虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田中的應(yīng)用探討

1．引 言

　　我國石油行業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)場地質(zhì)情況等密不可分，充滿著危機和挑戰(zhàn)。對于員工的能力和安全意識要求很高，傳統(tǒng)的進場培訓(xùn)有一定的局限性，例如：職業(yè)培訓(xùn)效果是否良好主要依賴于教師的水平，培訓(xùn)過程沒有明確統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，針對性差，沒有可重用性等。可見傳統(tǒng)的培訓(xùn)技術(shù)不但受時間、空間的限制，而且在人力、資源、經(jīng)費、組織實施等方面都存在很大問題。尤其對于危險作業(yè)或不具備實驗條件的高級培訓(xùn)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更是難以實現(xiàn)。傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限性制約了人們所期望的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率，滿足不了現(xiàn)代社會的需求。

　　鉆井模擬器采用虛擬制造技術(shù)的概念，開發(fā)過程基于現(xiàn)代計算機控制技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并結(jié)合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓(xùn)方法。它為用戶提供了起下鉆、鉆進、井控和鉆井事故及復(fù)雜情況處理等作業(yè)的操作過程模擬，主要用于鉆井司鉆、鉆井技術(shù)人員的操作培訓(xùn)和安全培訓(xùn)，并為學(xué)員培訓(xùn)考核提供了教師評分系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)過程中客觀上無法解決的技術(shù)難題。作為新型的針對油田具體情況開發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)，鉆井模擬器有著積極的意義。

　　2．基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬培訓(xùn)

　　該設(shè)備是以控制為中心的VM設(shè)備，主要用于鉆井人才的培訓(xùn)。這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備運用虛擬現(xiàn)實技術(shù) ，真實生動的模擬了鉆井工藝流程的細節(jié)。學(xué)員能夠通過對仿真鉆機設(shè)備的操作，直接觀察到鉆井平臺上的活動以及操作結(jié)果，最終達到讓培訓(xùn)人員掌握正確操作過程的效果。虛擬培訓(xùn)有以下特征：

　　2．1 仿真性

　　在虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下，虛擬培訓(xùn)設(shè)施與真正的培訓(xùn)設(shè)施功能相同，操作方法也一樣，學(xué)員通過虛擬培訓(xùn)設(shè)施訓(xùn)練技能與現(xiàn)實培訓(xùn)基地里同樣方便。這是因為虛擬培訓(xùn)環(huán)境無論是現(xiàn)實的環(huán)境還是構(gòu)想的環(huán)境，都是虛擬的但又是逼真的。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達到使受訓(xùn)者難以分辨真假的程度。

　　2．2 開放性

　　虛擬培訓(xùn)環(huán)境可以為所有受訓(xùn)者在任何時間、地點提供各種培訓(xùn)的場所。實際上，虛擬培訓(xùn)環(huán)境的內(nèi)涵是廣泛的，它不同于傳統(tǒng)的培訓(xùn)基地概念，它具備可以進行類似于傳統(tǒng)培訓(xùn)項目的環(huán)境，但更擅長的是使學(xué)員置身于培訓(xùn)項目對象中的逼真環(huán)境。凡是受訓(xùn)者可以通過有關(guān)器具操作，來學(xué)習(xí)或訓(xùn)練某種技能的虛擬環(huán)境，并都歸之于虛擬培訓(xùn)環(huán)境。

　　2．3 超時空性

　　虛擬培訓(xùn)環(huán)境具有超時空的特點，它能夠?qū)⑦^去世界、現(xiàn)在世界、未來世界、微觀世界、宏觀世界、客觀世界、主觀世界幻想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨呈現(xiàn)或進行有機結(jié)合，并可隨時隨地提供給學(xué)員進行培訓(xùn)。

　　2．4 可操作性

　　受訓(xùn)者可通過使用專門設(shè)備，用人類的自然技能實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的物體進行操作，就像在現(xiàn)實世界中一樣。

　　2．5 對應(yīng)性

　　學(xué)員的培訓(xùn)內(nèi)容與虛擬環(huán)境是密切對應(yīng)的。例如，學(xué)員要學(xué)習(xí)飛行器駕駛技術(shù)，那么虛擬環(huán)境就是飛行器飛行的模擬環(huán)境。對應(yīng)性將能為受訓(xùn)者設(shè)定各種復(fù)雜的情況，以提高受訓(xùn)者的應(yīng)變能力，從而使得他們在實際環(huán)境下能得心應(yīng)手的處理各種情況。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能按每個學(xué)員的基礎(chǔ)和能力，對應(yīng)性的開展個性化的教育培訓(xùn)。

　3．鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計

　　計算機圖形學(xué)是研究現(xiàn)實場景計算機顯示的科學(xué)，也是利用計算機處理人類所能看見的圖景的手段和方法。視景仿真技術(shù)是以計算機圖形學(xué)為理論基礎(chǔ)的三維模型動態(tài)顯示技術(shù)，基本原理是：根據(jù)觀察點及觀察方向?qū)鼍斑M行實時計算和實現(xiàn)，并做到對三維復(fù)雜環(huán)境中物體運動的實時交互控制，產(chǎn)生良好的動畫效果。實現(xiàn)三維模型視景的實時動態(tài)顯示，一方面要求計算機硬件有高速運算能力和很強的三維圖形處理功能；另一方面還要求在算法和軟件上有所發(fā)展，以便在硬件平臺上取得更好的實時動態(tài)顯示效果。視景仿真系統(tǒng)是鉆井模擬器的重要組成部分，它提供給用戶一個三維的真實感視覺環(huán)境。

　　3．1 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)分析

　　鉆井模擬器在虛擬培訓(xùn)過程中需要模擬井場環(huán)境和操作結(jié)果，這就需要視景仿真系統(tǒng)根據(jù)鉆井模擬器司鉆控制臺的操作過程，實時模擬出井場環(huán)境的變化和司鉆、井控操作對鉆井過程的影響。在現(xiàn)實的司鉆和井控過程中，操作錯誤和地質(zhì)環(huán)境變化都是事故的誘因，在鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)中也模擬了事故發(fā)生過程和事故排除的情況。實時地顯示鉆井過程中的數(shù)據(jù)，計算參數(shù)。根據(jù)司鉆臺操作的具體行為，依照物理模型和數(shù)學(xué)模型來模擬設(shè)備運動的過程，使得鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的三維動畫過程更貼近現(xiàn)實。

　　鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)需要對井場設(shè)備、自然環(huán)境、井下情況進行實時的動態(tài)模擬，使培訓(xùn)者在培訓(xùn)過程中除了學(xué)習(xí)操作知識 ，還能更有效、直觀的學(xué)習(xí)到理論知識。硬件設(shè)施和三維圖形軟件的結(jié)合實現(xiàn)了虛擬模擬系統(tǒng) ，培訓(xùn)人員能夠通過這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備完成所有鉆井工作人員所需要的專業(yè)知識和實際操作技術(shù)。

　　3．2 實時場景系統(tǒng)組成

　　根據(jù)鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的需要，開發(fā)過程在Windows xP平臺上，建模部分使用3D MAX完成機械部件的模擬，模型的管理由3D Explorer~成，并實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換導(dǎo)出。程序?qū)δＰ偷目刂朴蒀++Builder6．0實現(xiàn)，整個開發(fā)過程基于OpenGL2．0。

　　鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的實時場景組成包括以下幾個部分：三維圖形實體模型、鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)控制程序、GLSL編寫的渲染效果。

　　在整個組成部分中，最重要的是鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)控制程序，在程序中完成了以下工作：場景初始化、工藝動畫控制、與主控機通信、參數(shù)顯示、碰撞處理以及特效渲染。

　　場景初始化：由于鉆井工藝的復(fù)雜性和虛擬培訓(xùn)的操作性，每個作業(yè)當(dāng)前場景都有所不同。在一個新的作業(yè)開始前，圖形程序在接收到控制機發(fā)出的作業(yè)指令后初始化當(dāng)前場景，例如：鉆井平臺上各操作部件當(dāng)前的數(shù)量、狀態(tài)以及位置。

　　工藝動畫控制：在完成規(guī)定工藝作業(yè)的過程中，司鉆控制臺做出的每一個動作都將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給主控機，再由主控機發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)給圖形程序，圖形程序得到參數(shù)后，做出具體反映。在圖形機上體現(xiàn)出鉆臺上各種控制系統(tǒng)的運動參數(shù)、具體動作、視圖選擇(包括上視角、井下視角、防噴器視角、多視圖顯示等)等。

　　與主控機通信及參數(shù)顯示：主控機的設(shè)計主要由鉆井模擬器設(shè)計的需求決定，由于這套儀器主要用于虛擬培訓(xùn) ，教師和學(xué)生之間有教與學(xué)的關(guān)系，主控機能夠提供給教師一個教育平臺，提供作業(yè)調(diào)度、控制、評分等功能，與此同時，傳遞司鉆控制臺上發(fā)來的各項數(shù)據(jù)，并把與操作有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)給圖形機，即鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)，兩方通信，傳遞參數(shù)并進行數(shù)據(jù)處理，在屏幕上顯示操作過程中需要操作者了解的參數(shù)值。

　碰撞處理：在三維圖形的運動仿真過程中是不允許有“穿墻而過”的狀況發(fā)生的，因此要對運動物體作碰撞檢測的處理。為了遵循模型運動的真實感，鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)當(dāng)然也包括碰撞的檢測與處理部分。

　　渲染特效：實現(xiàn)對火焰 、氣泡 、液體噴涌效果的模擬，使用GLSL實現(xiàn)電影級的光照效果，可以分別模擬白天，夜晚，探照燈等光照模式，大大地提高了圖形效果和真實感。