郝 帥

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

海上平臺(tái)作為海上油田油氣生產(chǎn)建設(shè)的重要設(shè)施，在我國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)中具有非常重要的作用。眾所周知，海上油田油氣生產(chǎn)作業(yè)條件惡劣。為了保證海上平臺(tái)能夠在復(fù)雜的條件下作業(yè)，需要采取科學(xué)的維修管理和故障診斷方法使其保持良好的狀態(tài)。海上平臺(tái)是由眾多設(shè)備構(gòu)成的大型集成化系統(tǒng)，近年來(lái)設(shè)備自動(dòng)化水平逐步提升，不同元件之間的關(guān)聯(lián)性日益緊密，造成了設(shè)備故障診斷的難度與日俱增。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到海洋工程領(lǐng)域，可打破時(shí)間和空間的束縛。運(yùn)用遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)開(kāi)展多學(xué)科協(xié)同作業(yè)，能夠提升設(shè)備故障的診斷質(zhì)量，并及時(shí)給出有效的解決對(duì)策，從而為海上平臺(tái)設(shè)備設(shè)施運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供指導(dǎo)，促進(jìn)海洋石油事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣受關(guān)注，但事實(shí)上該技術(shù)并非近年來(lái)才出現(xiàn)的新技術(shù)。早在20世紀(jì)80年代，部分研究人員就提出了虛擬現(xiàn)實(shí)這一概念，但是受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)環(huán)境，并沒(méi)有引起廣泛的關(guān)注[1]。2000年左右，通信巨頭Facebook收購(gòu)Oculus后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)始重新進(jìn)入大眾視野并取得快速發(fā)展，并在2014年后進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為信息科技領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ姆较蛑?，并逐步發(fā)展成為體系化、自然化的產(chǎn)業(yè)鏈條。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生后快速發(fā)展，并與各個(gè)行業(yè)深度融合，逐步發(fā)展成為新的市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)。

所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，指的是基于傳感設(shè)備利用計(jì)算機(jī)生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維圖像模擬仿真環(huán)境。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的重要分支，由多門信息技術(shù)學(xué)科交叉形成?；谟?jì)算機(jī)平臺(tái)和傳感器設(shè)備生成的逼真三維實(shí)時(shí)化圖像，能夠使用戶感受到模擬體驗(yàn)的最佳感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性、存在感等特征，除了能夠滿足人們的視覺(jué)感知需求以外，能夠提供聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等方面的感知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間，未來(lái)的發(fā)技術(shù)將趨向于動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)以及新型交互設(shè)備等?？v觀近年來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r可以看到，頭戴顯示器開(kāi)始成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主流設(shè)備。

2 海上平臺(tái)設(shè)備故障現(xiàn)狀

作為海上大型結(jié)構(gòu)件的機(jī)械設(shè)備，在海洋油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，海上平臺(tái)扮演著舉足輕重的角色。作為重要的大型基礎(chǔ)裝備，它一般被分為鉆井平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)兩大類[2]。作為海上油氣生產(chǎn)的重要載體，海上平臺(tái)建設(shè)投資量大，如何進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)維管理，使其保持良好的運(yùn)行狀態(tài)是油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的重要保障。作為大型集成化設(shè)備系統(tǒng)，海上平臺(tái)由上百臺(tái)設(shè)備構(gòu)成，包括動(dòng)力設(shè)備、鉆井設(shè)備、起重設(shè)備、消防設(shè)備等。海上平臺(tái)作業(yè)環(huán)境惡劣，且油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)具有易燃易爆的特點(diǎn)，如果不注重設(shè)備維修管理，可能給油氣生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。2010年，在墨西哥灣區(qū)域，BP公司鉆井平臺(tái)爆炸，導(dǎo)致11人死亡和原油泄漏，其帶來(lái)的惡劣效應(yīng)發(fā)人深省，引起了人們對(duì)于海上平臺(tái)設(shè)備管理的重視。近年來(lái)，我國(guó)積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的維修策略和方法以及故障診斷監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是尚未有效解決我國(guó)海上平臺(tái)設(shè)備維修管理中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。在現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海上平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)成為可選擇的路徑之一。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海上平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)

3.1 總體架構(gòu)

在互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，國(guó)內(nèi)外能源公司、專業(yè)公司積極開(kāi)展數(shù)字化、智能化應(yīng)用研究，通過(guò)應(yīng)用智能化技術(shù)，顯著提升油氣生產(chǎn)效率。在數(shù)字化油田理念的指導(dǎo)下，依托先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)階段海上平臺(tái)運(yùn)維能力弱的問(wèn)題以及對(duì)遠(yuǎn)程運(yùn)維的迫切需求，可基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用傳感器設(shè)備以及通信技術(shù)仿真平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)建遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，以提升設(shè)備故障診斷質(zhì)量?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海上平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)在于運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程診斷，以確保平臺(tái)安全[3]。

從系統(tǒng)架構(gòu)上來(lái)說(shuō)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海上平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，涉及部門較多，并且分屬于不同的層面。根據(jù)海上平臺(tái)運(yùn)維管理的需求和建設(shè)原則，該系統(tǒng)分為6部分，分別為系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、接口采集子系統(tǒng)、視景顯示子系統(tǒng)、音響報(bào)警子系統(tǒng)以及輔助診斷子系統(tǒng)，總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)相互合作共同實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)漫游、遠(yuǎn)程運(yùn)維、專家決策等功能?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海上平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)詳細(xì)工作流程如下：首先，通過(guò)接口采集子系統(tǒng)收集平臺(tái)不同設(shè)備的工作信息，并將收集到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)傳輸?shù)桨抖?；其次，基于系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)以及視景顯示系統(tǒng)進(jìn)行仿真顯示，為運(yùn)維人員模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，并通過(guò)音響報(bào)警系統(tǒng)提供聽(tīng)覺(jué)感受；最后，通過(guò)輔助診斷系統(tǒng)為專家決策提供參考和依據(jù)，完成整個(gè)平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維工作。

圖1 海上平臺(tái)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 接口采集子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的主要任務(wù)在于收集平臺(tái)設(shè)備的實(shí)際工作狀況，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到仿真系統(tǒng)中，是整個(gè)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)交互功能的重要基礎(chǔ)。為了保證后續(xù)仿真環(huán)境的真實(shí)性，接口采集子系統(tǒng)選用基于模塊化的信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)板，包括485通信模、電源和輸入輸出等模塊。主控芯片采用高性能單片機(jī)，并選擇專用采集通信板采集外部模擬量和數(shù)字輸入量。此外，需要保證整個(gè)接口采集子系統(tǒng)接口的一致性和可拓展性，以確保后續(xù)接口充足。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是岸端仿真系統(tǒng)與平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)之間的傳輸橋梁，也是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)據(jù)之間的交換和通信都需要網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)完成，使得整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出典型的分布式交互式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的特征，具有顯著的分布性、交互性、實(shí)時(shí)性和異構(gòu)性特點(diǎn)。因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信模塊來(lái)說(shuō)，必須具備與之相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理能力，如一對(duì)多、多對(duì)一、實(shí)時(shí)接收發(fā)送功能等。

3.2.3 系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的整理分析運(yùn)算、圖像處理和建模、平臺(tái)設(shè)備仿真等工作，從而為用戶搭建虛擬現(xiàn)實(shí)的平臺(tái)環(huán)境，讓設(shè)備維護(hù)人員能夠感受到空間的視覺(jué)信息。

3.2.4 視景顯示子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的功能在于遠(yuǎn)程構(gòu)建視覺(jué)顯示場(chǎng)景，主要組成設(shè)備包括投影器、投影控制設(shè)備、柱形投影幕等，尤其是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡能夠有效地提升運(yùn)維人員的真實(shí)感受。

3.2.5 音響報(bào)警子系統(tǒng)

視景顯示子系統(tǒng)能夠?qū)\(yùn)維人員提供視覺(jué)模擬場(chǎng)景，音響報(bào)警子系統(tǒng)則是為運(yùn)維人員提供聽(tīng)覺(jué)模擬場(chǎng)景。該子系統(tǒng)主要由音響分系統(tǒng)和通信分系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。前者主要為音響播放設(shè)備，如聲卡、音箱、功率放大器等；后者主要為計(jì)算機(jī)設(shè)備，負(fù)責(zé)音響計(jì)算機(jī)與主機(jī)之間的通信。音響報(bào)警子系統(tǒng)能夠模擬平臺(tái)設(shè)備實(shí)際工作的各種音響信號(hào)，使運(yùn)維人員通過(guò)模擬的設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行聲、設(shè)備元件撞擊聲、設(shè)備警告聲等對(duì)設(shè)備異常狀況進(jìn)行科學(xué)判斷。

3.2.6 輔助診斷子系統(tǒng)

該部分的功能在于將收集到的海上平臺(tái)設(shè)備信息進(jìn)行處理分析，并對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步評(píng)估，以作為專家決策的參考和依據(jù)。專家在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)判斷并提出具體的維修建議，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)傳回平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，供現(xiàn)場(chǎng)人員維修檢測(cè)使用。

3.3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)維系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)

為了提升運(yùn)維系統(tǒng)顯示效果的仿真性，需要開(kāi)展基于虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，運(yùn)維人員能夠更加直觀地查看平臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，如通過(guò)手柄可以在平臺(tái)上穩(wěn)步行走，通過(guò)漫游查看能夠直觀地查看不同系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)等?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)維系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)主要包括三維建模、圖像生成、場(chǎng)景搭建、交互軟件業(yè)務(wù)方案、交互軟件圖形界面設(shè)計(jì)等幾部分。

3.3.1 三維建模

所謂的三維建模指的是將海上平臺(tái)各個(gè)設(shè)備在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行還原，真實(shí)呈現(xiàn)海上平臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)、外觀以及部件的連接方式，從而以此為基礎(chǔ)科學(xué)分析設(shè)備的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)理。建模工作可基于3ds Max的多邊形工具開(kāi)展，優(yōu)勢(shì)在于能夠在輸入?yún)?shù)和輸出模型之間建立準(zhǔn)確的聯(lián)系，并保證模型的準(zhǔn)確性和美觀性[4]。除此以外，該建模方法有助于還原中期零部件的細(xì)節(jié)，提升后期渲染的速度。需要注意的是，在建模的過(guò)程中應(yīng)注意保持實(shí)際設(shè)備的原始比例。通常情況下，三維建模主要分為幾何建模、物理建模和運(yùn)動(dòng)建模等3部分，其中在物理建模環(huán)節(jié)中需要注重模型紋理、顏色等細(xì)節(jié)的處理，通過(guò)細(xì)節(jié)層次處理提升建模的美觀性和精準(zhǔn)性。另外，為滿足不同的需求，模型格式經(jīng)常在MB、FBX等多種格式之間相互轉(zhuǎn)換，從而在建模、格式轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行渲染，使其更加接近真實(shí)平臺(tái)設(shè)備。目前，業(yè)內(nèi)多采用Maya中的Mentalray渲染器提升渲染效果，優(yōu)勢(shì)在于參數(shù)選擇的多樣性，能夠最大程度實(shí)現(xiàn)還原真實(shí)場(chǎng)景的目標(biāo)。

3.3.2 圖像生成

圖像生成要在三維建模的基礎(chǔ)上，基于成像計(jì)算機(jī)得到實(shí)景圖像，對(duì)其進(jìn)行幾何形變矯正、光學(xué)邊緣融合等修飾調(diào)整工作，以確保各通道之間的完整和連續(xù)，從而保證圖像的沉浸效果和完整性。

3.3.3 場(chǎng)景搭建

基于行業(yè)領(lǐng)先的Unity 3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用采集的現(xiàn)場(chǎng)信息搭建平臺(tái)和外部場(chǎng)景，并通過(guò)渲染模型等操作完成整個(gè)平臺(tái)環(huán)境的搭建。需要說(shuō)明的是，基于Unity 3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建的虛擬環(huán)境不僅包括動(dòng)態(tài)井場(chǎng)環(huán)境、轉(zhuǎn)盤、生活區(qū)、轉(zhuǎn)盤設(shè)備、井架和絞車系統(tǒng)等，還包括周圍海洋環(huán)境、光照環(huán)境等場(chǎng)景。

3.3.4 交互軟件業(yè)務(wù)方案

這部分的主要任務(wù)在于通過(guò)設(shè)備操作實(shí)現(xiàn)用戶和軟件系統(tǒng)之間的交互，當(dāng)操作者單擊任意按鈕時(shí)即進(jìn)入維修過(guò)程，若操作失誤，可以撤銷返回上一次操作，且每個(gè)設(shè)備動(dòng)作流程均備份至數(shù)據(jù)庫(kù)，以確保操作全過(guò)程可追溯。另外，為確保操作過(guò)程與實(shí)際操作相吻合，必須進(jìn)行業(yè)務(wù)交互設(shè)計(jì)。在該平臺(tái)上，業(yè)務(wù)模塊被進(jìn)一步細(xì)分為基礎(chǔ)信息管理、工藝流程管理、數(shù)據(jù)管理以及統(tǒng)計(jì)查詢等多個(gè)部分，能夠確保整個(gè)業(yè)務(wù)的完整性。

3.3.5 交互軟件圖形界面設(shè)計(jì)

將基于Unity 3D構(gòu)件的場(chǎng)景內(nèi)容嵌入到Microsoft.NET Framework系統(tǒng)框架平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，在未來(lái)的發(fā)展中，人們可以通過(guò)手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)設(shè)備的實(shí)時(shí)交互[5]。這一過(guò)程中，數(shù)據(jù)通信的過(guò)程可以概述為以下內(nèi)容：通過(guò)將數(shù)據(jù)傳感器采集的各種設(shè)備信息傳輸?shù)剿俱@房控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)打包后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸，此時(shí)可以選擇通過(guò)CDMA設(shè)備、CDMA網(wǎng)端、Internet傳輸?shù)桨抖?，也可以選擇通過(guò)衛(wèi)星通信設(shè)備、海事衛(wèi)星、衛(wèi)星地面站、Internet傳輸?shù)桨抖?；岸端?shù)據(jù)中心接收到數(shù)據(jù)傳感器采集的信息后，經(jīng)數(shù)據(jù)服務(wù)器等進(jìn)行解析，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳遞到用戶終端，供岸上用戶終端處理。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)階段海上平臺(tái)運(yùn)維能力弱等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用傳感器設(shè)備以及通信技術(shù)仿真平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)建了遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)。本文從總體架構(gòu)、方案設(shè)計(jì)、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)維系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)等方面出發(fā)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠提升海上平臺(tái)設(shè)備故障的診斷效率，具有推廣價(jià)值。