蘇欣

(承德石油高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)與信息工程系，河北承德067000)

應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的虛擬油氣聯(lián)合站構(gòu)建

蘇欣

(承德石油高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)與信息工程系，河北承德067000)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)是高職教育的重要組成部分，但是油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求在油氣聯(lián)合站進(jìn)行，存在著高危險(xiǎn)、高成本、高能耗等問(wèn)題。提出一種應(yīng)用于油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的虛擬油氣聯(lián)合站，在最大程度上模擬真實(shí)油氣聯(lián)合站及其油氣處理設(shè)備，同時(shí)設(shè)置實(shí)訓(xùn)操作內(nèi)容，學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行專業(yè)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)兼顧實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果與保證人身安全的雙重目標(biāo)。

虛擬;油氣聯(lián)合站;實(shí)訓(xùn)教學(xué)

1　虛擬仿真教學(xué)現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是近來(lái)年出現(xiàn)的高新技術(shù)，它利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，向使用者提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官模擬，使用者如同身臨其境。但在高職高專院校中，真正意義上的虛擬仿真教學(xué)工廠還未出現(xiàn)，目前在高職高專院校中實(shí)訓(xùn)教學(xué)是以電腦軟件模擬為主，在一些模擬控制設(shè)備的控制臺(tái)上，學(xué)生主要是在電腦上完成虛擬教學(xué)實(shí)踐，首先不能夠從感觀上真正認(rèn)識(shí)工廠的生產(chǎn)環(huán)境;另外，由于只是通過(guò)電腦鼠標(biāo)進(jìn)行實(shí)踐操作學(xué)習(xí)或僅僅是通過(guò)控制臺(tái)連接電腦進(jìn)行操作，學(xué)生并不能夠真實(shí)體驗(yàn)到不同操作所產(chǎn)生的不同結(jié)果。因此在所謂的虛擬教學(xué)工廠中完成的實(shí)踐操作與工廠的實(shí)際情況相距甚遠(yuǎn)，學(xué)生并不能夠從虛擬教學(xué)工廠中感受到工廠的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，也不能夠真正掌握實(shí)踐操作的技能，這種所謂的“虛擬教學(xué)工廠”只是有名無(wú)實(shí)，并不能給學(xué)生帶來(lái)身處工廠實(shí)習(xí)的真實(shí)體驗(yàn)。

對(duì)于高職院校來(lái)說(shuō)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)是高職教育的重要組成部分，其目標(biāo)是充分鞏固理論教學(xué)的教學(xué)成果，培養(yǎng)學(xué)生熟練的動(dòng)手操作能力。但是目前的實(shí)訓(xùn)教學(xué)在形式與內(nèi)容上與企業(yè)的具體環(huán)境與要求存在較大差距，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)缺乏適應(yīng)性和針對(duì)性，學(xué)生就業(yè)后難以適應(yīng)企業(yè)工作環(huán)境，無(wú)法滿足崗位要求，不符合企業(yè)對(duì)人才的需求。未經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的學(xué)生根本無(wú)法在真實(shí)的生產(chǎn)工廠環(huán)境中完成實(shí)訓(xùn)教學(xué)的要求，而學(xué)校也不具備工廠的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。很多工科專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在著高危險(xiǎn)、高成本、高能耗等具體的問(wèn)題，因此構(gòu)建能夠最大程度上模擬生產(chǎn)工廠的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)場(chǎng)站，是進(jìn)行專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的最優(yōu)選擇［1］。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON Studio

常用的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件種類較多，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的有中視典公司的VRP、Eon Studio、OSG開(kāi)發(fā)平臺(tái)等，每一種軟件都具有不同的特點(diǎn)，但均可以進(jìn)行虛擬建模的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

Eon Studio是在國(guó)外非常知名的VR制作軟件，經(jīng)常被用于制作產(chǎn)品的虛擬演示，并用于醫(yī)療、教育等行業(yè);也可以用來(lái)開(kāi)發(fā)游戲，適合傾向于編程交互開(kāi)發(fā)方面的愛(ài)好者使用。

Eon Studio能夠輕松導(dǎo)入3D模型，目前市面上90%以上的3D模型軟件產(chǎn)生的文件都能夠很方便地輸入到Eon Studio中。三維模型制作軟件如:3D max、Light wave，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件如:Solidworks、AutoCAD等都可以很容易地導(dǎo)入。將模型導(dǎo)入之后，可以通過(guò)EON的圖形設(shè)計(jì)界面方便地為模型添加各種行為動(dòng)作。

3　基于EON的虛擬油氣聯(lián)合站開(kāi)發(fā)

對(duì)于虛擬教學(xué)來(lái)說(shuō)，我們首先需要通過(guò)建模軟件構(gòu)建一個(gè)虛擬教學(xué)環(huán)境，然后將這個(gè)模型導(dǎo)入到EON軟件之中，再添加教學(xué)所需要的內(nèi)容與動(dòng)作，完成教學(xué)模型。本文以油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)站——油氣聯(lián)合站為例詳述虛擬仿真教學(xué)環(huán)境的開(kāi)發(fā)流程。

虛擬油氣聯(lián)合站是對(duì)油氣聯(lián)合站最大程度的模擬仿真，不僅包括油氣聯(lián)合站所有的地面建筑、油氣管線展示與說(shuō)明，還包括油氣處理設(shè)備知識(shí)的相關(guān)學(xué)習(xí)。通過(guò)研究與搭建三維立體演示環(huán)境，將油氣聯(lián)合站及其內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行建模還原，并導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件之中，在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中進(jìn)行二次編輯與交互學(xué)習(xí)動(dòng)作的添加，最后進(jìn)行三維立體展示，使學(xué)生能夠在浸入式的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生身臨其境，感覺(jué)是在真實(shí)的油氣聯(lián)合站中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，從而最大程度上提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效果［2，3］。

3．1基于3Ds Max的油氣聯(lián)合站建模實(shí)施

油氣聯(lián)合站建模實(shí)施的具體流程參見(jiàn)圖1，包括獲取場(chǎng)站布局、獲取貼圖資料、劃分場(chǎng)景單元、主要建筑物建模和次要建筑物建模幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

步驟一:獲取場(chǎng)站布局?jǐn)?shù)據(jù)。獲取的油氣聯(lián)合站圖紙資料包括大比例航拍照片、地形圖文件、建筑圖紙及規(guī)劃圖紙。獲取到原始資料后，按照一定比例把油氣聯(lián)合站的布局圖片制作成為地形貼圖，以及整理單個(gè)建筑體尺寸并按照比例尺進(jìn)行模型尺寸計(jì)算。

步驟二:獲取貼圖資料。在虛擬場(chǎng)景中為了增加模型的逼真效果，通常需要將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖片制作成紋理，并在3Ds Max中進(jìn)行加載。但由于拍攝獲取全部現(xiàn)場(chǎng)照片的工作量十分大，因此主要建筑的圖片一般由現(xiàn)場(chǎng)拍攝獲取，其它非主要建筑如道路、樹(shù)木、草地等貼圖文件可以由網(wǎng)絡(luò)或素材庫(kù)獲?。?］。

步驟三:劃分場(chǎng)景單元。根據(jù)油氣聯(lián)合站的功能區(qū)域，將聯(lián)合站分為油氣分離區(qū)、原油穩(wěn)定區(qū)、原油儲(chǔ)罐區(qū)、消防用水區(qū)等幾個(gè)場(chǎng)景單元，并分別在3Ds Max中進(jìn)行模型構(gòu)建。

步驟四:主要建筑物建模。對(duì)于油氣聯(lián)合站的主要建筑及設(shè)備，如油罐、原油穩(wěn)定塔、三相分離器等，要求有較高的逼真度，因此盡可能地使用高分辨率真的紋理映射以提高模型的精細(xì)度。

步驟五:次要建筑物建模。對(duì)于其它的次要建筑物及設(shè)備如管線、普通房屋等，使用簡(jiǎn)單的幾何體和低分辯率的貼圖完成即可。

3．2油氣聯(lián)合站虛擬建模

油氣聯(lián)合站虛擬建模具體是在3Ds Max中構(gòu)建油氣聯(lián)合站的三維模型，模型的精細(xì)程度可以根據(jù)實(shí)際聯(lián)合站的規(guī)模、教學(xué)的具體方向進(jìn)行綜合考慮。聯(lián)合站規(guī)模越大、細(xì)節(jié)越完整，相應(yīng)生成的文件體積越大，可能會(huì)導(dǎo)致在虛擬教學(xué)時(shí)進(jìn)行操作相關(guān)動(dòng)作的緩慢與延遲。

如圖2所示為在3D max 2009中的油氣聯(lián)合站模型，該模型包括聯(lián)合站中的油氣分離區(qū)、原油穩(wěn)定區(qū)、原油儲(chǔ)罐區(qū)、消防用水區(qū)等區(qū)域。油氣分離區(qū)主要設(shè)備是三相分離器、電脫水器與沉降罐，三相分離器的功能是將管線運(yùn)輸而來(lái)的油氣水混合物進(jìn)入密閉油氣分離脫水裝置進(jìn)行油、氣、水的分離。電脫水器的功能是在高壓電場(chǎng)的作用下，原油中的水顆粒發(fā)生碰撞聚結(jié)合并，靠油水密度差分離沉降到脫水器底部，流入集水室，經(jīng)排水管放出，脫出凈化油匯于脫水器頂部集油管，經(jīng)油管排出。沉降罐是原油初步處理設(shè)備，可以含水原油進(jìn)行初步沉降分離處理，以此降低含水率至30～50%以下。原油穩(wěn)定區(qū)主要設(shè)備是原油穩(wěn)定塔，其功能是對(duì)分離的原油進(jìn)行穩(wěn)定處理。原油儲(chǔ)罐區(qū)主要設(shè)備是儲(chǔ)油罐，功能是存儲(chǔ)原油;消防用水區(qū)的主要設(shè)備是儲(chǔ)水罐及消防泵房，主要功能是存儲(chǔ)消防用水。除上述這些功能區(qū)域外，該模型中還包括了連接各個(gè)區(qū)域的油氣管線。

3．3油氣處理設(shè)備建模

在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，不僅需要對(duì)油氣聯(lián)合站進(jìn)行瀏覽參觀學(xué)習(xí)，還需要學(xué)習(xí)相關(guān)油氣處理設(shè)備的設(shè)備構(gòu)成與工作原理。以原油脫水處理設(shè)備為例，原油脫水設(shè)備包括沉降罐、電脫水器等。沉降罐如圖3所示為3ds max 2009中沉降罐建模示意圖。沉降罐是原油初步處理設(shè)備，可以對(duì)含水原油進(jìn)行初步沉降分離處理，以此降低含水率至30%～50%以下。圖4所示為電脫水器建模示意圖。電脫水器是原油脫水處理裝置的一種，它的脫水原理是在電場(chǎng)中通過(guò)電場(chǎng)對(duì)水滴的作用，消弱水滴界面膜的強(qiáng)度，促進(jìn)水滴碰撞，使水滴聚結(jié)成粒經(jīng)較大的水滴，在原油中沉降下來(lái)。

3．4模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON Studio

完成油氣聯(lián)合站模型及相關(guān)設(shè)備模型的建模工作，將上述所建模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON Studio，并根據(jù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求，在EON中添加參觀線路、功能介紹、設(shè)備操作動(dòng)作等內(nèi)容。圖5所示為虛擬油氣聯(lián)合站鳥(niǎo)瞰圖。

4　基于EON軟件的油氣聯(lián)合站虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)

油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)學(xué)生所需要的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)站——油氣聯(lián)合站是一個(gè)生產(chǎn)流程嚴(yán)謹(jǐn)，安全控制嚴(yán)格的生產(chǎn)型工廠，它存在著高危險(xiǎn)、高成本、高能耗等具體的問(wèn)題，未經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的學(xué)生根本無(wú)法在這樣的環(huán)境中完成實(shí)訓(xùn)教學(xué)所規(guī)定的內(nèi)容。該專業(yè)的學(xué)生在完成學(xué)業(yè)后只是學(xué)習(xí)了聯(lián)合站相關(guān)的理論知識(shí)，卻從未參觀過(guò)真正的油氣聯(lián)合站，不了解聯(lián)合站的生產(chǎn)過(guò)程。這種只進(jìn)行理論教學(xué)，而忽視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的培養(yǎng)方式存在著明顯的短板，學(xué)生不能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際操作，學(xué)習(xí)專業(yè)技能也就無(wú)從談起［5，6］。

而通過(guò)EON Studio軟件虛擬顯示的油氣聯(lián)合站可以最大限度地還原油氣聯(lián)合站的情境、生產(chǎn)流程及機(jī)械操作方式過(guò)程，學(xué)生身臨其境，仿佛置身于油氣聯(lián)合站的生產(chǎn)環(huán)境之中，并且可以讓學(xué)生以虛擬操作的方式對(duì)相關(guān)處理設(shè)備進(jìn)行操作，并觀察操作結(jié)果，能夠使學(xué)生在實(shí)踐層面上深入學(xué)習(xí)理論知識(shí)及具體生產(chǎn)操作技能;在虛擬仿真的油氣聯(lián)合站中進(jìn)行學(xué)習(xí)不需要前往油氣聯(lián)合站現(xiàn)場(chǎng)，影響其正常生產(chǎn)秩序，同時(shí)也可以避免學(xué)生因誤操作而可能會(huì)引發(fā)的生產(chǎn)事故，最大程度兼顧實(shí)訓(xùn)效果與學(xué)生人身安全，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本與人身安全的最大優(yōu)化。

［1］簡(jiǎn)祖平．向新加坡“教學(xué)工廠”學(xué)什么——從教學(xué)工廠的概念談起［J］．中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2010(7):34－36．

［2］許亞嵐．煉油化工虛擬工廠建設(shè)與情境教學(xué)探索［J］．化工高等教育，2013(6):59－62．

［3］許亞嵐．基于虛擬工廠的實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)施［J］．高教論壇，2013(2):85－87．

［4］崔盟軍．三維建模軟件在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用［J］．承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，12(1):68－71．

［5］黃鑫．基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究［D］．武漢:華中師范大學(xué)碩士研究生論文，2005．

Construction of Virtual Oil and Gas Station Applied to Practical Teaching

SU Xin
(Department of Computer＆Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Practical teaching is an important part of higher vocational education，but real practical teaching in the face of high risk，high cost，high energy consumption and other specific problems．This paper puts forward a virtual oil and gas station applied to the practical teaching，and puts forward practice operation content，students perform professional practice in virtual environment，so as to realize both practical teaching effect and ensure the personal safety．

virtual;oil and gas station;practical teaching

TE8-45

B

1008-9446(2015)02-0013-05

承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(虛擬油氣聯(lián)合站教學(xué)工廠的設(shè)計(jì)與研究):201422105

2014-12-04

蘇欣(1981－)，男，河北承德人，承德石油高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)與信息工程系講師，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)字媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。