萬軍鳳，代曉東，李 雷，董 燕

(中國石油大學(xué) 勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東 東營 257061)

為了持續(xù)推進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，繼《教育部辦公廳關(guān)于 2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知(教高廳[2017]4號)》[1]之后，2018年6月，教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知(教高函[2018]5 號)》[2]，以進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目，可見，虛擬仿真實驗項目建設(shè)必將成為助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車的有效手段。油氣資源作為一種戰(zhàn)略性資源，在我國能源安全領(lǐng)域中占有極其重要的地位。由于油氣資源勘探開發(fā)的特殊性：生產(chǎn)流程復(fù)雜，生產(chǎn)操作危險系數(shù)高，油氣產(chǎn)品易燃易爆等特點[3-4]，使得學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)僅僅停留在“以看為主、只看不練”的現(xiàn)場觀摩層面，實習(xí)效果難以保障[5-6]。

虛擬仿真技術(shù)作為多種高新技術(shù)集成的結(jié)晶，在操作過程訓(xùn)練、安全應(yīng)急演練，生產(chǎn)過程仿真等方面具有獨特的優(yōu)勢，可精確模擬現(xiàn)實場景[7]，虛擬仿真的這種逼真性和實時交互性有效解決了生產(chǎn)實習(xí)與動手實踐之間存在的巨大障礙，對提升學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

1 油氣開發(fā)工藝虛擬仿真實踐教學(xué)中心建設(shè)思路

油氣開發(fā)工藝虛擬仿真實踐教學(xué)中心(以下簡稱仿真中心)的建設(shè)工作以“科學(xué)規(guī)劃、資源共享、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想[8-9]，依據(jù)最新的行業(yè)技能要求，堅持“虛實結(jié)合、相互補充”的設(shè)計原則，將信息技術(shù)與工程實踐技能訓(xùn)練深度融合，來構(gòu)建一個高效能的油氣開發(fā)虛擬環(huán)境和實踐對象，使得現(xiàn)場實習(xí)高風(fēng)險、實際運行困難以及大型綜合訓(xùn)練難以實施的實踐教學(xué)活動順利實現(xiàn)。

2 仿真中心建設(shè)內(nèi)容

仿真中心建設(shè)的實踐教學(xué)資源如圖1所示，涵蓋鉆井、采油、儲運等領(lǐng)域，可承擔(dān)石油類專業(yè)的實習(xí)實訓(xùn)以及非石油類專業(yè)的認(rèn)知實習(xí)，因?qū)嵺`教學(xué)資源模塊較多，受篇幅所限，僅選取較典型模塊作闡述。

2.1 油氣生產(chǎn)全景VR實習(xí)系統(tǒng)

油氣生產(chǎn)全景VR實習(xí)系統(tǒng)是基于虛擬仿真、三維建模、人機交互、多媒體、信息通訊等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段[10-11]，構(gòu)建的集 “鉆-采-輸”全流程的立體化教學(xué)資源。

油氣生產(chǎn)全景VR實習(xí)系統(tǒng)如圖2所示。以油氣生產(chǎn)虛擬現(xiàn)場為例進(jìn)行介紹：首先，在全景學(xué)習(xí)功能下，各類抽油機、計量間、注水間、配水間及各類井口裝置等虛擬仿真平臺呈現(xiàn)于學(xué)生面前?，F(xiàn)場各種工藝流程相互銜接，這些工藝將油層產(chǎn)出液從井口產(chǎn)出到計量間計量，再到聯(lián)合站油水分離整個過程串聯(lián)起來，使得學(xué)生可快速認(rèn)識油氣生產(chǎn)各個工藝環(huán)節(jié)；在虛擬現(xiàn)場中學(xué)生且可自主選擇視角旋轉(zhuǎn)、放大、縮小以不同的角度進(jìn)行視景觀察，仿佛漫步于生產(chǎn)現(xiàn)場；其次，學(xué)生也可動手操作“小地圖”功能自主選擇某一機械設(shè)備，深入細(xì)致地學(xué)習(xí)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、機械動作、工作原理等，彌補了課堂教學(xué)和實物教學(xué)的不足。把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)，使實踐教學(xué)更加直觀、形象，增強了沉浸感和現(xiàn)實感。

2.2 采油工藝設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)

為了更好地與現(xiàn)場操作對接，提高學(xué)生的實踐操作技能，專門構(gòu)建了采油工藝設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)，實景圖如圖3所示。本系統(tǒng)主要包含游梁式抽油機、寬帶式抽油機及配套的井口裝置，以及自噴井裝備等，可開展啟停抽油機、倒流程、調(diào)平衡、調(diào)沖程、調(diào)沖次、更換光桿盤根及三角皮帶等實訓(xùn)項目。本訓(xùn)練系統(tǒng)與虛擬仿真的有機組合，更好地踐行了“虛實結(jié)合，相互補充”的原則，加深了學(xué)生對采油裝備的結(jié)構(gòu)原理、工藝技術(shù)的理解，對學(xué)生的實踐操作水平起到了很大的促進(jìn)作用。

2.3 油氣安全生產(chǎn)虛擬仿真操作系統(tǒng)

油氣安全生產(chǎn)虛擬仿真操作系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的三維可交互式綜合訓(xùn)練平臺。該系統(tǒng)以操作規(guī)程及故障處置規(guī)程為藍(lán)本，依托典型現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用DCS(distri-buted control system，分布式控制系統(tǒng))模擬內(nèi)操，通過三維視景指令化操作模擬外操，情景再現(xiàn)油田生產(chǎn)現(xiàn)場。實踐項目主要包括采油、油氣集輸、油庫及城市燃?xì)廨斉渌膫€訓(xùn)練子系統(tǒng)。

圖4為采油集輸生產(chǎn)仿真系統(tǒng)實景圖。采油集輸生產(chǎn)仿真實踐教學(xué)內(nèi)容包括內(nèi)操和外操兩種類別，內(nèi)操對應(yīng)中控系統(tǒng)，在中控室主要進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控和動設(shè)備(如：泵、壓縮機等)遠(yuǎn)程操作；在外操三維交互場景中，學(xué)生可隨意在場景中漫游，通過對相關(guān)設(shè)備、閥門的開/停操作和調(diào)節(jié)，實時觀察設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)(如：溫度、壓力、流量等)的變化，提高了學(xué)生實踐動手能力和安全意識。

2.4 油氣鉆井操作實訓(xùn)系統(tǒng)

油氣鉆井操作實訓(xùn)系統(tǒng)突出虛實結(jié)合的原則，將作業(yè)現(xiàn)場實物等比例縮小，通過真實操控臺與軟件結(jié)合，實現(xiàn)真實作業(yè)過程的模擬訓(xùn)練。該系統(tǒng)主要由鉆井井場教學(xué)平臺、ZSC-Ⅱ鉆井司鉆操作臺、鉆井模擬教學(xué)平臺控制軟件、鉆修井工具教學(xué)模型等組成。油氣鉆井操作實訓(xùn)系統(tǒng)實物圖如圖5所示。

鉆井井場教學(xué)平臺可全面展示鉆井作業(yè)五大系統(tǒng)及鉆井現(xiàn)場所需的鉆井、井控和固控設(shè)備及地面輔助設(shè)施的位置擺放。實驗時，學(xué)生可動手調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、泵壓、地層壓力等參數(shù)，實時觀察對鉆進(jìn)速度的影響結(jié)果，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

利用ZSC-Ⅱ鉆井司鉆操作臺，學(xué)生可親自動手進(jìn)行鉆井泵、柴油機、轉(zhuǎn)盤、絞車及絞車剎車等控制操作，以實現(xiàn)對頂驅(qū)裝置、轉(zhuǎn)盤、絞車、鉆井泵等的動作控制。

鉆井模擬教學(xué)平臺控制軟件可將鉆井、關(guān)井、壓井流程中抽象生硬的知識以直觀且可模擬操作的形式展現(xiàn)出來，便于學(xué)生理解和掌握。鉆井現(xiàn)場仿真教學(xué)平臺訓(xùn)練界面如圖6所示。中間界面顯示鉆井井場模擬動畫，操作的結(jié)果會以宏觀動畫的方式展現(xiàn)出來；最右邊界面顯示的是指重表和鉆井參數(shù)，鉆井操作過程中所涉及的參數(shù)將在這里體現(xiàn)；最左側(cè)的界面是司鉆臺投影畫面，學(xué)生操作將在這個界面中體現(xiàn)出來。

3 仿真中心的探索

3.1 實踐教學(xué)體系探索

根據(jù)學(xué)院石油類專業(yè)特點，圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建“重基礎(chǔ)、分層次、系統(tǒng)化、強能力”的虛擬仿真實踐教學(xué)體系?；趯嵨锓抡娴你@井工具拆裝及采油工藝設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)等屬于基礎(chǔ)教學(xué)，重點培養(yǎng)學(xué)生對各種鉆井、采油設(shè)備以及基本理論、技能的實踐掌握；油氣鉆井操作實訓(xùn)系統(tǒng)、設(shè)備虛擬拆裝及故障處置訓(xùn)練系統(tǒng)等虛擬仿真平臺用于綜合提高類教學(xué)，重點培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運用能力及動手能力，使學(xué)生在對課程基本理論進(jìn)行實踐應(yīng)用同時還接受系統(tǒng)規(guī)范的工程技能訓(xùn)練，以實現(xiàn)和企業(yè)工作崗位的快速對接；油氣安全生產(chǎn)及生產(chǎn)事故應(yīng)急模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等仿真操作平臺具有實戰(zhàn)化特點，用于創(chuàng)新類教學(xué)，工程安全意識貫穿于實踐教學(xué)內(nèi)容始終，允許學(xué)生進(jìn)行個性化的創(chuàng)新設(shè)計研究。

3.2 開放共享實踐教學(xué)平臺探索

仿真中心努力向多專業(yè)共享平臺目標(biāo)發(fā)展，適當(dāng)對接校內(nèi)油氣通選課程，支持線上共享和線下開放實踐，不同專業(yè)學(xué)生，可根據(jù)自己的專業(yè)特點、學(xué)習(xí)興趣靈活安排時間進(jìn)行自主、選擇性地實踐，強化學(xué)生綜合素養(yǎng)能力培養(yǎng)。

4 結(jié)論

在當(dāng)前高校實驗教學(xué)改革背景下，我校積極響應(yīng)國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，結(jié)合油氣開發(fā)相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)需求和專業(yè)特點，依托現(xiàn)代化信息技術(shù)，堅持“虛實結(jié)合、相互補充”的設(shè)計原則，建設(shè)了集“鉆-采-輸”一體化的仿真中心，借助該平臺，可實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場難以完成的操作訓(xùn)練，且在實踐教學(xué)體系及開放共享實踐教學(xué)平臺建設(shè)方面進(jìn)行了積極探索，這對有效提升學(xué)生工程實踐操作技能和創(chuàng)新精神具有重要意義。