基于虚拟现实技术的海上平台远程运维系统设计研究

2022-01-14郝帅

现代制造技术与装备 2021年12期

郝帅

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

海上平台作为海上油田油气生产建设的重要设施，在我国海洋资源开发中具有非常重要的作用。众所周知，海上油田油气生产作业条件恶劣。为了保证海上平台能够在复杂的条件下作业，需要采取科学的维修管理和故障诊断方法使其保持良好的状态。海上平台是由众多设备构成的大型集成化系统，近年来设备自动化水平逐步提升，不同元件之间的关联性日益紧密，造成了设备故障诊断的难度与日俱增。将虚拟现实技术应用到海洋工程领域，可打破时间和空间的束缚。运用远程运维系统开展多学科协同作业，能够提升设备故障的诊断质量，并及时给出有效的解决对策，从而为海上平台设备设施运营维护提供指导，促进海洋石油事业的高质量发展。

1 虚拟现实技术概述

近年来，虚拟现实技术广受关注，但事实上该技术并非近年来才出现的新技术。早在20世纪80年代，部分研究人员就提出了虚拟现实这一概念，但是受限于当时的技术环境，并没有引起广泛的关注[1]。2000年左右，通信巨头Facebook收购Oculus后，虚拟现实技术开始重新进入大众视野并取得快速发展，并在2014年后进入蓬勃发展阶段。近年来，虚拟现实技术已经成为信息科技领域最具发展潜力的方向之一，并逐步发展成为体系化、自然化的产业链条。虚拟现实技术诞生后快速发展，并与各个行业深度融合，逐步发展成为新的市场增长点。

所谓的虚拟现实技术，指的是基于传感设备利用计算机生成实时动态三维图像模拟仿真环境。从本质上来说，虚拟现实技术是仿真技术的重要分支，由多门信息技术学科交叉形成。基于计算机平台和传感器设备生成的逼真三维实时化图像，能够使用户感受到模拟体验的最佳感觉。虚拟现实技术具有多感知性、存在感等特征，除了能够满足人们的视觉感知需求以外，能够提供听觉、嗅觉、运动等方面的感知。虚拟现实技术具有广阔的发展空间，未来的发技术将趋向于动态环境建模技术、实时三维图形生成和显示技术以及新型交互设备等。纵观近年来的产业发展状况可以看到，头戴显示器开始成为虚拟现实技术的主流设备。

2 海上平台设备故障现状

作为海上大型结构件的机械设备，在海洋油田开发生产过程中，海上平台扮演着举足轻重的角色。作为重要的大型基础装备，它一般被分为钻井平台和生产平台两大类[2]。作为海上油气生产的重要载体，海上平台建设投资量大，如何进行科学的运维管理，使其保持良好的运行状态是油气开发生产的重要保障。作为大型集成化设备系统，海上平台由上百台设备构成，包括动力设备、钻井设备、起重设备、消防设备等。海上平台作业环境恶劣，且油气开发生产具有易燃易爆的特点，如果不注重设备维修管理，可能给油气生产带来严重的安全隐患。2010年，在墨西哥湾区域，BP公司钻井平台爆炸，导致11人死亡和原油泄漏，其带来的恶劣效应发人深省，引起了人们对于海上平台设备管理的重视。近年来，我国积极引进国外先进的维修策略和方法以及故障诊断监测技术，但是尚未有效解决我国海上平台设备维修管理中的现实问题。在现代信息技术快速发展的背景下，基于虚拟现实技术的海上平台远程运维系统成为可选择的路径之一。

3 基于虚拟现实技术的海上平台远程运维系统

3.1 总体架构

在互联网等现代信息技术快速发展的背景下，国内外能源公司、专业公司积极开展数字化、智能化应用研究，通过应用智能化技术，显著提升油气生产效率。在数字化油田理念的指导下，依托先进的网络和信息化技术，针对现阶段海上平台运维能力弱的问题以及对远程运维的迫切需求，可基于虚拟现实技术，利用传感器设备以及通信技术仿真平台现场，构建远程运维系统，以提升设备故障诊断质量。基于虚拟现实技术的海上平台远程运维系统建设的总体目标在于运用虚拟现实等技术手段实现专家远程诊断，以确保平台安全[3]。

从系统架构上来说，基于虚拟现实技术的海上平台远程运维系统是一项复杂的工程，涉及部门较多，并且分属于不同的层面。根据海上平台运维管理的需求和建设原则，该系统分为6部分，分别为系统软件子系统、网络通信子系统、接口采集子系统、视景显示子系统、音响报警子系统以及辅助诊断子系统，总体架构示意图如图1所示。各个子系统通过相互合作共同实现了平台漫游、远程运维、专家决策等功能。基于虚拟现实技术的海上平台远程运维系统详细工作流程如下：首先，通过接口采集子系统收集平台不同设备的工作信息，并将收集到的信息通过网络通信子系统传输到岸端；其次，基于系统软件子系统以及视景显示系统进行仿真显示，为运维人员模拟现场环境，并通过音响报警系统提供听觉感受；最后，通过辅助诊断系统为专家决策提供参考和依据，完成整个平台远程运维工作。

图1 海上平台远程运维系统总体架构示意图

3.2 方案设计

3.2.1 接口采集子系统

该子系统的主要任务在于收集平台设备的实际工作状况，并将数据发送到仿真系统中，是整个远程运维系统交互功能的重要基础。为了保证后续仿真环境的真实性，接口采集子系统选用基于模块化的信号采集驱动板，包括485通信模、电源和输入输出等模块。主控芯片采用高性能单片机，并选择专用采集通信板采集外部模拟量和数字输入量。此外，需要保证整个接口采集子系统接口的一致性和可拓展性，以确保后续接口充足。

3.2.2 网络通信子系统

该子系统是岸端仿真系统与平台现场之间的传输桥梁，也是整个系统的重要组成部分。数据之间的交换和通信都需要网络系统来完成，使得整个系统呈现出典型的分布式交互式实时仿真系统的特征，具有显著的分布性、交互性、实时性和异构性特点。因此，对于网络通信模块来说，必须具备与之相对应的网络数据管理能力，如一对多、多对一、实时接收发送功能等。

3.2.3 系统软件子系统

该子系统主要负责完成数据的整理分析运算、图像处理和建模、平台设备仿真等工作，从而为用户搭建虚拟现实的平台环境，让设备维护人员能够感受到空间的视觉信息。

3.2.4 视景显示子系统

该子系统的功能在于远程构建视觉显示场景，主要组成设备包括投影器、投影控制设备、柱形投影幕等，尤其是通过虚拟现实眼镜能够有效地提升运维人员的真实感受。

3.2.5 音响报警子系统

视景显示子系统能够对运维人员提供视觉模拟场景，音响报警子系统则是为运维人员提供听觉模拟场景。该子系统主要由音响分系统和通信分系统两部分构成。前者主要为音响播放设备，如声卡、音箱、功率放大器等；后者主要为计算机设备，负责音响计算机与主机之间的通信。音响报警子系统能够模拟平台设备实际工作的各种音响信号，使运维人员通过模拟的设备启动运行声、设备元件撞击声、设备警告声等对设备异常状况进行科学判断。

3.2.6 辅助诊断子系统

该部分的功能在于将收集到的海上平台设备信息进行处理分析，并对其运行状态进行初步评估，以作为专家决策的参考和依据。专家在此基础上进行科学判断并提出具体的维修建议，然后通过网络通信子系统传回平台现场，供现场人员维修检测使用。

3.3 基于虚拟现实技术的运维系统可视化设计

为了提升运维系统显示效果的仿真性，需要开展基于虚拟现实的系统可视化设计。在虚拟现实环境下，运维人员能够更加直观地查看平台各个系统的运营状态，如通过手柄可以在平台上稳步行走，通过漫游查看能够直观地查看不同系统的机械结构等。基于虚拟现实技术的运维系统可视化设计主要包括三维建模、图像生成、场景搭建、交互软件业务方案、交互软件图形界面设计等几部分。

3.3.1 三维建模

所谓的三维建模指的是将海上平台各个设备在虚拟的环境下进行还原，真实呈现海上平台设备结构、外观以及部件的连接方式，从而以此为基础科学分析设备的运动规律和机理。建模工作可基于3ds Max的多边形工具开展，优势在于能够在输入参数和输出模型之间建立准确的联系，并保证模型的准确性和美观性[4]。除此以外，该建模方法有助于还原中期零部件的细节，提升后期渲染的速度。需要注意的是，在建模的过程中应注意保持实际设备的原始比例。通常情况下，三维建模主要分为几何建模、物理建模和运动建模等3部分，其中在物理建模环节中需要注重模型纹理、颜色等细节的处理，通过细节层次处理提升建模的美观性和精准性。另外，为满足不同的需求，模型格式经常在MB、FBX等多种格式之间相互转换，从而在建模、格式转换的基础上对模型进行渲染，使其更加接近真实平台设备。目前，业内多采用Maya中的Mentalray渲染器提升渲染效果，优势在于参数选择的多样性，能够最大程度实现还原真实场景的目标。

3.3.2 图像生成

图像生成要在三维建模的基础上，基于成像计算机得到实景图像，对其进行几何形变矫正、光学边缘融合等修饰调整工作，以确保各通道之间的完整和连续，从而保证图像的沉浸效果和完整性。

3.3.3 场景搭建

基于行业领先的Unity 3D开发平台，利用采集的现场信息搭建平台和外部场景，并通过渲染模型等操作完成整个平台环境的搭建。需要说明的是，基于Unity 3D开发平台搭建的虚拟环境不仅包括动态井场环境、转盘、生活区、转盘设备、井架和绞车系统等，还包括周围海洋环境、光照环境等场景。

3.3.4 交互软件业务方案

这部分的主要任务在于通过设备操作实现用户和软件系统之间的交互，当操作者单击任意按钮时即进入维修过程，若操作失误，可以撤销返回上一次操作，且每个设备动作流程均备份至数据库，以确保操作全过程可追溯。另外，为确保操作过程与实际操作相吻合，必须进行业务交互设计。在该平台上，业务模块被进一步细分为基础信息管理、工艺流程管理、数据管理以及统计查询等多个部分，能够确保整个业务的完整性。

3.3.5 交互软件图形界面设计

将基于Unity 3D构件的场景内容嵌入到Microsoft.NET Framework系统框架平台上进行实时交互，在未来的发展中，人们可以通过手机客户端实现与平台设备的实时交互[5]。这一过程中，数据通信的过程可以概述为以下内容：通过将数据传感器采集的各种设备信息传输到司钻房控制系统中，数据打包后通过网络交换机传输，此时可以选择通过CDMA设备、CDMA网端、Internet传输到岸端，也可以选择通过卫星通信设备、海事卫星、卫星地面站、Internet传输到岸端；岸端数据中心接收到数据传感器采集的信息后，经数据服务器等进行解析，再通过网络交换机传递到用户终端，供岸上用户终端处理。