張洋洋 李成華 鄭黎明 徐加放 高永海

摘??????要：?海洋油氣工業(yè)在我國能源安全中的地位日趨重要，海洋油氣生產(chǎn)中的操作復(fù)雜、高溫、高壓、高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，使得海洋油氣工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)無法有效貼近生產(chǎn)現(xiàn)場，而簡單室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)亦難以完成系統(tǒng)完善的技能培訓(xùn)。為此基于虛實(shí)結(jié)合方法，開發(fā)海洋油氣工程仿真平臺(tái)，該平臺(tái)將虛擬仿真軟件和虛擬仿真操作平臺(tái)相融合，使學(xué)生熟練掌握油氣開采、油氣處理系統(tǒng)等模塊的結(jié)構(gòu)、原理、工藝流程及常規(guī)操作等實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。在真實(shí)海上平臺(tái)上難以開展的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，通過虛實(shí)結(jié)合仿真平臺(tái)教學(xué)方式成功實(shí)現(xiàn)，完成了學(xué)生對海洋油氣工程工藝環(huán)節(jié)的有效認(rèn)知、實(shí)踐與掌握。

關(guān)??鍵??詞：虛實(shí)結(jié)合;海洋油氣工程;仿真平臺(tái);實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：TE 09???????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ??????文章編號：?1671-0460（2020）01-0237-04

Construction and Practice of Simulation Platform based on “Virtual

Reality Combination” for Offshore Oil and Gas Engineering

ZHANG Yang-yang¹， LI Cheng-hua¹， ZHENG Li-ming²， XU Jia-fang¹， GAO Yong-hai¹

（1. Experimental Teaching Center of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （East China），

Shandong Qingdao 266580，?China;

2. College of Vehicles and Energy ，?Yanshan University，?Hebei Qinhuangdao 066004，?China）

Abstract： The offshore oil and gas industry plays an important role in China's energy security. The offshore oil and gas production has the characteristics of complex operation， high temperature， high pressure and high risk. A systematic technical training for offshore oil and gas engineering students is unable to complete through traditional experimental teaching. It is forbidden to keep close to the production sites without a training and permission. Thereby， a simulation platform for offshore oil and gas engineering was developed based on “virtual reality combination” method. Simulation software and simulation operation platform were combined. Through the platform， the students could master the structure， principle， process flow and normal operation during oil and gas drilling and production. The practical teaching activities， which were difficult to complete on the real offshore platform before， could be realized through the “virtual reality combination” teaching method. Effective cognition to the offshore oil and gas engineering process as well as skill practice was also achieved.

Key words： Virtual reality combination; Offshore oil and gas engineering; Simulation platform; Practical teaching

黨的十八大明確提出“建設(shè)海洋強(qiáng)國”的戰(zhàn)略目標(biāo)和重大任務(wù)，標(biāo)志著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展從陸域經(jīng)濟(jì)延伸到海洋經(jīng)濟(jì)并進(jìn)入實(shí)施階段。這是我國從國家發(fā)展戰(zhàn)略的全局高度做出的新戰(zhàn)略選擇和決策部署。海洋油氣資源作為我國的戰(zhàn)略資源，在我國能源安全領(lǐng)域中有著極其重要的地位。海洋油氣工業(yè)，與傳統(tǒng)的石油工程有巨大差別^[1-3]。真實(shí)海上油氣鉆采平臺(tái)具有組成復(fù)雜、安全管理嚴(yán)格（上平臺(tái)需安全5小證）、操作風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。由于海洋油氣開發(fā)的特殊性，海洋石油生產(chǎn)中易存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。海洋石油生產(chǎn)中存在的高溫、高壓、高風(fēng)險(xiǎn)、高污染、高成本、不可逆生產(chǎn)過程，使得海洋油氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法有效貼近生產(chǎn)現(xiàn)場，難以完成對學(xué)習(xí)人員系統(tǒng)完善的技能培訓(xùn)，因此目前實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)依靠簡單室內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和理論分析，是難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對海洋油氣工程工藝環(huán)節(jié)的有效認(rèn)知、實(shí)踐與掌握^[4]。

虛擬仿真作為可模擬現(xiàn)實(shí)場景的重要手段，可操作性強(qiáng)、安全、高效，可有效應(yīng)用至復(fù)雜環(huán)節(jié)實(shí)踐教學(xué)過程中^[5-7]。在高校推動(dòng)虛擬仿真教學(xué)的良好背景下，建立海洋油氣工程虛擬仿真實(shí)踐環(huán)節(jié)，有利于海洋油氣工程專業(yè)學(xué)生以及相關(guān)初學(xué)技術(shù)人員了解掌握生產(chǎn)環(huán)節(jié)、實(shí)際設(shè)備組成等，推動(dòng)專業(yè)人才的合格培養(yǎng)。

1 ?海洋油氣工程仿真平臺(tái)建設(shè)

海洋油氣工程工藝原理、設(shè)計(jì)、實(shí)施是海洋油氣工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須掌握的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為滿足海洋油氣工程、石油工程等專業(yè)本科生的實(shí)習(xí)、實(shí)踐環(huán)節(jié)需要，原有教學(xué)過程主要通過學(xué)生觀看相關(guān)視頻、觀摩鉆井平臺(tái)模型等方式進(jìn)行，教學(xué)設(shè)備較為簡陋，教學(xué)方法較為單一，這種方式的教學(xué)效果不突出不明顯，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，難以對具體生產(chǎn)環(huán)節(jié)形成直觀理解。

為進(jìn)一步加深學(xué)生對海洋油氣工藝的理解，中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院開發(fā)了海洋油氣工程仿真平臺(tái)作為海洋油氣工程等專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要實(shí)現(xiàn)手段。

該仿真平臺(tái)開設(shè)海洋油氣工程各主要工藝過程的認(rèn)知及實(shí)踐，能夠生動(dòng)直觀地展現(xiàn)鉆采設(shè)備的結(jié)構(gòu)和海洋油氣工程的工作過程，加深學(xué)生對海洋油氣工程設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工作原理的認(rèn)知程度，提高學(xué)生專業(yè)興趣，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)海洋油氣工程課程的積極性。

海洋油氣工程仿真平臺(tái)以第五代以上半潛式鉆井平臺(tái)為建模依據(jù)，可滿足1 500 m深水海洋油氣鉆采要求，以三維交互的形式與學(xué)生形成互動(dòng)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真設(shè)備相結(jié)合的形式，使得真實(shí)海上鉆采平臺(tái)上難以實(shí)施的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)通過虛擬仿真教學(xué)方式順利實(shí)現(xiàn)。圖1是海洋油氣工程仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室實(shí)景圖。

通過海洋油氣工程仿真平臺(tái)，可有效開展如下實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容：

（1）?司鉆仿真操作：仿真司鉆操作頂驅(qū)，仿真副司鉆操作排管機(jī)、鐵鉆工和監(jiān)控畫面（自動(dòng)）補(bǔ)償系統(tǒng)。

（2）?井控仿真操作：鉆進(jìn)過程仿真、關(guān)井仿真、壓井仿真。

（3）?海洋設(shè)備認(rèn)知及演示：平臺(tái)漫游、海上鉆井關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)畫演示、海洋油氣開采模塊設(shè)備認(rèn)知、油氣水處理系統(tǒng)模型演示、海底管道鋪設(shè)。

（4）?漫游鉆井平臺(tái)安全逃生模塊，加強(qiáng)安全培訓(xùn)，熟悉平臺(tái)逃生路徑，掌握平臺(tái)逃生技巧。

2海洋油氣工程仿真平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)理念

海洋油氣工程仿真平臺(tái)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的海洋油氣虛擬環(huán)境和實(shí)踐對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展海洋油氣工程實(shí)踐訓(xùn)練，從而達(dá)到教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果^[8-11]。

2.1 ?海洋油氣工程仿真平臺(tái)教學(xué)實(shí)施過程

海洋油氣工程仿真平臺(tái)完整的教學(xué)實(shí)施過程如圖2所示，具體包括：①實(shí)驗(yàn)教師在課堂講解接鉆桿、卸鉆桿和上扣、卸扣等實(shí)踐過程;②學(xué)生在大屏幕實(shí)時(shí)觀察深水油氣鉆進(jìn)過程;③觀察中同時(shí)操作海洋平臺(tái)起下鉆模擬器等仿真設(shè)備（圖3是學(xué)生在海洋油氣工程仿真平臺(tái)上VR體驗(yàn)鉆井平臺(tái)安全逃生）。

實(shí)踐環(huán)節(jié)完全在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，在虛擬環(huán)境中可觀察到關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部形態(tài)和運(yùn)動(dòng)流程，從而加深學(xué)生的印象，提升實(shí)訓(xùn)效果。

學(xué)生通過實(shí)際操作，可熟練掌握副司鉆排管機(jī)接鉆桿、卸鉆桿和司鉆用鐵鉆工上扣、卸扣的全過程。這種可交互式的操作體驗(yàn)，極大提升了學(xué)生的動(dòng)手操作能力。通過身臨其境的上手操作環(huán)節(jié)，課本上的內(nèi)容以3D可視化的方式展示出來，達(dá)到將海洋油氣知識點(diǎn)融會(huì)貫通的目的

2.2 ?新教學(xué)理念和思路探索

在落實(shí)“以學(xué)生為中心”的教育思想^[12-16]同時(shí)，通過仿真平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主體性，注重尊重學(xué)生的差異性，強(qiáng)調(diào)知識學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和研究意識。在海洋油氣工程實(shí)訓(xùn)實(shí)踐等教學(xué)方面逐漸探索出了新的教學(xué)理念和思路：

（1）?按照以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向的新工科工程教育理念，通過半實(shí)物與虛擬現(xiàn)實(shí)虛實(shí)結(jié)合的方式，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（2）?仿真現(xiàn)實(shí)設(shè)備危險(xiǎn)性較大、無法安全開展的場景，通過設(shè)備認(rèn)知、原理學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)交互、現(xiàn)場模擬操作等實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行展示。

（3）?通過模塊化、層次化、難度適宜的原創(chuàng)性實(shí)踐模塊，讓學(xué)生適應(yīng)多任務(wù)、多成員間、多角色的切換與任務(wù)協(xié)同。

3海洋油氣工程仿真平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)意義

3.1 ?教學(xué)方法改進(jìn)

順應(yīng)了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)信息化建設(shè)，將理論教學(xué)與信息化實(shí)踐教學(xué)相協(xié)同、科學(xué)原理與工程應(yīng)用相結(jié)合，推動(dòng)實(shí)踐教育變革與創(chuàng)新，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化的實(shí)踐教育體系，培養(yǎng)海洋油氣工業(yè)創(chuàng)新人才。

實(shí)行“前展后拓”的實(shí)踐教學(xué)模式。學(xué)生自己預(yù)習(xí)，自主設(shè)計(jì)實(shí)踐方案。利用多元化的教學(xué)形式，運(yùn)用所學(xué)知識思索實(shí)踐過程中出現(xiàn)的問題，探求問題背后原理，尋求問題解決的多元化方法。

有效落實(shí)“以學(xué)生為中心”的教育理念，實(shí)踐教學(xué)以人為本，兼顧普適性與個(gè)性，允許學(xué)生有選擇性地實(shí)踐，進(jìn)行自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)。

3.2 ?授課滿意度提升

仿真平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐應(yīng)用后學(xué)生滿意度達(dá)到93%以上，學(xué)習(xí)興趣大大提高，知識鞏固程度得到加強(qiáng)，仿真實(shí)踐教學(xué)前后效果對比如下表1所示。

3.3 ?傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

以“互聯(lián)網(wǎng)+”為技術(shù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)線上Web端虛擬系統(tǒng)仿真資源共享、線下半實(shí)物系統(tǒng)仿真資源開放，是對傳統(tǒng)海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)的延伸與拓展。依托該仿真平臺(tái)開設(shè)海洋油氣工程各主要工藝過程的認(rèn)識及設(shè)計(jì)實(shí)踐，能夠克服油氣現(xiàn)場生產(chǎn)對實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)帶來的諸多不利影響，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海洋油氣鉆采過程全覆蓋，海洋平臺(tái)實(shí)踐操作功能全覆蓋，VR體驗(yàn)功能全覆蓋;提升了海洋油氣工程仿真平臺(tái)操作體驗(yàn)，提高了虛擬仿真的真實(shí)性和可操作性，使其更加貼近海洋油氣鉆采實(shí)際過程。

3.4 ?海洋油氣工程仿真平臺(tái)建設(shè)的開放共享

仿真平臺(tái)支持線上共享和線下開放實(shí)踐，今后會(huì)不斷豐富海洋油氣工程仿真平臺(tái)的各項(xiàng)功能，加快網(wǎng)站建設(shè)與優(yōu)化，不斷優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)功能，持續(xù)向社會(huì)提供教學(xué)服務(wù)。包括面向各中小學(xué)生的參觀演示體驗(yàn)，面向國內(nèi)石油高校與業(yè)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行資源對接與培訓(xùn)實(shí)習(xí)，面向“一帶一路”沿線國家進(jìn)行資源共享與開放服務(wù)。

3.5 ?指導(dǎo)課程教學(xué)改革方向

依托國家級重點(diǎn)學(xué)科、國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科、國家級特色專業(yè)—石油與天然氣工程和國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心—石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心而開發(fā)的海洋油氣工程仿真平臺(tái)，以海洋油氣工程行業(yè)需求為指引，貫徹OBE教學(xué)理念，提升了實(shí)踐課授課專業(yè)性和規(guī)范性。

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，說明了在課程網(wǎng)絡(luò)申請與管理維護(hù)、實(shí)踐課程新內(nèi)容拓展、實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)等環(huán)節(jié)互補(bǔ)的重要性。由理論化知識拓展至實(shí)踐認(rèn)知，進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)踐操作規(guī)范化、靈活化教學(xué)，最終構(gòu)建了從知識接收到知識運(yùn)用、能力提高的實(shí)踐教學(xué)體系。

4 ?結(jié)?論

通過搭建海洋油氣工程仿真平臺(tái)，實(shí)施虛擬實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，塑造了具有浸潤感的虛擬環(huán)境，可滿足學(xué)生身臨其境的體驗(yàn)、真實(shí)全面的操作等多重需求，達(dá)到海洋油氣實(shí)際生產(chǎn)與理論實(shí)踐的高度融合。

海洋油氣工程仿真平臺(tái)的應(yīng)用，為學(xué)生掌握海洋油氣工藝相關(guān)設(shè)備原理，研究設(shè)備與工作面匹配關(guān)系、設(shè)備間協(xié)作工作和性能匹配等方面提供了技術(shù)支撐。目前仿真平臺(tái)在提高海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)水平、整合相關(guān)教學(xué)資源、激發(fā)學(xué)生興趣、探索新的教學(xué)理念方面均取得一定成效。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪玲英. 海洋油氣工程新專業(yè)課程體系的探討[J]. 石油教育，2013（2）：92-94.

[2]李志剛. 海洋油氣工程人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J]. 石油教育，2011（2）：89-91.

[3]李志剛. 海洋油氣工程人才的專業(yè)素養(yǎng)與培育[J]. 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（4）：55-57.

[4]倪玲英，孫寶江，徐加放. 海洋油氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)問題探索[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2013，29（5）：173-176.

[5]梁瑞. 海洋平臺(tái)立管風(fēng)險(xiǎn)管理研究[J]. 當(dāng)代化工，2015（7）：1573-1576.

[6]呂東. 海洋油氣平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J]. 當(dāng)代化工，2006（5）：318-321.

[7]郝敬雷. 機(jī)械壓力接頭在海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用探討[J]. 當(dāng)代化工，2014（1）：124-125.

[8]李小平. 基于第五代移動(dòng)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教育應(yīng)用研究[J]. 電化教育研究，2018（1）：5-8.

[9]張如凱，陳永利，代廣樹. 航海類專業(yè)船舶虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（7）：118-121.

[10]?疏德明，馮成志. 心理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與共享[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（2）：139-143.

[11]王巧蘭，林育茲. 基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器仿真實(shí)驗(yàn)軟件開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（2）：112-115.

[12]劉獻(xiàn)君. 論“以學(xué)生為中心”[J]. 高等教育研究，2012（8）.

[13]李曼. 以學(xué)生為中心的信息化教學(xué)模式架構(gòu)研究[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2012（8）.

[14]教學(xué)﹒課程﹒方法：高等教育現(xiàn)代化[J]. 中國高教研究，2015（12）.

[15]劉華東. 構(gòu)建“三三三”培養(yǎng)體系，推進(jìn)本科教育邁向更高目標(biāo)[J]. 中國高等教育，2015（18）.

[16]馮其紅. 基于“以學(xué)生為中心”理念的課程改革與實(shí)踐[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2017（10）.