可計(jì)算人員對應(yīng)的向量場集平均值，計(jì)算公式為：

（1）

nc（p）表示非零向量的數(shù)量。

在進(jìn)行人員操作規(guī)范化考核時(shí)，采用候選關(guān)鍵點(diǎn)對之間的向量場判斷關(guān)鍵點(diǎn)是否屬于同一個(gè)人員，如果兩個(gè)候選關(guān)鍵點(diǎn)對應(yīng)的像素點(diǎn)分別用sj1和sj2表示，在此基礎(chǔ)上計(jì)算向量場集，計(jì)算完成后，利用多層時(shí)空卷積操作，生成高級的特征圖。最后通過Softmax分類器進(jìn)行人員操作動(dòng)作識別，依據(jù)識別結(jié)果判斷人員動(dòng)作是否滿足規(guī)范化考核標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)果分析

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)詳盡且逼真的氣田設(shè)備虛擬模型。這個(gè)模型不僅重現(xiàn)了氣田設(shè)備的物理特性，還模擬了實(shí)際工作環(huán)境中的各種變量和條件，為人員培訓(xùn)提供了一個(gè)無與倫比的平臺。在這樣一個(gè)高度仿真的環(huán)境中，可以進(jìn)行各種內(nèi)容的培訓(xùn)，如圖4和圖5所示，展示了場地巡檢模擬訓(xùn)練和泄漏點(diǎn)檢測培訓(xùn)。

圖4展示了場地巡檢模擬訓(xùn)練的場景。在這個(gè)模擬中，人員可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣，穿戴相應(yīng)的安全裝備，按照規(guī)定的巡檢路線進(jìn)行巡查。虛擬環(huán)境能夠模擬各種天氣條件和設(shè)備狀態(tài)，使學(xué)員在多種情況下進(jìn)行練習(xí)，從而更全面地掌握巡檢技巧。此外，模擬環(huán)境中還融入了各種突發(fā)情況的模擬，如設(shè)備故障、泄漏等，以測試學(xué)員的應(yīng)急處理能力。

圖5則展示了泄漏點(diǎn)檢測培訓(xùn)的場景。在這個(gè)模擬中，學(xué)員需要學(xué)習(xí)如何識別泄漏點(diǎn)、判斷泄漏類型和程度，并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。虛擬環(huán)境可以模擬出不同位置的泄漏點(diǎn)、不同的泄漏物質(zhì)和泄漏速度，讓學(xué)員在多種情況下進(jìn)行練習(xí)。同時(shí)，模擬環(huán)境還可以模擬出泄漏后的擴(kuò)散范圍和濃度分布，幫助學(xué)員更好地了解泄漏對環(huán)境和人員的影響。

運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行員工安全培訓(xùn)，可以將晦澀枯燥的安全知識融入仿真的生產(chǎn)、操作環(huán)境中，讓員工在進(jìn)行體驗(yàn)的過程中就可以掌握安全知識和安全技能。特別是對一些員工不熟悉或者相對復(fù)雜的設(shè)備，這種虛擬仿真技術(shù)讓員工身臨其境，更好地接近實(shí)際的操作體驗(yàn)。即使在虛擬仿真的環(huán)境中進(jìn)行了誤操作也沒有關(guān)系，不會(huì)給企業(yè)員工的生命安全造成威脅。相反，石油化工企業(yè)的員工還可以在誤操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，直到可以熟練掌握該項(xiàng)操作技術(shù)。正是由于員工進(jìn)行安全訓(xùn)練的環(huán)境是一個(gè)虛擬仿真的環(huán)境，當(dāng)員工操作失誤時(shí)，不僅不會(huì)對企業(yè)員工造成威脅，對企業(yè)的設(shè)備也不會(huì)造成影響。

四、結(jié)語

把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到石油化工企業(yè)員工的安全培訓(xùn)教育中，是符合企業(yè)發(fā)展要求，滿足員工安全操作需求的有效手段，與傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)教育相比有著諸多優(yōu)勢。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以將石油化工企業(yè)中常見的安全事故和可能發(fā)生的安全隱患都仿真處理，讓參與培訓(xùn)的員工切實(shí)感受到安全知識和操作的重要性。虛擬仿真操作平臺不僅提高了員工學(xué)習(xí)安全知識的熱情，還有助于安全培訓(xùn)教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對于石油化工企業(yè)的安全生產(chǎn)來說，有著重要的作用。

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作者單位：新疆油田公司基建工程部

■ 責(zé)任編輯：王穎振、鄭凱津