高 陽(yáng)，吳 巍，劉 崢

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452）

0 引言

隨著邊際油田開(kāi)發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，為滿足其開(kāi)發(fā)需求，無(wú)人平臺(tái)越來(lái)越受到重視。目前，我國(guó)在海上已經(jīng)建立了多座無(wú)人平臺(tái)，數(shù)量占比超過(guò)10%。與常規(guī)平臺(tái)相比，無(wú)人平臺(tái)多為簡(jiǎn)易井口，組塊設(shè)備相對(duì)較少，處理難度相對(duì)較小。從整體發(fā)展水平來(lái)看，在平臺(tái)數(shù)字化建造水平方面，我國(guó)與國(guó)外存在著一定的差距。在此背景下，中國(guó)海油大力推進(jìn)數(shù)字油田戰(zhàn)略，積極探索無(wú)人平臺(tái)遠(yuǎn)程控制運(yùn)維技術(shù)。對(duì)于無(wú)人平臺(tái)來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)程遙控運(yùn)維能夠有效降低人員和設(shè)備成本，保證生產(chǎn)運(yùn)行安全平穩(wěn)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，受海上平臺(tái)地理位置等因素制約，其安防監(jiān)控多通過(guò)圖表或有限的視頻形式開(kāi)展，信息感知難度大。除此以外，其通信性能容易受外界環(huán)境的影響，實(shí)時(shí)性、直觀性不足。5G 通信、混合現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，為無(wú)人平臺(tái)安防應(yīng)急監(jiān)控提供了有力的支持。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái)蓬勃興起的信息技術(shù)，涉及多個(gè)學(xué)科，是一門(mén)新興的人機(jī)交互技術(shù)[1]。該技術(shù)最早可以追溯到20 世紀(jì)80 年代，早期以軍事方面的應(yīng)用為主，目前已經(jīng)在軍事、能源、教育等多個(gè)領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果。該技術(shù)從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)演化而來(lái)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有完全沉浸的特點(diǎn)，可以通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互讓人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感。與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是置身于真實(shí)場(chǎng)景下，從使用者的視角出發(fā)，增加額外描述性信息的技術(shù)。與此二者相比，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)兼而有之，是利用信息技術(shù)將真實(shí)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為三維空間的虛擬場(chǎng)景，并使之與現(xiàn)實(shí)空間相對(duì)應(yīng)，讓使用者能夠同時(shí)體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景[2]。

2 海洋平臺(tái)信息化仿真

在三維場(chǎng)景建模之前，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)說(shuō)明書(shū)以及相關(guān)圖紙，詳細(xì)了解平臺(tái)設(shè)備位置、結(jié)構(gòu)以及尺度等相關(guān)參數(shù)，基于3ds Max 等軟件對(duì)無(wú)人平臺(tái)進(jìn)行三維建模。為更好地確定無(wú)人平臺(tái)相關(guān)信息，需要借助不同設(shè)備對(duì)其結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)信息以及紋理圖片信息進(jìn)行處理。

2.1 三維結(jié)構(gòu)搭建

基于3ds Max 等軟件，采用模塊化建模方式，根據(jù)不同設(shè)備的模型需求，綜合基礎(chǔ)建模、參數(shù)化建模、多邊形建模等多種建模方式，對(duì)無(wú)人平臺(tái)整體進(jìn)行零分解，對(duì)不同組件進(jìn)行建模并組裝，進(jìn)而完成整個(gè)平臺(tái)模型的搭建。

針對(duì)平臺(tái)整體架構(gòu)，基于前期調(diào)查得到的平臺(tái)照片、結(jié)構(gòu)參數(shù)、尺寸參數(shù)等信息對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)拆分，整體平臺(tái)細(xì)化成底柱、構(gòu)件等若干個(gè)零部件。對(duì)不同零件，選擇合適的基準(zhǔn)面進(jìn)行平面草圖繪制，在幾何尺寸的約束下利用參數(shù)化建模方法進(jìn)行模型構(gòu)建。程序化參數(shù)建?？梢岳矛F(xiàn)有程序直接生成預(yù)期模型，也可以對(duì)已有的模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使其與構(gòu)件更加匹配，該方法對(duì)于模型庫(kù)以及目標(biāo)對(duì)象依賴性較強(qiáng)。

針對(duì)平臺(tái)其他設(shè)備設(shè)施的建模，選用基礎(chǔ)建模、復(fù)合建模等多種方式?；A(chǔ)建模是以3ds Max 等建模軟件預(yù)設(shè)的模型為前提，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)信息對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具有方便快捷等優(yōu)勢(shì)。對(duì)不同平臺(tái)設(shè)備設(shè)施構(gòu)件進(jìn)行基礎(chǔ)建模，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行組合、疊加、調(diào)整，可以形成復(fù)雜物體的三維建模。在實(shí)際中，結(jié)合不同部件實(shí)際情況，可以選用通過(guò)旋轉(zhuǎn)、壓縮等操作將平面二維模型拓展到三維空間，形成三維圖形。例如基于樣條線、NURBS 線等曲線線形渲染方法，利用少量點(diǎn)的控制渲染出平臺(tái)設(shè)備的表面曲線形態(tài)特征。對(duì)于無(wú)人平臺(tái)上高復(fù)雜度設(shè)備模型的創(chuàng)建，可選用復(fù)合建模方法。顧名思義，該方法是將多個(gè)模擬對(duì)象進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的構(gòu)建，其中常見(jiàn)的復(fù)合組建模方法有依附、連接、包裹、變形等。

2.2 模型外觀貼圖渲染

在完成無(wú)人平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)形狀構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)顏色、紋理、材質(zhì)等進(jìn)行渲染制作，即通過(guò)紋理貼圖等方式展示模型的細(xì)節(jié)特征。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于平臺(tái)設(shè)備模型的材質(zhì)紋理等信息，多通過(guò)量度、透明度、反射情況等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對(duì)不同的構(gòu)件，選擇顏色紋理貼圖、凹凸紋理映射等方法進(jìn)行高精度渲染[3]。本次研究中的無(wú)人平臺(tái)立柱部分選用顏色紋理貼圖法進(jìn)行渲染，即參考紋理映射標(biāo)準(zhǔn)將前期拍攝的立柱圖片進(jìn)行三維貼圖。

在操作中，可以通過(guò)頂點(diǎn)映射的方式將外觀紋理圖片粘貼在立柱相應(yīng)位置，進(jìn)而對(duì)立柱外觀進(jìn)行渲染模擬。該渲染方式方便快捷，依托前期采集的外觀照片即可實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于表面凸凹感明顯或者材質(zhì)復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)件，該方法應(yīng)用受限，需采用凹凸紋理映射貼圖法。與顏色紋理貼圖法相比，該方法是對(duì)紋理處的光學(xué)坐標(biāo)信息予以擾動(dòng)調(diào)整紋理信息，使其展現(xiàn)出模型表面紋理的變化效果，并采用調(diào)整U、V、W 值等方式，對(duì)貼圖位置進(jìn)行優(yōu)化。凹凸紋理貼圖的具體實(shí)現(xiàn)流程分為模型表面光照映射、表面凹凸紋理映射、表面光學(xué)紋理攝影等流程。模型表面光照映射與顏色紋理貼圖相近，即在構(gòu)建模型的表面進(jìn)行光照貼圖，然后進(jìn)行凹凸紋理貼圖，并添加環(huán)境光學(xué)紋理圖片進(jìn)行光學(xué)紋理渲染。

2.3 渲染優(yōu)化

為保證模型仿真渲染的運(yùn)行效率，待無(wú)人平臺(tái)三維模型構(gòu)建完成后對(duì)其進(jìn)行適度優(yōu)化處理，在保證模型場(chǎng)景真實(shí)度、精準(zhǔn)度的同時(shí)降低模型的復(fù)雜度，即應(yīng)用合適的算法對(duì)多余部分進(jìn)行刪減。無(wú)人平臺(tái)三維模型場(chǎng)景中的幾何面過(guò)多（一般超過(guò)1 萬(wàn)個(gè)）會(huì)降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)行流暢度，因此模型幾何面數(shù)應(yīng)盡可能減少[4]。

對(duì)于三維場(chǎng)景模型來(lái)說(shuō)，對(duì)其中處于不可觀測(cè)狀態(tài)的集合模型幾何面進(jìn)行刪減，對(duì)整個(gè)模型的渲染效果不會(huì)帶來(lái)較大影響，例如模型內(nèi)部的面等，以減少模型的幾何元素，有效降低無(wú)人平臺(tái)三維空間模型的復(fù)雜程度，提升模型仿真渲染效率。再者，模型細(xì)節(jié)程度越高，越能夠提升海上無(wú)人平臺(tái)場(chǎng)景渲染的逼真程度，但是隨著模型細(xì)節(jié)的增多，勢(shì)必會(huì)降低整體模型的計(jì)算效率。因此，對(duì)于部分要求精度不高的模型，可以根據(jù)實(shí)際情況采用紋理貼圖法對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行展示，例如平臺(tái)欄桿、把手等。

在Unity3D 軟件中，結(jié)合實(shí)際需求對(duì)設(shè)備紋理細(xì)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠確保平臺(tái)設(shè)備表面的凸凹效果得到逼真的顯示。在模型構(gòu)建中，可通過(guò)外部引用的方式從數(shù)據(jù)庫(kù)中將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)定的三維場(chǎng)景，并進(jìn)行重新定位，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠降低場(chǎng)景內(nèi)存，加速渲染效率。應(yīng)用外部引用技術(shù)，適度修改設(shè)定場(chǎng)景的引用參數(shù)，方便場(chǎng)景模型的管理。建模人員可以根據(jù)無(wú)人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)劃分，并設(shè)置存儲(chǔ)規(guī)則，為后續(xù)外部引用提供便利，提高模型動(dòng)態(tài)更新的效率?？傮w上來(lái)說(shuō)，通過(guò)紋理貼圖、模型優(yōu)化處理、降低幾何元素等方式，基于Unity3D場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了無(wú)人平臺(tái)三維模型的整體構(gòu)建。

3 安防場(chǎng)景交互仿真

傳統(tǒng)意義上的海上平臺(tái)安防成本較高，難以適應(yīng)無(wú)人平臺(tái)的需求。為確保海上油田無(wú)人平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行以及基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)的安全，建設(shè)安防監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)一體化監(jiān)控。在平臺(tái)建設(shè)全景光學(xué)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)線纜等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，并將現(xiàn)實(shí)監(jiān)控信息實(shí)時(shí)接入系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)海上無(wú)人平臺(tái)監(jiān)控場(chǎng)景的虛實(shí)結(jié)合。無(wú)人平臺(tái)安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)充分考慮監(jiān)控目標(biāo)的復(fù)雜性，考慮惡劣天氣以及復(fù)雜海況等環(huán)境因素的影響，采用統(tǒng)一控制、分布安裝的總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接入混合顯示場(chǎng)景，以便進(jìn)行聯(lián)動(dòng)安防監(jiān)控，為無(wú)人平臺(tái)的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

混合顯示場(chǎng)景仿真服務(wù)端接收到海上無(wú)人平臺(tái)端的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，通過(guò)實(shí)時(shí)通信動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)，將其顯示在仿真場(chǎng)景中，并完成統(tǒng)計(jì)分析等功能。采用TCP socket 長(zhǎng)鏈接數(shù)據(jù)通信方式，確保平臺(tái)與仿真服務(wù)端的雙向、高效、實(shí)時(shí)通信，通過(guò)確認(rèn)、重傳、擁塞控制等機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的傳輸效率。平臺(tái)與仿真服務(wù)端通過(guò)自定義的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行傳輸，其格式設(shè)計(jì)要保證傳遞信息的完整性，避免因冗余導(dǎo)致的帶寬浪費(fèi)，同時(shí)要具備必要的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以避免數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象。無(wú)人平臺(tái)端將接收到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并將重要信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中[5]。在Unity3D 引擎中與服務(wù)器進(jìn)行通信測(cè)試，構(gòu)建虛擬目標(biāo)，并同步生成相應(yīng)的模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輔助決策。以渤海油田為例，其應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真構(gòu)建的海上平臺(tái)安防場(chǎng)景如圖1 所示。

圖1 海上平臺(tái)三維仿真

基于Unity3D 引擎實(shí)現(xiàn)海上無(wú)人平臺(tái)安防場(chǎng)景仿真，其功能主要體現(xiàn)為：①基于接收到的無(wú)人平臺(tái)端目標(biāo)信息，以便在混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中判斷預(yù)警信息；②接入無(wú)人平臺(tái)設(shè)備信息及攝像信息，通過(guò)對(duì)各類信息的實(shí)時(shí)調(diào)用，確保無(wú)人平臺(tái)的安全平穩(wěn)運(yùn)行；③接入虛擬現(xiàn)實(shí)的顯示設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)沉浸式訪問(wèn)。無(wú)人平臺(tái)安防場(chǎng)景仿真功能采用GUI 面板進(jìn)行，可以通過(guò)代碼自行實(shí)現(xiàn)控件功能。控件定位以像素為單位，通過(guò)給定坐標(biāo)的方式進(jìn)行調(diào)整。在場(chǎng)景中設(shè)置預(yù)警信息按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息的記錄和預(yù)警發(fā)布；設(shè)置監(jiān)控信息按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)設(shè)備以及安防系統(tǒng)信息的調(diào)取。

4 結(jié)束語(yǔ)

海上無(wú)人平臺(tái)作為離岸設(shè)施，運(yùn)維難度較大，對(duì)3D數(shù)字引擎提出了特殊的要求。在海上油田數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程中，強(qiáng)化虛擬仿真應(yīng)用，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合、模型處理、效果優(yōu)化、仿真定義，打造真實(shí)、準(zhǔn)確的虛擬仿真三維模型，為在海上無(wú)人平臺(tái)智能化運(yùn)維提供“所見(jiàn)即所得”的三維數(shù)字環(huán)境，是目前中海油數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的重要組成部分?；诖?，本文應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)展海上平臺(tái)安防場(chǎng)景仿真構(gòu)建研究，展示了動(dòng)態(tài)交互信息的有效性，實(shí)現(xiàn)了混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的預(yù)警發(fā)布等功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。