基于虚拟现实的油气井场安全培训系统设计.pdf

现代计算机Modern Computer第 29 卷 第 14 期2023 年 7 月 25 日基于虚拟现实的油气井场安全培训系统设计苑得鑫*，李嘉俊，李佳萍（中国石油大学（华东）石油工业训练中心，青岛 266580）摘要：针对传统安全培训存在的缺乏互动、形式枯燥、培训效果不佳等问题，将虚拟现实技术引入油气井场安全培训中，通过提炼油气井场典型的风险隐患，设计合理的交互情节，利用3dsMax建立模型，制作动态模型动画，以Unreal Engine 4作为开发引擎，构建交互体验场景，操作者可以通过HTC Vive设备与虚拟空间进行交互，开展油气井场事故体验与学习。实践表明，基于Unreal Engine和HTC Vive的油气井场安全培训系统对于提高学员的安全意识和安全技能具有良好的促进作用。关键词：虚拟现实；Unreal Engine；油气井场；安全培训；3dsMax文章编号:10071423（2023）14011304DOI:10.3969/j.issn.10071423.2023.14.023收稿日期：20230329修稿日期：20230619基金项目：中国石油大学（华东）大学生创新训练项目（202110032）作者简介：*通信作者：苑得鑫（1990），男，黑龙江鸡西人，硕士，讲师，研究方向为工程训练与创新创业教育，Email：；李嘉俊（2001），男，广西柳州人，本科生，研究方向为计算机技术、虚拟现实技术；李佳萍（2002），女，河北沧州人，本科生，研究方向为机电控制技术、虚拟现实技术0引言随着国民经济发展对油气资源需求的不断增长，油气企业进入快速发展阶段，然而，油气井场具有火灾、爆炸、高压物料刺漏、机械伤害、高处坠落、物体打击、触电等诸多风险，在生产运行和检维修过程中易出现安全事故1，因此，安全培训十分重要。传统安全培训的主要形式包括上课和观看视频，这种培训形式不仅缺少交流互动，枯燥乏味，更重要的是不易调动起学员的积极性，以致很难达到必要的培训深度，难以使学员对井场风险形成深刻认识。随着虚拟现实（virtual reality，VR）技术的发展，利用其交互性、沉浸感和构想性三个最突出的特征，可以构建交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，为操作者提供视觉、听觉、触觉等感官体验，使操作者如同身临其境同三维空间内的事物进行交互24。目前，虚拟现实技术已越来越多地应用于矿山、医疗、电力、交通等领域的教育培训，对学员掌握操作技能、提升综合素质起到了巨大的辅助和促进作用5。本文将虚拟现实技术与油气井场安全培训相结合，通过提炼油气井场典型的风险隐患，设计合理的体验场景和交互情节，利用3dsMax建立模型，并导入 Unreal Engine 4 引擎，利用HTC Vive作为输出设备，构建油气井场安全风险体验系统。实践表明，该系统对提高学员的安全意识和风险辨识能力，促进学员安全综合素质提升具有积极作用。1系统开发流程与功能1 1.1 1系统开发流程系统开发流程油气井场安全培训系统既应符合一般软件工程项目的开发流程，又应注重油气井场安全工程背景，其整体开发流程如图1所示，主要分为三个阶段。第一阶段为总体策划，应结合油气井场风险辨识相关标准及典型事故案例，对交互场景和交互情节进行总体设计；第二阶段为模型库建立，根据设备CAD图纸及现场照片、视频等资料，利用3dsMax进行单体设备的三维建模，设计相关场景的平面图，将模型文件以 113现代计算机2023年FBX格式导出；第三阶段是交互开发，将FBX格式的模型文件导入Unreal Engine 4中，进行贴图及灯光的处理，结合井场布局图进行场景构建和碰撞检测，通过蓝图可视化编程，根据设计好的交互情节，实现相应的交互功能，最终完成油气井场安全培训系统的开发。总体策划设备图纸三维模型库地形地貌库导出FBX格式模型井场布局图导入Unreal Engine 4贴图及灯光场景构建碰撞检测蓝图编辑，实现交互功能风险分析，事故案例交互情节设计生成油气井场安全培训系统3dsMax建模图 1系统开发流程1 1.2 2系统功能设计系统功能设计油气井场安全培训系统旨在提高进入井场作业人员的安全意识、风险辨识能力以及事故预防与处置能力，重在直观体验。综合考虑事故发生发展规律及学习认知规律，设计了系统总体功能，如图2所示。在充分辨识油气井场作业风险的基础上，结合GB 6441对于事故类型的划分，设定了皮带夹手、高处作业、阀门刺漏、人员触电、旋转挤入、光杆挤手、火灾及爆炸等八项体验内容，结合实际事故案例，设计合理的交互情节，引导操作者“犯下一个个小错误”，最终导致事故的发生。操作者通过HTC Vive设备第一视角直观体验事故带来的强烈感官刺激和严重后果，随后站在第三视角上观看事故回放，对事故发生发展的全过程进行复盘，对事故产生的原因形成直观认知。在事故体验的基础上，通过图文、语音、视频等形式，多方式提示事故预防措施及应急处置方法，强化知识吸收。此外，每个体验内容均包含了即时测试题目，学员考核合格后，方可解锁下一体验场景，否则需要重新体验。主菜单新手导航情景选择皮带夹手风险体验高处作业风险体验阀门刺漏风险体验人员触电风险体验旋转挤入风险体验光杆挤手风险体验火灾风险体验爆炸风险体验情景引导第一视角事故体验第三视角事故回放预防措施与处置方法即时测试下一关/结束是否合格是否图 2系统功能框架2关键技术2 2.1 1基于基于3 3dsMaxdsMax的抽油机模型动画建立的抽油机模型动画建立抽油机是油气井场中的关键设备，其零部件众多，根据CAD图纸，利用3dsMax作为建模工具进行建模。由于抽油机是动态运行的，为真实还原生产场景，应建立抽油机连续运动模型动画，并带入到Unreal Engine 4中。通过分析抽油机运动特点，在皮带轮轴、曲柄销、中轴承等五处添加骨骼，其位置和作用见表1。为建立各骨骼之间的约束关系，按照曲柄、连杆、游梁、驴头的顺序，依次连环设置IK解算链。通过骨骼蒙皮技术建立骨骼与各运动模型间的物理和几何对应关系，并对各模型运动受到不同骨骼动作影响的权重进行精确设定6。114苑得鑫等：基于虚拟现实的油气井场安全培训系统设计第14期表 1骨骼绑定位置及作用序号12345位置皮带轮轴减速箱输出轴曲柄销处尾轴承中轴承作用带动减速箱输入轴转动带动曲柄转动带动连杆运动带动游梁上下摆动带动驴头上下摆动根据抽油机运动特点，确定驴头上死点、驴头下死点、曲柄上死点、曲柄下死点、游梁水平位置为关键位置，即关键帧。在 TimeLine上，分别对各关键帧下所有骨骼关键点的角度及位置进行调节，在曲线编辑器中，对各关键帧之间位置变化的加速度进行精细Bezier Curve校对，并进行逐帧检查，以保证抽油机动作连续平稳。根据实际抽油机的冲次范围，设定模型动画单次循环为120帧，若超出120帧范围，将模型动画的循环规律设定为“循环”模式，最终得到连续运动的抽油机模型动画。2 2.2 2基于基于UEUE4 4的交互场景构建的交互场景构建Unreal Engine 4（UE4）又称虚幻引擎，该引擎具有强大的蓝图可视化编程功能，可与 C+编程结合互补使用，同时，其系统开源，利用编译版本可以十分方便地接入其他插件，十分便于开发；其光照渲染、物理引擎、材质编辑器等功能和效果基本处于业内顶尖水平，同时对VR手柄和VR控制器等虚拟现实设备提供了良好的支持。将 FBX 格式的三维模型导入 UE4 后，在UE4引擎中完成环境创建及场景渲染，UE4材质系统能够创建出极为真实的材质，利用真实拍摄的抽油机照片贴图以及结合运用MindTex2软件生成的法线、高光等贴图，完成真实的、表面具有凹凸感的材质。导入UE4中的设备模型已经在 3dsMax中完成了 UV展开处理，能够实现为同一个物体的不同表面赋予不同的材质。灯光渲染能够让整体的场景更加真实，主要分为直接光照和全局光照。油气井场为野外环境，其直接光照主要为太阳光，在场景界面或蓝图界面均可设置太阳光的角度和位置；全局光照为环境光，利用Lightmass来存储全局光照，可使环境光更具真实感7。利用 UE4渲染的油气井场效果如图3所示。图 3油气井场渲染效果展示2 2.3 3基于基于UEUE4 4的事故伤害特效设计的事故伤害特效设计在安全体验系统中，事故伤害特效的展示尤为重要，直接决定了操作者受到感官震撼和冲击的程度。基于UE4强大的动态交互、实时渲染能力，通过与实际伤害现象进行对比，设计了符合各项事故体验内容的事故伤害特效，充分调动学员的视觉、听觉、触觉感知，使体验更加真实。为展示事故特效，需进行多项参数的设定。以人物倒地效果为例，应进行如下设置：（1）物理倒下，即空间位置改变；（2）镜头旋转设置，模拟人物滚动效果；（3）尖叫声触发，模拟听觉感受；（4）屏幕材质贴图更换为红色血迹，模拟流血效果；（5）禁止手柄指令，保证触发后手柄无法继续操作，以便充分展示事故效果；（6）屏幕晃动，模拟人员站不稳的效果。115现代计算机2023年各项参数经过反复优化与测试，最终得到最具真实感的事故伤害体验效果。3结语将虚拟现实技术的交互性、沉浸感和构想性应用于教育培训领域，可以提高学员学习的积极性，增加学习的趣味性，易于通过切身感受引发深入思考。本文以油气井场安全体验为主题，通过深挖工程内涵，利用3dsMax建立模型和动画，基于Unreal Engine 4引擎构建交互场景，实现交互功能，利用HTC Vive作为输出设备，建立了油气井场安全培训系统，能够使学员完全沉浸地、自主地、交互地进行安全体验和学习。实践表明，基于该系统开展的安全培训，更加有助于提高学员的安全意识和安全技能，培训效果优于传统培训方式。参考文献：1 马立权.采油作业现场安全风险的预防与控制 J.化工设计通讯，2019，45（4）：62.2 黄仁东，吴同刚.非煤矿山虚拟现实安全培训系统的研究与构建 J.中国安全生产科学技术，2017，13（8）：3641.3 闫兴亚，王馨梅，魏梦婕.基于虚拟现实的丝绸之路交互系统的设计与开发 J.计算机与数字工程，2020，48（4）：838842.4 肖建良，张程，李阳.基于Unity3D的室内漫游系统J.电子设计工程，2016，24（19）：5456.5 高俊涛，李林林.基于虚拟现实的实验系统的设计及应用研究 J.计算机与数字工程，2018，46（8）：16901696.6 唐学军.基于VR技术的多视觉动画角色3D模型设计与实现J.现代电子技术，2020，43（16）：142145.7 肖巍，冯时，王选遥.基于虚幻4引擎的长白山虚拟现实场景地形制作 J.长春理工大学学报（自然科学版），2019，42（6）：133137.Design of oil and gas well site safety training system based on virtual realityYuan Dexin*,Li Jiajun,Li Jiaping（Petroleum Industry Training Center,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China）Abstract:Aiming at the problems of traditional safety training such as lack of interaction,boring format,and poor training effectiveness,virtual reality technology is introduced into oil and gas well site safety training,by refining typical risk hazards in oiland gas well sites,designing reasonable interaction scenarios,using 3dsMax to establish models,producing dynamic model animations,and using Unreal Engine 4 as a development engine to build interactive experience scenarios.Operators can interact with virtual spaces through HTC Vive devices to experience and learn oil and gas well site accidents.The practice has shown that the oiland gas well site safety training system based on Unreal Engine and HTC Vive promotes students safety awareness and skills.Keywords:virtual reality;Unreal Engine;oil and gas well site;safety training;3dsMax 116