空井筒软关井操作仿真实训系统的设计

周正健 侯平智

（杭州电子科技大学一带一路研究院，浙江杭州 310016）

0.引言

井下作业是油田勘探开发过程中保证油水井正常生产的技术手段。伴随着油田勘探开发工艺和技术的不断升级，石油开发作业的操作工艺越来越复杂，由于不合理的操作引发安全事故的问题也越来越多，如何培训出具有专业水准的在岗工人，保证企业安全生产，成为当前油田勘探开发领域的一个重要课题[1]。为了提高井下作业操作的培训效果，带给学员更加真实的体验，开发出一套空井筒软关井仿真实训系统势在必行。文献[2]针对油田储运过程中的机械清罐作业培训进行系统开发；文献[3]针对电缆射孔工艺开发出了一套仿真培训系统，上述文献虽然开发了一套仿真培训系统，但是都不针对空井筒软关井操作工艺，难以用于井下作业关井操作培训。本文结合实际工艺需求，设计开发出了一套基于Unity3D三维开发引擎的空井筒软关井操作仿真实训系统。系统设计采用了组件化架构思路，实现了三维动画演示、单人模拟演练、多人交互演练、多人交互考核评测等功能，随着仿真实训系统逐步得到应用，会有效提高空井筒软关井操作培训的效果，这对完善油田勘探开发领域的仿真教学有着重要意义。

1.系统架构

当前的空井筒软关井的培训教学，大都采用老师课堂授课讲述操作流程，辅助学员现场参观，培训方法存在学员沉浸感不足和不能随时进行实操训练的缺点，针对存在的问题，本文设计并开发了一套空井筒软关井仿真实训系统。系统总体结构分为3个层次：显示层、业务层、数据层。

（1）显示层。主要包括PC端的电脑，老师和受训学员操作安装有该系统的电脑，登录自己的账号即可进入系统进行培训。（2）业务层。主要包括4部分，分别是三维动画演示、单人演练业务、多人交互演练业务、多人交互考核业务。三维动画演示主要为通过让学员观看空井筒软关井操作视频，了解操作流程和各岗位的任务；单人演练的目的是让学员扮演具体某个岗位在流程中进行操作，进一步加深对关井流程的了解；多人交互演练业务中，关井操作的5个岗位均需要学员来操作，每位学员都需要正确完成自己的操作，关井流程才可以继续，当学员操作错误次数超过3次后，系统会为学员演示正确的操作；当学员对空井筒软关井操作有了充分了解后，可以使用多人交互考核业务进行考核，系统判断学员操作正确与否进行打分。（3）数据层。用来储存学员和老师的账号信息、演示的三维动画、音频资源及仿真场景中的模型数据。

2.系统开发流程及关键技术

2.1 系统开发流程

系统的开发流程共分为工艺考察、三维建模、搭建实训系统、系统测试4部分，系统的开发流程图如图1所示。

图1 开发流程图

（1）工艺考察以实际油田勘探开发现场为依据，了解空井筒软关井操作所需要的场景和设备，熟悉各岗位的分工，着重考察空井筒软关井操作的工艺流程，以流程中的重要操作作为考核模块中的得分点。（2）三维建模主要使用3dsMax软件，将空井筒软关井操作所需的场景、设备、工人模型建模，将搭建好的模型以“.fbx”格式导入到Unity3D软件中，之后使用这些模型搭建和完善操作场地。（3）搭建实训系统主要包括动画制作、碰撞检测、交互控制、脚本编写4部分，其中动画制作目的是将整个空井筒软关井操作工艺以三维动画的形式展示给参加培训的学员。碰撞检测技术解决了防止系统中运动的物体发生彼此穿透的现象。交互控制可以将空井筒软关井操作过程中的设备参数、专业知识等信息通过声音、视频等方式传递给学员，提高了仿真的真实性。（4）系统测试需要完成实训系统功能的测试及修改，之后将系统资源打包发布。

2.2 关键技术

（1）碰撞检测技术。在空井筒软关井仿真实训系统中，为了能够实现交互功能，于是就产生了碰撞检测问题。在空井筒软关井操作工艺中，如果不采用碰撞体检测技术，就会产生在系统中运动的两个物体发生彼此穿透的现象，同时学员在操控虚拟岗位工人在场景中运动时，也需要碰撞检测技术来避免穿透场景中的模型和飞入地下的情况。具体使用起来，我们需要使用Unity3D为场景中的设备模型添加Mesh Renderer脚本和Mesh Collider脚本，如图2、图3所示，这样设备模型就成为了网格碰撞体，在交互操作中，不会出现两个模型相互穿透的现象，而是当两个物体相遇时，就会停止再继续运动。

图2 Mesh Renderer脚本

图3 Mesh Collider脚本

（2）交互技术。交互技术的使用，解决了学员通过鼠标和键盘设备来控制仿真系统中的虚拟工人进行空井筒软关井操作的问题。在空井筒软关井操作进行过程中，需要多个岗位的工人位于场景中的不同位置进行操作，在完成了某项操作之后，需要手势通知其他岗位的工人，因此引入了交互技术。学员可以操作键盘上的“W”“A”“S”“D”4个键来控制人物的移动，空格键控制人物的跳跃，字母“C”键控制下蹲动作，按下鼠标右键可以转动视角，鼠标左键可以点击物体。交互技术的使用可以有效地提高学员使用系统时的互动性和真实性。

3.应用

将空井筒软关井操作仿真实训系统应用于空井筒软关井操作培训中，空井筒软关井操作共需要五个操作岗位，其中班长负责流程的把握，指挥其他工人进行操作，操作手负责操作修井机油车大勾的起降，一岗和二岗位于防喷器两侧进行关井操作，三岗位于节流管汇位置，进行放喷阀门的开关。空井筒软关井操作仿真实训系统的使用，大大提高了井下作业中空井筒软关井操作培训的效果，带给学员更加真实的体验，节约了培训时间，降低了培训成本。

4.总结

结合实际项目，本文设计并开发了一套空井筒软关井操作仿真实训系统。系统总体采用模块化的设计思路，以实际石油开采现场的空井筒软关井工艺为基础，使用虚拟现实技术和交互技术将流程完整实现出来，实现了三维动画演示、单人演练业务、多人交互演练业务、多人交互考核业务等模块功能。通过对系统的测试，该系统运行流畅，性能稳定可靠，可以将抽象的关井流程直观、形象地展现给参加培训的学员，大大地激发他们学习的积极性和主动性，提高教学质量和培训效率，具有较高的推广价值。在后续的开发中，我们将继续优化该系统，提高空井筒软关井操作仿真实训系统的真实性和沉浸感，进一步提高学员的培训体验。