油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统构建.pdf

2023 年 11 月第 19 卷 第 4 期系统仿真技术System Simulation TechnologyNov.，2023Vol.19，No.4油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统构建赵娅，张燕*（东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318）摘要：油库泵房存在的安全隐患包括原油泄漏、火灾等事故，为确保此类事故发生后员工能及时准确地进行应急处置，研发基于三维可视化技术的油库泵房突发原油泄漏应急处置虚拟仿真培训系统。该系统主要运用3Ds Max工具进行油库环境及其作业场景的三维模型构建，利用Unity 3D游戏引擎工具实现事故应急处置的人机交互功能，再结合Visual Studio 2017平台完成系统的集成与展示。本系统在提高油库操作人员事故应急处置实战能力的基础上，能有效减少真实事故发生时所造成的人员伤亡及财物消耗，从而提高油库生产安全风险控制水平，完善应急处置方案，提升应急培训水平。关键词:虚拟现实；仿真培训系统；Unity 3D；3Ds Max；泵房Simulation Training System for Emergency Treatment of Sudden Crude Oil Leakage in Pump House of Oil DepotZHAO Ya，ZHANG Yan*（School of Computer and Information Technology，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）Abstract：The potential safety hazards of the oil depot pump house include oil leakage，fire and other accidents.In order to ensure that employees can timely and accurately handle emergencies after such accidents，a virtual simulation training system for emergency response of sudden oil leakage in the oil depot pump house based on 3D visualization technology has been developed.In this system，the 3Ds Max tool is used to build the three-dimensional model of the oil depot environment and its operation scene，the Unity 3D game engine tool is used to realize the human-computer interaction function of accident emergency response，and finally the system integration and display was realized by combining the Visual Studio 2017 platform.The development of this system can effectively reduce the casualties and property consumption caused by real accidents on the basis of ensuring the improvement of the actual combat ability of oil depot operators in emergency response to accidents，and therefore improves the risk control level of oil depot production safety，the emergency response plan and the level of emergency training.Key words：virtual reality；simulation training system；Unity 3D；3Ds Max；pump house资助项目：黑龙江省教育科学规划重点课题（GJB1421114）通信作者：张燕，E-mail：中图分类号:TP391.9 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.04.013赵娅，等：油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统随着时间的延长，设备设施老化、密封性能下降及外部环境腐蚀，导致油库附近的原油泄漏风险不断增加。油库一旦发生原油泄漏事故，将对人身和财物安全带来极大危害。安全始终是油库的首要任务，定期进行模拟演练是预防事故发生的有效方法1。但因油库原油泄漏事故的特殊性，传统的操作培训方式通常采用集中授课讲解，以文字、图片及视频信息为主，内容枯燥，过程繁琐，培训成本高，培训效果较差，不足以培养应对现场突发事件的能力。虚拟培训系统旨在利用计算机技术对现实或者虚拟的世界进行仿真，生成与真实环境在视觉、听觉、触觉等方面近似的数字环境，使用户在虚拟环境中产生如同真实世界一样的感受2。因此，采用虚拟仿真模拟方式进行油库原油泄漏应急处置培训，在生动模拟真实原油泄漏事故应急处置的同时，也摆脱了时间、空间的限制，降低了传统原油泄漏应急处置人员培训的成本与损失。虚拟仿真培训随着计算机仿真技术的兴起和应用逐渐发展起来，国外对应急培训系统的研究起步较早，国内虽起步较晚，但重视程度高，发展迅速，很多学者将研究重点放在对场景数据的高精度实时仿真方面。基于虚拟现实技术的应急培训系统的开发已经在各个行业开展，甚至达到了相当高的水平，但是在现有的研究成果中，直接应用于油库泵房应急救援培训的系统较少，此为本研究的主要出发点。鉴于此，本研究基于虚拟现实的特性及虚拟仿真培训的优点，开发了更加方便、大众化、实用的油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统，让仿真培训系统的培训操作单元化，降低应急处置的培训成本，提高培训效果。同时，利用Unity 3D多平台发布的特点，使仿真培训系统在电脑、手机、iPad等多种终端运行，满足员工移动学习的需求，也降低了硬件设备的成本。1 系统整体设计 1.1系统开发架构设计考虑到油库泵房事故应急救援培训的标准化流程和业务需求，结合系统开发架构理论，设计系统开发架构。总体架构采用3Ds Max进行建模与渲染，并利用Unity 3D进行仿真交互系统开发及事故模拟计算。最底层数据存储由XML文件完成，整个系统的运行平台包括台式电脑、笔记本电脑和移动手机等设备。系统开发架构如图1所示。1.2系统功能设计该系统功能包括初始界面设置、员工行为仿真、设备操作仿真和信息提示4个功能模块，前3个功能模块由系统场景内的UI界面对用户进行信息提示而串联起来，都含有各自的子功能。系统的功能设计如图2所示。初始界面可设置将要进入培训场景内的漏油面积和火灾大小，情况不同所要完成的应急处置流程也不同；员工行为仿真即虚拟员工在该场景中完成的功能，如人物漫游、拨打电话和查看设备数据这些操作；设备操作仿真即该系统中场景设备可完成的交互功能，如虚拟员工在场景内可完成旋转阀门、旋转按钮、打开柜门和按急停按钮的操作；信息提示借助UI界面贯穿整个系统完成提示信息的功能。1.3系统培训流程设计该系统利用虚拟现实技术将油库泵房发生原油泄漏的应急处置预案转化为虚拟仿真的形式，展现在用户的面前。用户在使用过程中通过选择不同的选项可以完成不同的应急处置步骤，最终了解如何解决漏油及伴发火灾的问题，完整的培训流程设定如图3所示。图1系统开发架构图Fig.1Diagram of system development architecture 图2系统功能设计图Fig.2Diagram system functional design363系统仿真技术第 19 卷 第 4 期2 系统的关键技术 2.1数据存储XML技术目前许多制造商和软件都支持XML，而且许多语言编译器都有全面的XML解析器，该格式也使得程序与浏览器之间的交互非常好。因此，利用XML技术可将油库泵房突发原油泄漏的应急处置方案转换成XML文件的形式存储起来。根据XML技术特点，以节点和元素为单位，设计XML 文件数据访问的操作函数，形成平台的基础资源3。在设定的培训流程基础上形成规范的系统接口，为系统建模平台的建设提供重要的技术基础，设计XML 任务描述文件，主要描述任务的属性、参数及信息。一是便于对事件的描述，将文字应急预案脚本转换成代码，存储起来。经由XML和C#代码共同封装好4类事件，分别为Otype1人物到某地事件、Otype2点击或过渡事件、Otype3打电话事件和Otype4选择题事件。如此便提高了系统的开发效率、可靠性、重用性、可维护性和共享性。二是便于系统的加载，由于场景中的模型与人物过多，加载时难免会有卡顿的现象，而使用XML会将数据记录并存储，等到运行时只需要调度，且仅渲染当前激活的摄像机所看到的画面，使得系统运行流畅，出错率少。2.2人机交互技术3D人机交互技术指通过交互设计软件设定的交互程序，使用户可以通过鼠标等交互设备与计算机中创建的3D模型进行人机交互的新兴技术。油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统采用 Unity 3D对系统软件交互功能进行设计开发，该软件具有界面友善、功能齐全、可操作性强、能够进行二次开发等优点，其功能模块严格遵循功能要求而设计4。系统对用户输入的每一条命令产生反馈，并根据用户的命令来更新场景使得执行操作后虚拟环境和现实场景设备状态保持一致性。该系统人机交互技术中包括两大关键技术，分别为碰撞检测技术和虚拟漫游技术。2.2.1 碰撞检测技术碰撞检测技术是3D人机交互技术中的重要技术，也是保证仿真培训真实性和准确性的必要条件，精确的碰撞检测可以提高虚拟场景的真实性，增强虚拟场景的沉浸感；合理的碰撞检测可以避免虚拟场景中的物体穿透或重叠等5。本系统在Unity 3D引擎中通过编写包含碰撞检测函数的C#代码实现碰撞检测及碰撞检测之后的行为仿真，具体表现为拧阀门、点击按钮、旋转按钮和打开柜门等操作。2.2.2 虚拟漫游技术本系统的人物漫游由人物移动及摄像机跟随实现，用户根据不同的情况点击UI界面的选项，从而跳转到应急预案的不同分支进行事件处理，人物根据应急预案里设定好的位置，触发其身上的自带寻路脚本，移动到该位置后进行下一步骤的操作。（1）人物移动的实现。Unity 3D自带的导航寻路系统Navigation是用于实现动态物体自动寻路的一种技术，该技术将游戏场景中较为复杂的关系简化为带有一定信息的网格，并在这些网格的基础上通过一系列的计算，得到从开始节点到结束节点搜索能够躲避障碍且路径最短的解决方案6。本系统采用 Navigation 系统，以及角色自带的Nav Mesh组件，在场景中勾选设置导航静态物体，并在Navigation窗口中点击Bake按钮可以一键重新计算整个导航网络进行场景烘焙。完成后，寻路人物，也就是虚拟员工将Nav Mesh Agent组件和控制人物脚本挂载其身上，该脚本读取XML文件中的Otype1某人到图3培训流程设定Fig.3Training Process Setting364赵娅，等：油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统某地事件的起点与终点的位置，对Nav Mesh Agent组件进行设置操作，可使用代码设置移动对象的移动速度、加速度和旋转速度等值，Otype1 代码示例如下所示：其中destination=设定此步骤将要到达的终点，camera=和character=分别设定此时要激活的摄像机和人物。所激活的人物挂载控制人物移动的脚本和Navigation自动寻路组件，其中在人物移动的脚本中编写代码，寻找Navigation组件并设定移动速度speed和移动终点Set Destination（p），实现人物漫游中人物移动的全过程。（2）摄像机跟随的实现由Unity 3D的Cinemachine插件和摄像机Camera完成，为摄像机添加 Cinema Chine Virtual Camera 组件，并设置属性Follow指向跟随的人物和Look At指向所跟随人物的点，摄像机会自动跟随人物的移动而移动，可实现视角的切换和人物的跟随，增加系统的真实感和沉浸性。3 仿真系统的实现 3.1三维场景可视化实现仿真培训系统主要使用3Ds Max平台进行建模，3Ds Max是专业的三维建模软件，内置多边形建模、面片建模及NURBS建模技术等7。根据不同的应用领域及模型方法的难易程度选择合适的建模方式，本系统主要采用多边形建模实现3D场景的可视化，包括虚拟场景搭建和事故模拟仿真。3.1.1 虚拟场景搭建3Ds Max建模工具用于对油库泵房的建筑、相关设备和人物建模和贴图渲染，为了让用户在虚拟仿真应急培训系统中具有良好的沉浸感，在开发前去油库进行实地考察，通过现场照片采集、Photoshop处理好的图集对油库进行真实场景3D模型的建构。同时根据现场员工拍摄的照片进行处理得到材质和贴图，并利用3Ds Max按照现场设备比例，构建虚拟人物模型，整理人物动画并添加骨骼动画，对油库设备、装置、应急火灾场景设备汇总整理、集成虚拟场景。3Ds Max建模实例如图4所示。3.1.2 事故模拟仿真为实现仿真系统的沉浸感和真实性，利用Unity 3D中的粒子系统，分析目标物体（火焰/原油）的外观特征并生成属性，然后分析目标物体运动变化规律，提取目标粒子变化趋势，最后定量描述其属性，粒子系统控制机制用于实现虚拟火灾/原油的模拟，如粒子消亡及随机变化生成新粒子8。这使得场景中所运用到的火焰、原油流体、烟雾和灭火器喷出物更加真实，增加该仿真培训系统的用户体验感。最终将3Ds Max搭建好的虚拟场景和人物，以及制作好的粒子系统导入Unity 3D项目中，方便实现后期的系统交互功能。3.2人物漫游功能实现虚拟漫游技术以第一和第三视角参与到应急救援的虚拟场景中，对整个油库泵房场景全方位视角漫游，增强训练人员对油库泵房各模块与救援环节的熟悉度，提升仿真培训过程的沉浸感9。本系统以人物AI自动寻路技术为基础，采用第一视角和第三视角相结合的方式实现场景漫游功能，都以自动寻路为主，即根据用户鼠标的选择进入不同的步骤，采用下一步骤中的预定地点进行人物漫游，到达指定地点的过程为第三视角，而在指定地点进行操作，例如拧阀门、旋转按钮等操作时，大多采用第一视角的方式展示。3.3系统界面实现系统的主界面和漫游场景中的UI交互使用Unity 3D自带的UGUI系统制作，UGUI是Unity官方自带的UI系统，是用户与系统进行交互控制和信息交换的重要媒介。Unity 3D 集成了功能完善的 UGUI，通过在Canvas画布上部署系统所需元素，可以灵活、快速地实现人机交互操作10。开发中的主界面、声音开关、关闭按钮及UI图标切换效果等都是由UGUI系统制作。本系统的UI界面主要分为开始界面、一直存在界面上方的功能型界面，以及随着流程进展根据需要逐步显示出来的反馈信息型面板。图43Ds Max建模实例Fig.4Example of 3Ds Max Modeling365系统仿真技术第 19 卷 第 4 期3.3.1 开始界面设置油库泵房应急培训系统会在初始界面设置符合当下所需情况，优先设置好应急预案实施的步骤，判断所要执行的模拟推演是否会发生火灾，若发生火灾是由小面积原油泄漏造成还是由大面积原油泄漏造成的。点击鼠标选择不同情况下的应急预案，如图5所示。3.3.2 功能型界面功能型界面有步骤信息面板、区域地图面板。步骤信息面板始终位于系统画面的左下角，完成的每一个步骤都会在该面板逐条实时显示；区域地图面板始终位于画面的右上角，展示整个系统的俯视图，该面板可展开或隐藏，也可以放大或缩小，位于放大界面时，可通过点击鼠标右键移动面板，且可通过鼠标滑轮缩放地图，如图6所示。3.3.3 反馈信息型面板由 XML 代码里的 Otype2 过渡或点击事件中的Change Time是否等于0来判断所打开的面板是提示信息型还是选择型界面。代码如下：若Change Time=0则为提示信息型界面，界面显示过渡提示信息，该面板35 s后会自动关闭，仅为展示信息，如图7所示。若 Change Time！=0则为选择型界面，有选择步骤信息面板和电话下拉框2种类型，选择步骤信息面板含有A、B2种选项，通过点击不同的选项进入不同的应急处置步骤；选择电话下拉框，通过下拉框选择所需要拨打的电话，点击“拨打”按钮即可，如图8所示。图5开始界面Fig.5Initial interface图6功能型界面Fig.6Functional Interface图7提示信息型界面Fig.7Interface for information prompt图8选择型界面Fig.8Selection interface366赵娅，等：油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统4 实验结果与分析 本研究所实现的虚拟仿真培训系统是基于体验式学习概念构建的，用户从错误中学习，而不是在虚拟环境中成为被动学习者 11。为验证该系统是否满足油库泵房突发事故应急培训要求，邀请油田相关专业的学生及相关专业员工共100名对该系统各个功能模块进行测试并以问卷的形式记录。测试结果如表1所示。经过100名学生及员工对该仿真培训系统的测试及交流可知，该系统在整个培训流程的细节设计方面完整，且运行流畅，很少有卡顿现象，系统与用户之间交互友好，用户大多能够沉浸其中，系统的稳定性较高。最终测试结果认为该系统能满足油库泵房突发原油泄漏事故的应急培训，且具有真实感强、交互能力较好及可操作性强的特点。5 结 论 本研究基于虚拟现实技术设计并开发了油库泵房突发原油泄漏应急处置仿真培训系统，该系统开发完成之后，发布成WebGL形式，在Windows操作系统下的Firefox浏览器中进行使用。通过创建与现场几乎完全一致的作业环境，从根本上解决因操作失误造成的经济损失、人力损失，并且降低对油库设施设备及精密仪器的损耗，解决在实际油田应急培训作业过程中高成本、高消耗、耗时长等难题。该应急培训系统在培训结果方面的设定尚不完善，在下一步的研究开发中将致力于开发更有效的培训评价方式，力求提高对工作人员的培训效果。参考文献：1石卓婵，田枫，李欣，等.罐前阀室突发原油泄漏及火灾应急处置虚拟仿真培训系统 J.系统仿真技术，2019，15（4）：263-267.SHI Zhuochan，TIAN Feng，LI Xin，et al.Virtual simulation training system for emergency response to sudden crude oil leakage and fire in the valve chamber of the tankJ.System Simulation Technology，2019，15（4）：263-267.2朱正伟，祝磊，饶鹏.面向工业培训应用的虚拟现实装配系统研究 J.现代电子技术，2019，42（20）：58-63.ZHU Zhengwei，ZHU Lei，RAO Peng.Research on virtual reality assembly systems for industrial training applicationsJ.Modern Electronic Technology，2019，42（20）：58-63.3王志乐，董军宇，孙忠云.基于XML的机载航电系统仿真模型结构化描述 J.计算机技术与发展，2020，30（5）：21-25.WANG Zhile，DONG Junyu，SUN Zhongyun.Structured description of airborne avionics system simulation model based on XMLJ.Computer Technology and Development，2020，30（5）：21-25.4文国军，夏雨，王玉丹，等.基于Unity3D的水平定向钻机虚拟实训系统设计 J.系统仿真学报，2020，32（5）：801-807.WEN Guojun，XIA Yu，WANG Yudan，et al.Design of a virtual training system for horizontal directional drilling machines based on Unity3DJ.Journal of System Simulation，2020，32（5）：801-807.5李星，傅妍芳，王亮，等.基于射线检测的动态碰撞优化算法 J.系统仿真学报，2019，31（11）：2393-2401.LI Xing，FU Yanfang，WANG Liang，et al.Dynamic collision optimization algorithm based on ray detection J.Journal of System Simulation，2019，31（11）：2393-2401.6LAWANDE Sharmad Rajnish，JASMINE Graceline，ANBARASI Jani，et al.A systematic review and analysis of intelligence-based pathfinding algorithms in the field of video gamesJ.Applied Sciences，2022，12（11）：1-30.7张晓曦，尹勇，梁民仓.蛟龙号下潜及水下作业过程的交互仿真开发 J.系统仿真学报，2018，30（7）：2715-2721.ZHANG Xiaoxi，YIN Yong，LIANG Mincang.Interactive simulation development of Jiaolong submersible and underwater operation processJ.Journal of System Simulation，2018，30（7）：2715-2721.表1实验测试结果（n=100）Tab.1Experiment test results（n=100）测试指标培训流程完整性系统流畅程度交互友好程度系统沉浸感系统可行性良好10097899599一般031151较差00000367系统仿真技术第 19 卷 第 4 期8潘卫军，徐海瑶，朱新平.基于VR技术的机场应急救援虚拟演练平台 J.中国安全生产科学技术，2020，16（2）：136-141.PAN Weijun，XU Haiyao，ZHU Xinping.Virtual exercise platform for airport emergency rescue based on VR technologyJ.China Safety Production Science and Technology，2020，16（2）：136-141.9曹欢，胡丽琴，杨子辉，等.基于虚拟现实的核事故救援在线仿真培训关键技术研究 J.计算机应用与软件，2022，39（7）：121-127.CAO Huan，HU Liqin，YANG Zihui，et al.Research on key technologies of online simulation training for nuclear accident rescue based on virtual realityJ.Computer Application and Software，2022，39（7）：121-127.10郝孜奇，张文胜.基于Unity3D的铁路实训虚拟仿真系统开发 J.计算机仿真，2020，37（6）：99-103.HAO Ziqi，ZHANG Wensheng.Development of a virtual simulation system for railway training based on Unity3D J.Computer Simulation，2020，37（6）：99-103.11ABOTALEB Ibrahim，HOSNY Ossama，NASSAR Khaled，et al.An interactive virtual reality model for enhancing safety training in construction educationJ.Computer Applications in Engineering Education，2022，31（2）：1-23.赵 娅 女（1980-），河南漯河人，博士，副教授，主要研究方向为虚拟现实及多媒体应用。张 燕 女（2002-），山西运城人，本科，主要研究方向为虚拟现实。lower leg and head of pedestrians in vehicle-to-pedestrian collisions through FE simulations D.Gothenburg：Chalmers University of Technology，2015.3D Marjoux，D Baumgartner，C Deck，et al.Head injury prediction capability of the HIC，HIP，SIMon and ULP criteriaJ.Accident Analysis and Prevention，2008，40（3）：1135-1148.4张帆，徐世平，李帆，等.基于行人保护法规和NCAP评价的试验精度分析J.汽车实用技术，2022，47（8）：92-97.ZHANG Fan，XU Shiping，LI Fan，et al.Test accuracy analysis based on pedestrian protection regulations and NCAP evaluation J.Automotive Practical Technology，2022，47（8）：92-97.5唐成顺，孙丹，唐威，等.基于LSTM循环神经网络的汽轮机转子表面应力预测模型 J.中国电机工程学报，2021，41（2）：451-461.TANG Chengshun，SUN Dan，TANG Wei，et al.Prediction model of turbine rotor surface stress based on LSTM recurrent neural networkJ.Proceedings of the CSEE，2021.6ROTH S，VAPPOU J，RAUL J S，et al.Child head injury criteria investigation through numerical simulation of real world trauma.J.Computer Methods and Programs in Biomedicine，2009（1）：93.7YAN J，ZHANG Y，SU Q，et al.Time series prediction based on LSTM neural network for top tension response of umbilical cables J.Marine Structures，2023，91（9）1-18.周 巍 男（1990-），辽宁沈阳人，主要研究方向为整车仿真环境稳定性运行与升级。田 岩 男（1990-），辽宁法库人，主 要 研 究 方 向 为 车 辆 CAE 仿 真工作。（上接第341页）368