虛擬現實(shí)技術(shù)在油田中的應用探討

1．引 言

　　我國石油行業(yè)的發(fā)展與現場(chǎng)地質(zhì)情況等密不可分，充滿(mǎn)著(zhù)危機和挑戰。對于員工的能力和安全意識要求很高，傳統的進(jìn)場(chǎng)培訓有一定的局限性，例如：職業(yè)培訓效果是否良好主要依賴(lài)于教師的水平，培訓過(guò)程沒(méi)有明確統一的評價(jià)標準，針對性差，沒(méi)有可重用性等?？梢?jiàn)傳統的培訓技術(shù)不但受時(shí)間、空間的限制，而且在人力、資源、經(jīng)費、組織實(shí)施等方面都存在很大問(wèn)題。尤其對于危險作業(yè)或不具備實(shí)驗條件的高級培訓，傳統的培訓方式更是難以實(shí)現。傳統培訓模式的局限性制約了人們所期望的培訓質(zhì)量和培訓效率，滿(mǎn)足不了現代社會(huì )的需求。

　　鉆井模擬器采用虛擬制造技術(shù)的概念，開(kāi)發(fā)過(guò)程基于現代計算機控制技術(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)，并結合了鉆井工程的實(shí)際工藝，改變了原有的鉆井培訓方法。它為用戶(hù)提供了起下鉆、鉆進(jìn)、井控和鉆井事故及復雜情況處理等作業(yè)的操作過(guò)程模擬，主要用于鉆井司鉆、鉆井技術(shù)人員的操作培訓和安全培訓，并為學(xué)員培訓考核提供了教師評分系統，解決了傳統培訓過(guò)程中客觀(guān)上無(wú)法解決的技術(shù)難題。作為新型的針對油田具體情況開(kāi)發(fā)的培訓系統，鉆井模擬器有著(zhù)積極的意義。

　　2．基于虛擬現實(shí)技術(shù)的虛擬培訓

　　該設備是以控制為中心的VM設備，主要用于鉆井人才的培訓。這套虛擬培訓設備運用虛擬現實(shí)技術(shù) ，真實(shí)生動(dòng)的模擬了鉆井工藝流程的細節。學(xué)員能夠通過(guò)對仿真鉆機設備的操作，直接觀(guān)察到鉆井平臺上的活動(dòng)以及操作結果，最終達到讓培訓人員掌握正確操作過(guò)程的效果。虛擬培訓有以下特征：

　　2．1 仿真性

　　在虛擬現實(shí)技術(shù)支持下，虛擬培訓設施與真正的培訓設施功能相同，操作方法也一樣，學(xué)員通過(guò)虛擬培訓設施訓練技能與現實(shí)培訓基地里同樣方便。這是因為虛擬培訓環(huán)境無(wú)論是現實(shí)的環(huán)境還是構想的環(huán)境，都是虛擬的但又是逼真的。理想的虛擬環(huán)境應該達到使受訓者難以分辨真假的程度。

　　2．2 開(kāi)放性

　　虛擬培訓環(huán)境可以為所有受訓者在任何時(shí)間、地點(diǎn)提供各種培訓的場(chǎng)所。實(shí)際上，虛擬培訓環(huán)境的內涵是廣泛的，它不同于傳統的培訓基地概念，它具備可以進(jìn)行類(lèi)似于傳統培訓項目的環(huán)境，但更擅長(cháng)的是使學(xué)員置身于培訓項目對象中的逼真環(huán)境。凡是受訓者可以通過(guò)有關(guān)器具操作，來(lái)學(xué)習或訓練某種技能的虛擬環(huán)境，并都歸之于虛擬培訓環(huán)境。

　　2．3 超時(shí)空性

　　虛擬培訓環(huán)境具有超時(shí)空的特點(diǎn)，它能夠將過(guò)去世界、現在世界、未來(lái)世界、微觀(guān)世界、宏觀(guān)世界、客觀(guān)世界、主觀(guān)世界幻想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨呈現或進(jìn)行有機結合，并可隨時(shí)隨地提供給學(xué)員進(jìn)行培訓。

　　2．4 可操作性

　　受訓者可通過(guò)使用專(zhuān)門(mén)設備，用人類(lèi)的自然技能實(shí)現對虛擬環(huán)境的物體進(jìn)行操作，就像在現實(shí)世界中一樣。

　　2．5 對應性

　　學(xué)員的培訓內容與虛擬環(huán)境是密切對應的。例如，學(xué)員要學(xué)習飛行器駕駛技術(shù)，那么虛擬環(huán)境就是飛行器飛行的模擬環(huán)境。對應性將能為受訓者設定各種復雜的情況，以提高受訓者的應變能力，從而使得他們在實(shí)際環(huán)境下能得心應手的處理各種情況。另外，虛擬現實(shí)技術(shù)能按每個(gè)學(xué)員的基礎和能力，對應性的開(kāi)展個(gè)性化的教育培訓。

　3．鉆井模擬器視景仿真系統的分析與設計

　　計算機圖形學(xué)是研究現實(shí)場(chǎng)景計算機顯示的科學(xué)，也是利用計算機處理人類(lèi)所能看見(jiàn)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)為理論基礎的三維模型動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，基本原理是：根據觀(guān)察點(diǎn)及觀(guān)察方向對場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)計算和實(shí)現，并做到對三維復雜環(huán)境中物體運動(dòng)的實(shí)時(shí)交互控制，產(chǎn)生良好的動(dòng)畫(huà)效果。實(shí)現三維模型視景的實(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示效果。視景仿真系統是鉆井模擬器的重要組成部分，它提供給用戶(hù)一個(gè)三維的真實(shí)感視覺(jué)環(huán)境。

　　3．1 鉆井模擬器視景仿真系統分析

　　鉆井模擬器在虛擬培訓過(guò)程中需要模擬井場(chǎng)環(huán)境和操作結果，這就需要視景仿真系統根據鉆井模擬器司鉆控制臺的操作過(guò)程，實(shí)時(shí)模擬出井場(chǎng)環(huán)境的變化和司鉆、井控操作對鉆井過(guò)程的影響。在現實(shí)的司鉆和井控過(guò)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中也模擬了事故發(fā)生過(guò)程和事故排除的情況。實(shí)時(shí)地顯示鉆井過(guò)程中的數據，計算參數。根據司鉆臺操作的具體行為，依照物理模型和數學(xué)模型來(lái)模擬設備運動(dòng)的過(guò)程，使得鉆井模擬器視景仿真系統的三維動(dòng)畫(huà)過(guò)程更貼近現實(shí)。

　　鉆井模擬器視景仿真系統需要對井場(chǎng)設備、自然環(huán)境、井下情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬，使培訓者在培訓過(guò)程中除了學(xué)習操作知識 ，還能更有效、直觀(guān)的學(xué)習到理論知識。硬件設施和三維圖形軟件的結合實(shí)現了虛擬模擬系統 ，培訓人員能夠通過(guò)這套虛擬培訓設備完成所有鉆井工作人員所需要的專(zhuān)業(yè)知識和實(shí)際操作技術(shù)。

　　3．2 實(shí)時(shí)場(chǎng)景系統組成

　　根據鉆井模擬器視景仿真系統的需要，開(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)現模型數據文件的轉換導出。程序對模型的控制由C++Builder6．0實(shí)現，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程基于OpenGL2．0。

　　鉆井模擬器視景仿真系統的實(shí)時(shí)場(chǎng)景組成包括以下幾個(gè)部分：三維圖形實(shí)體模型、鉆井模擬器視景仿真系統控制程序、GLSL編寫(xiě)的渲染效果。

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

　　場(chǎng)景初始化：由于鉆井工藝的復雜性和虛擬培訓的操作性，每個(gè)作業(yè)當前場(chǎng)景都有所不同。在一個(gè)新的作業(yè)開(kāi)始前，圖形程序在接收到控制機發(fā)出的作業(yè)指令后初始化當前場(chǎng)景，例如：鉆井平臺上各操作部件當前的數量、狀態(tài)以及位置。

　　工藝動(dòng)畫(huà)控制：在完成規定工藝作業(yè)的過(guò)程中，司鉆控制臺做出的每一個(gè)動(dòng)作都將轉換成數字信號傳遞給主控機，再由主控機發(fā)送協(xié)議數據給圖形程序，圖形程序得到參數后，做出具體反映。在圖形機上體現出鉆臺上各種控制系統的運動(dòng)參數、具體動(dòng)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顯示：主控機的設計主要由鉆井模擬器設計的需求決定，由于這套儀器主要用于虛擬培訓 ，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(gè)教育平臺，提供作業(yè)調度、控制、評分等功能，與此同時(shí)，傳遞司鉆控制臺上發(fā)來(lái)的各項數據，并把與操作有關(guān)的數據發(fā)給圖形機，即鉆井模擬器視景仿真系統，兩方通信，傳遞參數并進(jìn)行數據處理，在屏幕上顯示操作過(guò)程中需要操作者了解的參數值。

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

　　渲染特效：實(shí)現對火焰 、氣泡 、液體噴涌效果的模擬，使用GLSL實(shí)現電影級的光照效果，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(shí)感。