基于VR技术高含硫天然气场站培训平台的开发与应用
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【摘 要】高效的安全培训能提高石油行业员工的专业技能，是确保天然气场站安全运行的重要措施之一。论文基于虚拟现实技术，设计并开发了天然气采气场站仿真培训平台，应用结果表明该平台实现了在虚拟场景中开展巡检培训，为企业员工安全培训提供了崭新模式。
【Abstract】Efficient safety training can improve the professional skills of oil industry employees， which is one of the important measures to ensure the safe operation of natural gas station. Based on virtual reality technology， this paper designs and develops a simulation training platform for natural gas production station. The application results show that the platform realizes the development of inspection training in virtual scene， and provides a new mode for safety training of enterprise employees.
【關键词】天然气场站;VR技术;培训平台
【Keywords】natural gas station; VR technology; training platform
【中图分类号】TP391.9 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）10-0194-03
1 引言
由于高含硫气井的高风险性和不断深入开发，传统的事故应急演练培训方式已无法更好地满足天然气安全生产的培训需求。为了弥补传统培训的弊端，将虚拟现实技术与实际操作培训相融合，设计并开发出了天然气场站培训平台。不仅能够在沉浸式的虚拟场景中开展场站的日常巡检和应急处置演练，同时，也避免了重复培训和资金、人力的投入，其应用有利于企业提高安全管理水平。
2 虚拟现实技术概述
虚拟现实技术（Virtual Reality）是利用计算机模拟虚拟环境给人以环境沉浸感，从而实现人机交互。虚拟现实技术具有以下三个主要特性[1]：
多感知性：指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，等等。
交互性：指操作在虚拟环境所遇到的各种对象相互作用的能力。操作者能够像在自然环境中一样行走、拿取物件，甚至进行一些专业的操作，同时，虚拟环境能给出与真实环境相同的反馈。
动作性：要求操作者以客观熟悉的方式在虚拟世界中操作，让其感受到眼前的是一个真实的环境。
3 系统结构设计
天然气采气场站仿真培训平台是参照真实高含硫天然气场站设备设施及实际工况而搭建的一个虚拟场景，利用该系统可以对员工开展站场巡检要点培训、考核和紧急情况应急处置考核两大功能[2]。
3.1 系统特点
①高度还原，用虚拟现实技术高度还原真实场站原貌;
②交互性强，刻录站场各类工况数据真实，操作者可与虚拟设备互动;
③考核前可由教师自由选择障碍点及考核内容，测试学员掌握情况;
④事故场景模拟逼真，如泄漏、烟雾、爆炸、燃烧等;
⑤对每个操作步骤后台赋予相应分值，考试时系统自动计分，利于成绩对比分析;
⑥可扩展性强，后续可拓展开发多场站、多角色联动应急处置等。
3.2 系统设计与实现
根据虚拟仿真技术需求，将整个构架分为以下几个部分搭建[3]。
3D建模：按1：1的比例复原整个天然气场站原貌，模拟真实生产运行参数，初步实现场景搭建（图1）。
UI设计：UI设计是指对软件的人机交互、操作逻辑、界面美观的整体设计。需要在编码之前做好交互设计，确立交互模型、交互规范。
巡检要点及应急演练脚本设计：本系统设计了一个典型高含硫场站应包含的关键巡检点及其巡检内容要求，开发了多个泄漏程度条件下的应急处置脚本，整理了对应操作的逻辑关联顺序、判定条件和严密的计分规则（图2）。
交互性能开发：交互性是本平台的核心，专业特点与虚拟现实技术充分结合，同时，保证其稳定性。包括以下方面[4]：
①阀门仪表操作：还原阀门的开关变化及其引起的压力等仪表读数变化，高精度模拟场站操作效果;
②泄漏、爆炸场景：真实模拟出站场在发生气体泄漏和爆炸时的视觉与听觉效果，配置严密的程序逻辑，达到操作思维和感官反馈与现实基本一致;
③工具选择：实现工具日常的使用功能，实现即选即用，方便直观;
④视觉追踪与切换：实现视觉基本功能，同时，结合用户输入，实现多视觉追踪和切换;
⑤教师端功能：实现考核选择、画面角度控制、考核得分查询等，全方位掌握整个平台; ⑥数据通信：本软件教学部分采用C/S软件体系结构，成绩查询采用B/S框架设计。
4 系统平台关键技术
本系统表现为硬件模拟系统真实生动;软件系统操作简单方便、功能完善等特点。在系统无真实介质的情况下，软硬件相互补充，使整个系统操作更加准确、逼真[5]。
4.1 硬件系统关键技术
建立天然气场站生产现场设备材质、结构、尺寸等一致的工艺系统。由于虚拟仿真系统没有介质流动无法通过传感设备提供实时的压力流量变化，所以在本系统中对阀门操作采取预设模拟。通过对不同阀门（多圈阀门、90°开关阀门、电动阀门、安全阀等）开度设计，采用不同方法实现阀门信号多级感知，实现相应的压力、流量等生产工况变化。
4.2 软件系统关键技术
建立应急处置各操作步骤内在逻辑关系，严密计分规则，避免系统漏洞。采取双人角色（班长、班员）同时考核，不同职责存在不同分工（下达应急指令、语音汇报、应急处置分工等），计分规则严格遵循相对应的岗位职责。
由于在虚拟空间没有物体的真实握感，在操作某些相对复杂的工具时会比较困难，对此本系统简化了部分工具的使用过程，但保留其用途及使用效果，让测试者的精力和时间花在应急处置程序上。
5 系统应用
该系统可分为教师端和操作端考核两大功能。
5.1 教师端功能
考核教师在考试前可自主选择员工的考核内容或者考核中出现的障碍，考试开始后可全程任意捕捉角度画面并进行打分，考核成绩会传输到教师端和服务器，考试结束后可以查询操作端考生的错误操作事项以及过往成绩对比。
5.2 日常巡检培训及考核
将高含硫场站日常巡检要点植入，人员靠近某一设备区域将自动弹出本设备相关信息。对所有需要巡检的设备仪表都赋予分值，得分条件也与日常巡检要求相同（如检查仪表视线要三点一线，轻敲仪表，系统的计分规则也是如此），员工可“真实”开展巡检，查询巡检得分情况。新入厂员工在感知和触摸的环境中学习更能激发参与感，迅速掌握基本技能（图3）。
5.3 多种泄漏条件下的应急演练考核
系统设置了多种泄漏点，允许双人（一个班长、一个班员）开展演练考核。泄漏点可能需要在巡检中发现，也可能是接到突发报警信号，员工需要判断泄漏点位置以及泄漏大小等情况，采取相应的处置措施，整个处置过程的语音汇报、应急操作由两人协作完成，计入总成绩，考核时间30min，超时自动结束考核。
在现场操作错误时，会引起设备起火爆炸等极端后果（图4），考核会自动结束并打分。
6 结语
本VR培训软件在重庆某天然气公司员工个人能力培训中逐渐推广。按照虚实结合、相互补充、能實不虚的原则开发，让培训资源多样化，减少了培训资金投入，解决企业生产过程中不方便依靠生产装置进行的培训需求，有利于企业员工将传统理论知识转化为实际操作技能。
虚拟现实技术开启了三维应急仿真演练的新纪元，接下来我们将进一步探索，着力对天然气行业复杂设备仿真培训系统资源进行开发。
【参考文献】
【1】王娜，沈力，邓舒平.VR虚拟现实在电力安全生产教育培训中的应用[J].通讯电源技术，2017（34）：166-169.
【2】葛铭，朱一龙，魏江，等.石油化工沉浸式3D仿真系统的设计与实现[J].计算机与应用化学，2017（34）：491-496.
【3】李晓东，曲本全，陈晖，等.虚拟仿真软硬件技术在实践教学的应用与探索[J].实验技术与管理，2017，34（3）：130-137.
【4】许静，曹扬.基于VR虚拟现实技术的电力安全与操作虚拟培训系统研究与应用[J].智库时代，2017（16）：177-178.
【5】吴元忠.基于VR技术的电力安全执规方针系统开发[J].通讯电源技术，2018，35（2）：23-26.
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