齊明俠,黃魯蒙,許亮斌

(1.中國石油大學(華東),山東東營257061;2.中海石油研究中心,北京100027) *

基于VRML的半潛式海洋平臺虛擬仿真技術

齊明俠1,黃魯蒙1,許亮斌2

(1.中國石油大學(華東),山東東營257061;2.中海石油研究中心,北京100027)*

針對海洋石油開發(fā)投資極大,國內(nèi)海洋平臺較少,工作人員對深水鉆井工藝較陌生,人員培訓費時費力等問題,提出了構建基于VRML的半潛式海洋平臺虛擬漫游場景。結(jié)合三維軟件Solid-Works建模能力與虛擬現(xiàn)實語言VRML強大的仿真能力,綜合運用視點技術、聲音建模技術、VRML自身的動畫節(jié)點和JavaScript腳本語言等,實現(xiàn)了海洋鉆井主要操作過程的仿真,構建一個生動直觀、豐富多彩的虛擬漫游學習場景。

虛擬現(xiàn)實;海洋平臺;VRML;虛擬仿真

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,簡稱VR)是指綜合利用計算機圖形學、傳感器技術、多媒體技術、人機接口技術等多種技術以及計算機、各種顯示和控制等硬件設備,在計算機上生成具有沉浸性、交互性以及逼真的視、聽、觸覺等一體化的三維虛擬環(huán)境的技術,其中,計算機生成的可交互三維環(huán)境稱為虛擬環(huán)境(Virtual Environment,簡稱VE),其中的虛擬現(xiàn)實建模語言(Virtual Reality Modeling Language, VRML)是桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最經(jīng)典、最著名的虛擬現(xiàn)實技術[1]。從石油行業(yè)第1套虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)“多學科協(xié)同研究-決策虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”到今天,虛擬現(xiàn)實技術已應用于石油石化行業(yè)很多領域。

海洋油氣工程裝備產(chǎn)業(yè)是直接關系到海洋油氣資源開發(fā),并影響國家能源穩(wěn)定和經(jīng)濟安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[2-3]。由于海洋石油裝備的技術含量高、投資巨大,深海鉆井的費用昂貴,如果沒有扎實的操作技能和處理事故的經(jīng)驗,會承受潛在的巨大安全風險和經(jīng)濟風險。

我國目前在用的深水石油鉆井平臺數(shù)量較少,且大多為國外制造,國內(nèi)海洋平臺工作人員對深水鉆井工藝較為陌生,人員培訓費時費力。因此,本文提出一種與傳統(tǒng)的基于三維CAD軟件的石油鉆機可視化技術不同的仿真技術,即基于VRML的虛擬現(xiàn)實仿真技術。通過虛擬現(xiàn)實技術模擬半淺式鉆井平臺的主要結(jié)構和平臺布置,并對鉆井過程中的主要操作進行動態(tài)仿真,結(jié)合環(huán)境建模、聲音建模、虛擬化身等技術,構建一個具有交互性和臨場感的三維鉆機虛擬場景。VRML圖形渲染過程具有實時性,觀察者可以全方位不受約束的瀏覽,甚至進入各種模型的內(nèi)部觀察。

1 技術方案

本系統(tǒng)開發(fā)采取先對半潛式平臺及其相關設備進行分析,通過查閱海洋鉆井平臺的大量資料,了解了海洋鉆井平臺上各個設備的型號及參數(shù),并對各種設備進行結(jié)構與性能分析;再根據(jù)海洋鉆井平臺對各種設備工作能力的要求,進行設備選型分析。在選型分析的基礎上利用三維軟件SolidWorks對平臺及其各種鉆井設備進行建模,根據(jù)實際結(jié)構組裝成一個統(tǒng)一的海洋鉆井平臺仿真裝配體;最后再利用虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML)構建整個場景,利用VRML自帶傳感器、插補器節(jié)點以及Script(腳本)節(jié)點(VRMLScript或JavaScript腳本語言)實現(xiàn)交互的現(xiàn)實動態(tài)仿真。技術方案如圖1。

圖1 海洋平臺虛擬仿真技術方案

2 海洋平臺虛擬場景的創(chuàng)建

2.1 平臺及設備主體建模

海洋平臺系統(tǒng)擁有眾多復雜的設備,對其可視化,其建模工作的關鍵在于如何快速高效地建立這些零部件的三維模型。VRML本身提供了一些簡單的造型節(jié)點,例如長方體(Box)、球體(Sphere)、圓柱體(Cylinder)等[4]。但是,考慮到石油鉆機系統(tǒng)零部件的結(jié)構復雜程度、精確的裝配關系、數(shù)量等因素,顯然使用這些簡單造型節(jié)點來建模很不現(xiàn)實,效率低、工作量大。對此,可以借助專門的三維建模軟件來建模。因為目前的三維建模軟件都或多或少地提供了幾種三維文件的轉(zhuǎn)換接口,其中就包括VRML文件?？梢允褂眠@些三維建模軟件建立各種復雜的模型,然后通過軟件自帶的接口轉(zhuǎn)換為VRML文件,為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所用,這樣可極大提高建模效率。

根據(jù)三維建模軟件所屬行業(yè)的不同,可以分為通用三維建模軟件和三維CAD建模軟件2類。前者主要有3DS MAX、MA YA等[5];后者則以Pro/ E、SolidWorks、U G等軟件為代表。通用三維建模軟件由于其強大的渲染能力,多用于建筑、游戲、工業(yè)設計等領域,三維CAD建模軟件則以其參數(shù)化設計和強大的裝配能力多用于機械行業(yè)等工程領域?？紤]到石油鉆機這一特殊系統(tǒng),其零部件對于尺寸和裝配關系有著精確的要求,因此建模選擇三維CAD建模軟件SolidWorks。

由于海洋鉆井平臺是一個非常復雜的龐大系統(tǒng),為了使得導出的VRML模型體積盡可能小,實現(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)虛擬對象分離,并且便于對運動對象進行控制。在使用SolidWorks軟件建立鉆機各零部件模型時,需遵循4個重要原則。

1) 在不影響視覺效果、基本結(jié)構和工作原理的情況下,盡量簡化零部件模型。常用的簡化方法有:設備內(nèi)部結(jié)構盡量簡化;齒輪、螺紋等復雜結(jié)構盡量簡化。

2) 盡量做到“一設備一裝配體”,當然該裝配體下還可以包含更多的子裝配體。所有鉆井設備的VRML模型都是從鉆機最終的總裝配體圖中導出的,考慮到在虛擬場景中可能需要對某個零部件進行交互控制,導出VRML文件時一次只能導出一件設備,其余設備需要隱藏,不予正常顯示。

3) 在SolidWorks中盡量給零部件賦予真實的材質(zhì)。SolidWorks支持VRML模型材質(zhì)的導出,對于大型復雜的鉆井設備,例如井架、絞車,導出后再在VRML文件中逐個編輯所有零件的材質(zhì),工作量巨大,極大降低了建模效率。若在SolidWorks中就給每個零部件上色,不僅操作起來方便,而且導出后的模型在VRML場景所見即是在SolidWorks中所見。

4) 在SolidWorks中盡量給零部件賦予真實的材質(zhì)。SolidWorks支持VRML模型材質(zhì)的導出,對于大型復雜的鉆井設備,例如井架、絞車,導出后再在VRML文件中逐個編輯所有零件的材質(zhì)。

具體的建模過程是先利用SolidWorks軟件對各種設備建模并按裝配關系組裝起來,包括半潛式鉆井平臺、鉆井系統(tǒng)零部件(例如頂驅(qū)、天車、游車、絞車、鐵鉆工、鉆桿排放裝置、天車升沉補償裝置等)以及其他平臺相關布置設備(例如隔水管排放區(qū)、鉆桿放置區(qū)、吊車、飛機平臺等);然后分別以VRML格式導出,并虛擬裝配起來,建立的平臺設備主體的虛擬模型如圖2。

圖2 平臺及設備主體虛擬裝配圖

2.2 虛擬化身建模

為了增強石油鉆機可視化系統(tǒng)的沉浸性,在虛擬場景中導入一個用戶的虛擬化身(Avatar)是常用的方法。有了虛擬化身,用戶就可以控制其在虛擬場景走動、與虛擬對象交互等。Blaxxun Avatar Studio是一款免費的虛擬化身制作軟件,通過它可以用來建立基于 H-Anim標準的虛擬世界中使用的包含動畫的3D替身。該軟件可以簡單直觀建立化身,設置化身身體及其不同部分的比例以及皮膚、顏色、頭發(fā)等?；镜捏w貌特征建立以后,可以給化身選擇服裝、鞋帽、眼鏡、皮包、以及其他配件,如圖3所示。

圖3 虛擬化身

3 場景動態(tài)和交互實現(xiàn)

VRML中定義了6種插補器和8種傳感器,通過路由可以在各個造型節(jié)點之間傳遞事件,實現(xiàn)虛擬對象的各種運動,為瀏覽者創(chuàng)建一個身臨其境、動態(tài)逼真、可以交互溝通的虛擬環(huán)境。為了實現(xiàn)更加復雜的過程仿真,通過建立腳本節(jié)點,引入程序設計,將會充分發(fā)揮編程的靈活性和控制手段的多樣性,從而為場景增加交互性和動態(tài)性。

3.1 虛擬對象6自由度運動建模

VRML默認坐標為笛卡爾坐標系。VRML文件中造型節(jié)點Transform下的translation域的x、y、z值可以用來控制對象的平動,實現(xiàn)簡單。VRML中提供了PositionInterpolator(位置插補器)節(jié)點,利用該節(jié)點可以輕松實現(xiàn)虛擬對象的平動。

虛擬對象的轉(zhuǎn)動也是通過 Transform下的rotation域值來控制的,但要注意的問題是如何實現(xiàn)其繞自身對稱軸旋轉(zhuǎn)的動作,在默認模式下對象是繞總體坐標系中坐標軸進行旋轉(zhuǎn)動作?？刂品椒ㄓ?種:①利用VRML模型默認變換順序(先縮放、再旋轉(zhuǎn)、后平移),即先將對象平移到總體坐標處,再進行旋轉(zhuǎn)運動,然后再平移到原位置,就可以實現(xiàn)虛擬對象自身轉(zhuǎn)動;②直接利用 Transform下的center域值設定旋轉(zhuǎn)坐標。對于虛擬對象的轉(zhuǎn)動,VRML中也提供了OrientationInterpolator(方向插補器)節(jié)點,該節(jié)點的語法定義和用法與PositionInterpolator(位置插補器)節(jié)點相類似,在此不再贅述。利用該節(jié)點,理論上可以實現(xiàn)虛擬對象任意復雜的非線性轉(zhuǎn)動[6]。

4 半潛式海洋平臺虛擬仿真模塊

海洋平臺鉆井的操作主要劃分為正常鉆進、起升鉆桿、下方鉆桿、升沉補償?shù)葞状竽K,可以分別演示操作過程,如圖4。

圖4 半潛式海洋平臺虛擬系統(tǒng)模塊框圖

各個模塊中運動部件主要包括頂驅(qū)游車、鉆桿、鐵鉆工、吊卡、鉆桿自動排放裝置、天車升沉補償裝置等。例如,鉆進模塊主要模擬深水鉆井平臺鉆機正常鉆進過程,如圖5。主要包括以下操作:首先通過放頂驅(qū)帶動鉆桿,從而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石。然后頂驅(qū)與鉆桿卸扣,頂驅(qū)上升復位。通過鉆桿自動排放機構抓住1根立根到井口。鐵鉆工到井口,對鉆桿進行上扣操作。頂驅(qū)在上部與鉆桿上扣。繼續(xù)鉆進。接另1根立根時又重復上述操作,每接1根立根構成1個鉆進循環(huán)。其他還有起下鉆模塊、升沉補償模塊等,不再贅述。

圖5 鉆進模塊

5 結(jié)語

本系統(tǒng)通過利用虛擬現(xiàn)實仿真技術,觀察者可以全方位不受約束的瀏覽,以及通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)對鉆井設備的交互控制。另外,該系統(tǒng)還引入了聲音建模、虛擬化身、流體仿真等,極大增強了系統(tǒng)的真實感和沉浸感。本系統(tǒng)生動地模擬了半淺式鉆井平臺的主要結(jié)構和布置,演示了鉆井基本操作過程和海洋平臺鉆進設備的工作原理,可以使用戶對海洋石油鉆井及其作業(yè)流程有一個整體、直觀的了解。

[1] 劉 浩,戴居豐,楊 磊,等.虛擬現(xiàn)實技術及其應用研究[J].微計算機信息,2005,21(1):200-201,151.

[2] 張用德,袁學強.我國海洋鉆井平臺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].石油礦場機械,2008,37(1):14-17.

[3] 賴笑輝,王維旭,欒 蘇.我國海洋鉆井裝備國產(chǎn)化現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].石油礦場機械,2010,39(12): 15-18.

[4] 宋麗紅,華 斌.基于VRML和Java技術的虛擬校園三維查詢系統(tǒng)[J].計算機工程,2005,31(6):173-175.

[5] 李延軍,陳 瑋.基于VRML的虛擬校園漫游系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].自動化與信息工程,2008,(2):46-48.

[6] 孫 麒,劉迎春,徐春霞.基于VRML的虛擬場景漫游實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2008,29(14):3 748-3 751.

Virtual Simulation Technology of Semi Submersible Drilling Platform Based on VRML

QI Ming-xia1,HUANG Lu-meng1,XU Liang-bin2
(1.China University ofPetroleum(Huadong),Dongying257061,China; 2.Research Center of China N ational Of f shore Oil Corporation,Beijing100027,China)

There are enormous investment and less domestic offshore platforms in offshore oil development.Staff is not more familiar in deep water drilling technology.In order to overcome the difficulty of staff training,VRML-based semi submersible drilling platform of the virtual tour scene is presented.SolidWorks software of modeling capabilities combined with VRML software of virtual reality modeling language.The technology point of view,sound modeling,VRML nodes of their animation scripting languages such as JavaScript is integrated to use.The main operation of drilling process is simulated,and vivid scene virtual tour to learn having realized.

virtual reality;offshore platform;VRML;virtual simulation

1001-3482(2011)05-0001-04

TE951

A

2010-11-01

國家重大專項“深水油氣田開發(fā)鉆完井工程配套技術”(2008ZX05026-001)

齊明俠(1955-),男,河北故城人,教授,從事石油礦場機械研究和教學工作,E-mail:qmxia@upc.edu.cn。