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由于计算机软硬件的飞速发展,计算机图形处理技术获得了迅速的发展并形成新的学科,因此使用单一的数字原型代替众多的实体原型成为企业减少成本的首选。
其中数字原型指利用计算机图形处理技术设计能取代实体原型的虚拟化模型,利用先进的虚拟仿真技术,使用数字原型完全取代实体原型来进行研发工作是十分便利的。
钻井工程行业中也有这样的趋势,众所周知,在石油行业内,钻井工程在石油勘探、开发过程中占据非常重要的位置。
钻井工程施工是否顺利,直接影响油气田的勘探、开发效率。
随着开采难度的加大和自然环境的因素,石油开采过程中各种作业工艺越来越复杂,因此如何使钻井工人快速而且正确的掌握安全操作成为当今油田作业培训的首要任务,而传统的钻井培训方法无非是教师讲解、观看图片动画、钻井模拟现场演练和真实现场操作[1],这几种方式存在明显的弊端:
1.培训效果不明显。
由于采用教师单方面的讲解,学员很难真正体会钻井工程中的操作感受,培训不能达到预期的目标;
2.培训成本高。
建立钻井模拟现场的成本比较高,演练的场地和时间受到很多限制;
3.安全无法保障。
如果采用真实钻井现场,学员很难有较高的安全意识,如果发生安全事故,后果不堪设想。
现阶段,以网络培训为代表的培训技术在钻井工人培训中比重加大,但是培训系统大多为文字、动画和简单的漫游演示系统,无法实现实时交互式操作功能。
而现有的钻井仿真系统一般是基于动画形式或者采用OpenGL、flash等软件编写的,这种仿真系统只是在计算机上通过键盘、鼠标的操作,来达到交互性的目的,交互性能不是很强,而且画面沉浸感不高,与真实环境差别很大,学员并不能通过这种方法快速的掌握钻井工艺。
针对上述问题,本文提出了一种将虚拟现实技术应用到钻井仿真中的方法。
虚拟现实技术有着良好的交互性、沉浸性、利用虚拟现实技术的这些优势,构建一套三维井场虚拟环境,能够让学员快速掌握钻井井场的所有操作。
正是在这样的思路下,本文设计了一套三维井场虚拟环境,并将其应用到钻井仿真培训系统中,在实际应用中取得了一定的效果。
三、国内外研究状况
1.国外研究现状分析
将虚拟现实技术应用到钻井仿真系统的研究比虚拟现实在其他领域研究起步的晚的多,近几年在石油勘探开发领域,勘探开发的主要对象油气藏越来越复杂,面对复杂的油气藏系统,科学的开发决策成为重中之重,基于虚拟现实技术的特点,将其引入石油勘探开发领域十分有必要。
目前虚拟现实技术已经在国外应用于实际生产中,主要包括[2]地震资料解释、储层模型建立、钻井轨迹设计、海上平台设计以及多学科工作组的协同等工作,有效地提高了工作效率和成果的准确性。
虚拟现实技术的应用能够让用户浏览、解释和管理地质、地球物理、岩石物性、钻井轨迹和油藏工程等不同类型的数据,对复杂油层地质产生三维直观印象。
对复杂油藏的构成、存在的问题提出有效的解决方案,缩短了决策时间,使决策更加准确。
1997年,世界上第一个油气工业专用的虚拟现实中心在美国休斯顿建成,这套系统应用在实时钻井勘探分析、钻井设计、钻井轨迹跟踪,提高了钻井勘探的准确性和钻井速度,进而产生了巨大的经济效益。
近两年,随着虚拟现实技术的不断发展,石油行业认识到虚拟现实技术投入到石油开采行业,有很可观的现实意义,国际上著名石油公司相继推出各自产品:
1.Texaco公司在美国休斯敦建成世界上第一个油气工业专用的虚拟现实中心;
2.美国加州ROV公司开发的TROV的可遥控远程作业车,可通过VR系统生产一个实时的“海底作业环境”,在海洋钻井中应用广泛;
3.Paradigm公司的VoxelGeo,它是一套真三维地震解释系统;
4.加拿大GemcomSoftwareInternational公司开发的Gemcom软件,可以通过钻孔、多边形数据,利用图像编辑和生成工具,显示钻孔孔位分布,并且提供交互性功能,允许用户勾画地质模型。
2.国内研究现状分析
在我国,基于虚拟现实技术的钻井仿真系统起步较晚,随着虚拟现实技术不断完善,虚拟现实技术被认为未来对石油工业产生重要影响的关键信息技术之一,中石油、中石化、中海油等几家大型石油公司逐渐认识到虚拟现实技术在石油行业有深远的发展意义,于是各大石油公司都建立起来自己的虚拟现实研究中心。
1.2003年中国石化石油勘探开发研究院建成投产了中国石油工业第一个大型虚拟现实中心“PetroOne”系统。
已经初见成效的解决了塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层预测这一世界性难题。
该系统安装至今已陆续完成了多块三维地震资料的综合评价和井位论证工作。
在鄂尔多斯盆地低孔低渗藏开发准备井研究项目中,该系统充分发挥了虚拟现实系统实时、交互、高效的优点,取得了显著的应用效果;
2.2006年9月,中海油首个虚拟现实中心在中海油天津分公司建立,虚拟现实中心在协调工作和生产指挥方面发展有效作用;
3.2007年中海油再建3个虚拟现实中心,为勘探开发综合决策提供崭新环境;
4.中石油东方地球物理公司大港研究院建立虚拟现实系统。
虽然这几家大型石油公司逐步建立起自己的虚拟现实中心,但是由于虚拟现实系统的建设成本较高,导致虚拟现实技术的应用还不普及,国内石油勘探开发领域至今尚未全面应用该项技术。
3.虚拟现实的关键技术
虚拟现实技术一种多技术的融合,它将真实世界的多维信息映射到计算机空间,虚拟现实技术包括了计算机图像技术、广角立体显示技术、目标识别、跟踪技术、传感器技术、交互技术、语音视频输入输出技术等,本节着重介绍一下模型构建技术、交互技术、传感器技术和语音识别技术:
1.模型构建技术:
虚拟现实系统场景真实性好坏,沉浸感是否强烈,都依赖于模型构建是否逼真,基本模型的构建是生成虚拟世界的基础,目前建模方式多种多样,可以采用OpenGL、DirectX等图形库进行建模,也可以使用高级建模软件如Maya、3DMAX、AutoCAD进行建模。
2.交互技术:
评价虚拟现实系统的优良一个重要方面就是交互性能[3-9],如果用户和虚拟环境交互性强,则更能形象的模拟真实的环境。
在用户和计算机的简单交互中,主要应用鼠标、键盘工具,如果对系统性能要求较高,还可以使用数据头盔、数据手套等高级的设备跟虚拟环境进行交换。
使用数据头盔、数据手套可以跟踪来改变图像的视角,将用户的视觉系统和运动感知系统联系起来,使感觉更加逼真。
另外,用户还可以通过头部的运动去观察环境,仿佛在真实环境一样,犹如身临其境的感觉。
3.传感器技术:
在真实世界里,如果用户想抓取一个杯子是一件很容易的事情,可在虚拟世界中却是一个相当复杂的事情,需要用到传感器技术才能办到。
在真实世界里,经常会感受到压力、重力,以及物体的反作用力,而在虚拟现实系统中,我们要用到触觉传感器才能感觉得到,用户利用传感器技术直接操作虚拟物体,会感受到虚拟物体的反作用力,从而有身临其境的感觉[10-19]。
4.语音识别技术:
在虚拟现实系统中,除了可以采用传感器技术达到交互性目的,还可以使用语音识别技术。
但是让计算机识别人的语言是相当困难的,使用自然语言进行计算机语音识别目前主要有两个问题:
效率问题和正确性问题。
效率问题:
由于自然语言的复杂性,如连续语音中词与词之间没有明显的停顿,同一词、同一字的发音受前后词、字的影响,不仅不同人说同一词会有所不同,就是同一人发音也会受心理、生理和环境的影响而有所不同。
计算机需要进行大量的计算,才能够正确分析自然语言;
正确性问题:
由于计算机的人工智能不是很高,正确性问题成为影响虚拟现实系统真实性的一个问题。
四、本课题的研究内容
系统主要由五大基本模块组成,其中每个模块又包括若干小的系统组成,由此本课题的研究内容可概括如下:
1.对石油行业中虚拟现实技术的应用进行了分析,同时对虚拟现实技术的概念、组成、应用等进行探讨研究;
2.通过分析典型石油机械结构和性能,利用SolidWorks软件建立了铁钻工等设备的实体模型,然后利3DSMAX对模型进行优化建模,最后导入Virtools软件中进行人机交互的设计,并设置灯光、背景等来建立逼真的实用的三维钻井井场虚拟环境[20-28];
3.研究了Virtools虚拟现实平台的应用方法,以及深入研究了Virtools的行为动作模块(BuildingBlock)、VSL(Virtools脚本语言)和软件开发工具包(SDK),并编写本文需要的行为模块;
4.提出了一种基于均匀网格与AABB相结合的碰撞检测算法,实现了一种改进的平衡二叉树对均匀网格的存储;
5.利用VisualC++软件编程实现模拟控制台程序,通过定时读写远程数据库,实现了模拟控制台与三维虚拟井场环境的动态交互功能。
五、本课题的实施方案
一、了解海洋场景的基本构成,研究其计算机实现的方式,选定一种最佳的方式来搭建较为逼真的海洋虚拟现实环境[29-35]。
二、研究典型石油机械的结构和工作流程,利用Solidworks或Catia软件进行铁钻工等石油机械进行简化建模,再通过3DMax对模型进行处理,最后输出到Virtools开发平台中。
三、利用Virtools软件的行为动作模块(BuildingBlocks)、VSL(Virtools脚本语言)和软件开发工具包(SDK)进行行为驱动交互模块的开发。
四、对仿真过程中的模型之间的碰撞检测技术进行研究,提出了一种基于均匀网格与AABB相结合的碰撞检测算法,实现了一种改进的平衡二叉树对均匀网格的存储;
五、利用VisualC++软件编程实现模拟控制台程序,通过定时读写远程数据库,实现了模拟控制台与三维虚拟井场环境的动态交互功能[36-39]。
六、本课题的重点难点
本课题的重点:
开发出较为真实的虚拟现实环境及设备驱动模块,真实的模拟出设备的工作流程与工作状态,其次,模拟控制台与三维虚拟井场环境的动态交互功能的实现[40-49]。
本课题的难点在于:
1、在本系统中,在初步检测中主要是运动的机械臂和静态的场景物体之间的碰撞。
如何快速地找出与机械臂可能发生碰撞的物体,是提高初步检测的关键标志。
虚拟现实系统中,三维虚拟环境往往很大很复杂,可能有成百上千个物体,而每个物体又可能由几十个物体组成,每个物体又由很多面组成,如何确定这些场景中物体之间的关系就成为一个重要的难题。
2、利用VisualC++软件编程实现模拟控制台程序,通过定时读写远程数据库,实现模拟控制台与三维虚拟井场环境的动态交互功能,这对于虚拟培训的实现也是一个难点[50]。
七、课题的进度安排
1、2012.01—2012.03查阅模拟训练系统方面的最新技术和方法,确定系统的实施和改进方案,学习编程知识,查阅有关文献。
2、2012.04—2012.06在Virtools平台下搭建出合适的虚拟仿真环境,分析铁钻工设备运行过程,完成设备建模、处理及导入到Virtools环境中,使用行为动作模块(BuildingBlocks)、VSL(Virtools脚本语言)和软件开发工具包(SDK)进行行为驱动交互模块的开发,可以使用键盘、鼠标、手柄等设备进行驱动模型。
3、2012.07—2012.09编写虚拟控制台程序,选择合适的实现方法完成模拟控制台与三维虚拟井场环境的动态交互功能。
完成碰撞检测算法的编程。
4、2012.10—2012.12整理材料,撰写论文,准备答辩。
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