蔡蒙蒙 楊麗波

摘 要：?針對傳統(tǒng)石油行業(yè)培訓(xùn)方式缺乏交互性且無法滿足員工實(shí)踐需求等問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套交互性較強(qiáng)的電纜射孔實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。描述了使用Unity 3D引擎開發(fā)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，總結(jié)了系統(tǒng)中用到的三維模型壓縮優(yōu)化、碰撞檢測、鍵盤交互等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)通過逼真的射孔施工虛擬環(huán)境，使員工達(dá)到“身臨其境”的感覺，從而快速掌握培訓(xùn)內(nèi)容，提高培訓(xùn)效率。該系統(tǒng)還能增加員工對所負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)的熟練程度，降低由于錯誤操作造成安全事故發(fā)生的可能性。

關(guān)鍵詞：?Unity 3D; 油田作業(yè); 培訓(xùn)系統(tǒng); 虛擬仿真

中圖分類號： TP 37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design and Development of Simulation Training System for

Cable Perforation Based on U3D

CAI Mengmeng， YANG Libo

（School of Computer and Information Technology， Northeastern University of Petroleum， Daqing，? Heilongjiang? 163318， China）

Abstract：

Aiming at the problem that the traditional petroleum industry training method lacks interactivity and cannot meet the practical needs of employees， a set of cable perforation training system with strong interactivity is designed and developed. This paper describes the design idea of developing simulation training system using Unity 3D engine， and summarizes the key technologies used in the system， such as 3D model compression optimization， collision detection and keyboard interaction. Through the realistic virtual environment of perforation construction， the system enables employees to achieve the feeling of "being in the scene"， so as to quickly grasp the training content， improve the training efficiency， increase the proficiency of employees in the business which they are responsible for， and reduce the possibility of safety accidents caused by wrong operations.

Key words：

Unity 3D; oilfield operation; training system; virtual simulation

0 引言

由于石油行業(yè)實(shí)踐過程中所擁有的安全問題和工藝復(fù)雜性，導(dǎo)致了現(xiàn)階段常用的培訓(xùn)方式是依據(jù)觀看視頻的多媒體培訓(xùn)方式等來了解和掌握理論知識、學(xué)習(xí)事故案例以及井場跟班操作等來集中培訓(xùn)相關(guān)技術(shù)，這也是油田企業(yè)現(xiàn)階段最重要的一種安全的培訓(xùn)方式[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中，這種操作方式存在著長周期、高成本、抽象難理解、限制培訓(xùn)效果等一些弊端。而當(dāng)下的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)若能很好的與石油行業(yè)的培訓(xùn)方式進(jìn)行結(jié)合，則可以很大程度改變傳統(tǒng)培訓(xùn)方式中的一些弊端，通過更直觀、生動的學(xué)習(xí)在一定程度上提高培訓(xùn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與構(gòu)成框架

針對于電纜射孔實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過了解和結(jié)合實(shí)際參加培訓(xùn)人員水平層次不齊的實(shí)際情況，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，運(yùn)用了香農(nóng)-施拉姆模式的教育培訓(xùn)模式。當(dāng)香濃-施拉姆模式的教育培訓(xùn)模式與三維仿真培訓(xùn)相結(jié)合時，由于三維仿真培訓(xùn)是以軟件系統(tǒng)的形式進(jìn)行無導(dǎo)師教學(xué)的一種方式，所以決定了香農(nóng)-施拉姆模式需要經(jīng)過一定的改進(jìn)才能應(yīng)用到三維仿真培訓(xùn)中，發(fā)揮其優(yōu)勢，提高培訓(xùn)人員的興趣，進(jìn)而快速的擴(kuò)大培訓(xùn)人員的經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)域[2]。

如圖1所示。

本系統(tǒng)主要內(nèi)容由三大模塊構(gòu)成，其包括：三維動畫演示模塊、三維交互式演練學(xué)習(xí)模塊、三維考試測評模塊。首先，通過相關(guān)知識的文檔閱覽和動畫演示，進(jìn)行灌輸式學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者掌握培訓(xùn)中的基本知識;其次，在對基礎(chǔ)知識有了一定了解的基礎(chǔ)上，在通過在三維環(huán)境中進(jìn)行交互式演練學(xué)習(xí)，對學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)化和擴(kuò)展，以便學(xué)習(xí)者對基礎(chǔ)知識的鞏固和深化;最后，通過三維考試系統(tǒng)對學(xué)習(xí)到的知識進(jìn)行測試，并把測試結(jié)果反饋給培訓(xùn)人員，根據(jù)反饋信息重新進(jìn)行針對性的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，直至完全掌握。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維模型的壓縮優(yōu)化技術(shù)

虛擬射孔井場是個非常復(fù)雜的模型集合，在渲染過程中需要實(shí)時生成大量的多邊形，增加系統(tǒng)運(yùn)行時的開銷，降低了系統(tǒng)的實(shí)時交互速度。為此，不僅要在建模的過程中綜合應(yīng)用各種三維模型優(yōu)化技術(shù)，而且還要在三維場景中通過使用有效的優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果的好壞直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效率及顯示速度，良好的優(yōu)化策略及方法可以極大減少模型所占據(jù)的內(nèi)存空間，使系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢。三維模型的壓縮優(yōu)化貫穿整個模型及場景的創(chuàng)建過程，其主要從兩個方面進(jìn)行：建模和貼圖。

（1）建模過程中的壓縮優(yōu)化

從模型的個數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化。場景中的模型個數(shù)過多會直接影響到三維場景的導(dǎo)出及場景的打開速度。如果當(dāng)前場景里的模型個數(shù)過多，計(jì)算機(jī)的計(jì)算量太大，可能會使部分物體無法加載，造成模型丟失現(xiàn)象;即使所有模型都加載了，其運(yùn)行速度也會很慢。因此，在實(shí)際解決中，將相同材質(zhì)的物體分別賦好材質(zhì)，調(diào)整好各自的貼圖坐標(biāo)，再將這些相同材質(zhì)的物體進(jìn)行合并以減少模型個數(shù)。在虛擬射孔井場中，很多模型就采用了從個數(shù)上的整合來達(dá)到建模過程中的壓縮優(yōu)化，如采油樹法蘭螺絲，一共為十二個，大小顏色均相同，所以在場景中，將法蘭螺絲整合在一個空物體中，并調(diào)整好位置坐標(biāo)，進(jìn)而減少場景模型渲染所需要的時間。

從模型的分段及布面上進(jìn)行優(yōu)化。在建模時，針對不同的模型采用合適的分段數(shù)，可以盡量減小模型的頂點(diǎn)數(shù)及面數(shù)，從而減少不必要的點(diǎn)、線、面所占據(jù)的空間。主要用到了Plane模型面的精簡和Cylinder模型面的精簡。其次合理的布面也是很重要的，通過適當(dāng)?shù)膭h除模型之間重疊的面和模型底部看不到的面來降低整個場景的面數(shù)，這樣能提高貼圖的利用率，進(jìn)而提高交互場景的運(yùn)行速度。如：場景中，貼著地面的井架底座面。

在場景中，簡模的運(yùn)用十分重要。對于大多數(shù)相對不重要的模型或者較遠(yuǎn)處作為陪襯的模型要使用簡模，比如在虛擬射孔井場，為了場景的完整性而作為陪襯的槍身車、運(yùn)輸車等，其車內(nèi)的構(gòu)造、車身的細(xì)節(jié)均不需要進(jìn)行精細(xì)的制作，放置簡模即可。

（2）貼圖過程中的壓縮優(yōu)化

貼圖的大小對系統(tǒng)運(yùn)行速度影響很大，精簡的貼圖既可以保證效果，又可以減少系統(tǒng)大小提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。在保證圖像質(zhì)量的前提下，運(yùn)用紋理壓縮技術(shù)對紋理圖片進(jìn)行必要的壓縮處理，減少圖片文件的大小，通過減小紋理圖片幾何尺寸的大小來實(shí)現(xiàn)紋理壓縮。進(jìn)行模型貼圖時采用UV貼圖，能比其他貼圖方式所占的容量更小，且顏色相近的模型，可以選擇共用一張貼圖，從而達(dá)到減少模型文件的大小。

2.2 碰撞檢測技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶的交互，在其中便會遇到有關(guān)碰撞檢測的問題，甚至?xí)蔀槠渲械年P(guān)鍵問題[3]。在電纜起下槍身工序中，有較多的操作中，兩個不可穿透的對象不可能在同一時間共享相同的空間區(qū)域[4]。為了防止系統(tǒng)中運(yùn)動的物體發(fā)生彼此穿透的現(xiàn)象，工序中的緊固操作、下井操作等均采用了碰撞檢測技術(shù)。

此外，在場景中，會有一個觀察者的身份存在，其在虛擬環(huán)境中進(jìn)行漫游時，也需要進(jìn)行碰撞檢測。進(jìn)而可以避免諸如觀察者飛入地下或者穿墻而過等不真實(shí)情況的發(fā)生[5]。而在unity3d中，碰撞檢測的功能是有函數(shù)封裝好的，我們調(diào)用函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)了。OnControllerColliderHit（）函數(shù)是用于角色碰撞的，物體如果附加了CharactorController則可使用這個函數(shù)檢測碰撞。

碰撞檢測技術(shù)在虛擬射孔井場中運(yùn)用時，有兩個很重要且需要了解的概念：剛體組件與碰撞體組件，且對于創(chuàng)建在Unity3D中的物體來說，碰撞體和剛體是比較容易混淆的兩個概念，將以簡易的Cube圖形為展示，表現(xiàn)了幾組不同的碰撞反應(yīng)，如圖2所示。

（1）在Unity 3D創(chuàng)建一個放置在地面的Cube物體，一般創(chuàng)建后的物體會自帶碰撞體組件（Collider），若需要給物體添加剛體或者碰撞體時，先選中該物體，然后選擇Component > Physics，在Physics里可以添加Collider碰撞體組件，如圖3所示。

以及Rigidbody剛體組件，如圖4所示。一個在地面的物體若只有剛體而沒有碰撞體，此時它是不會運(yùn)動并碰撞到其他物體的，因?yàn)樗鼤苯拥袈涞降孛嬉韵隆?/p>

（2）當(dāng)一個帶有碰撞體組件與剛體組件的Cube A撞向沒有添加碰撞體和剛體的Cube B時，會發(fā)現(xiàn)Cube A會直接穿過Cube B。

（3）當(dāng)一個帶有碰撞體組件與剛體組件的Cube A撞向添加了碰撞體而沒有剛體的Cube B時，Cube A與Cube B會發(fā)生碰撞，且可以通過碰撞信息監(jiān)測反饋出來，但是此時的Cube A能撞到B卻不會穿過Cube B。這個方法在虛擬射孔井場中的運(yùn)用十分常見，因?yàn)樵谏淇坠ば虿僮髦?，有較多類似擰螺絲，緊固管鉗等操作，在虛擬場景中進(jìn)行這些操作時，可能會因?yàn)橐苿泳嚯x或位置坐標(biāo)的精度不夠，而導(dǎo)致穿模現(xiàn)象的出現(xiàn)。若利用該種碰撞的方法，則不管A物體如何撞擊B，都無法穿過B物體，也就避免了在場景中，出現(xiàn)A物體穿過B物體的失真現(xiàn)象。

（4）當(dāng)一個帶有碰撞體組件與剛體組件的Cube A撞向同樣添加了碰撞體和剛體的Cube B時，Cube A與Cube B會發(fā)生碰撞，且會根據(jù)實(shí)際情況產(chǎn)生碰撞反應(yīng)，例如：若Cube A的質(zhì)量足夠大于B時，A可以將B撞開，且此時的碰撞可以通過碰撞信息監(jiān)測函數(shù)void OnCollisionEnter（Collision other）反映出來。

2.3 鍵盤交互技術(shù)

鍵盤交互主要是指能夠控制操作者在系統(tǒng)中進(jìn)行漫游，參觀各個位置的三維物體。在虛擬射孔井場中，有許多操作是在不同的位置完成的，而鍵盤交互技術(shù)的加入能使操作者更有身臨其境的感覺。鍵盤交互以設(shè)置方向鍵“↑”、“↓”、“←”、“→”或者“W”、“S”、“A”、“D”為控制鍵，分別用來控制化身的“前”、“后”、“左”、“右”的走動。在unity3d中，可以通過函數(shù)實(shí)現(xiàn)這些功能，以用“W”、“S”、“A”、“D”為控制鍵為例，代碼如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

public test ： MonoBehaviour {

private Transform m_Transform;

void Start （） {

m_Transform = gameObject.GetComponent （）;//得到控制對象

}

void Update （） {

if （Input.GetKey （KeyCode.W））//判斷按鍵

{

m_Transform.Translate （Vector3.forward * 0.1f， Space.Self）;//前進(jìn)與速度

}

if （Input.GetKey （KeyCode.S）） {

m_Transform.Translate （Vector3.back * 0.1f， Space.Self）;

}

if （Input.GetKey （KeyCode.A）） {

m_Transform.Translate （Vector3.left * 0.1f， Space.Self）;

}

if （Input.GetKey （KeyCode.D）） {

m_Transform.Translate （Vector3.right * 0.1f， Space.Self）;

}

}

}

3 總結(jié)

電纜射孔工序是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多種專業(yè)操作人員利用適合的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)。面對這樣較為復(fù)雜、要求較高且有一定危險性的工程，利用傳統(tǒng)的多媒體培訓(xùn)或?qū)嶋H場地觀摩，都可能使培訓(xùn)的效果達(dá)不到理想標(biāo)準(zhǔn)。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)則很好地解決上述問題。它不但解決了現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中的時間環(huán)境限制和設(shè)備不足的問題，同時降低了實(shí)訓(xùn)運(yùn)行的成本，可提供反復(fù)練習(xí)。此外，還能將抽象的概念與問題直觀、形象的反應(yīng)給培訓(xùn)人員，從而調(diào)動他們的學(xué)習(xí)積極性和主動性，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量，讓培訓(xùn)的效果能更加顯著[6]。

參考文獻(xiàn)

[1]劉賢梅，郝愛民.油田安全作業(yè)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（11）：3082-3087.

[2] 解紅濤，張麗娜.香農(nóng)-施拉姆模式的改進(jìn)及應(yīng)用研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，37（1）：136-139.

[3] 高春曉，劉玉樹.碰撞檢測技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002（5）：9-11.

[4] 張紅巖.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)[J].工礦自動化，2014，40（2）：88-92.

[5] 熊偉，毛善君，馬藹乃.基于觀察者的碰撞檢測技術(shù)在虛擬環(huán)境漫游中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002（11）：6-7.

[6] 陳良英，羅凡.基于VR的電梯拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究[J].微型電腦應(yīng)用，2017，33（4）：59-61.

（收稿日期： 2019.05.29）