王永友 郭昭學(xué) 王其軍 王琨

摘 ?要 ?閘板防噴器是油氣鉆井必不可少的井控裝置，是保障安全鉆井的關(guān)鍵設(shè)備，是鉆井工程實踐教學(xué)的重要知識點之一。但因閘板防噴器價格昂貴、體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆卸困難等原因，在教學(xué)中無法使用實物設(shè)備作教具?；谝苿覣R的閘板防噴器教學(xué)APP為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在AR情景模式下自主學(xué)習(xí)，可以有效解決上述教學(xué)難題，提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 ?閘板防噴器；移動AR；教學(xué)APP

中圖分類號：TE319 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）04-0026-04

Design and Development of Ram BOP Teaching APP Based on Mobile AR//WANG Yongyou， GUO Zhaoxue， WANG Qijun

Abstract ?Ram BOP is an essential well control device for oil and gas drilling， It is the key equipment to

ensure safe drilling and one of the important know-ledge points in drilling engineering practice tea-ching. However， due to the high price， large size， complex structure and difficult disassembly of Ram

BOP， physical equipment can not be used as teaching aids. The Ram BOP teaching APP based on mobile AR

creates a realistic learning environment for stu-dents， students learn independently in the AR scena-

rio mode， which effectively solves the above teaching

problems and improves the teaching quality.

Key words ?Ram BOP; mobile AR; teaching APP

Authors address ?College of Petroleum and Natural Gas Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu， China， 610500

0 ?引言

在石油與天然氣開采過程中，閘板防噴器是保障安全鉆井的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是對井口環(huán)形空間進(jìn)行有效密封[1]。閘板防噴器與遠(yuǎn)程控制臺配合使用，由遠(yuǎn)程控制臺輸送的高壓液壓油經(jīng)不同的油路通道，注入閘板防噴器并推動活塞朝不同方向運動，活塞帶動閘板總成做開關(guān)井動作。當(dāng)井筒內(nèi)有鉆具時，可以使用半封閘板封閉鉆具與井筒之間的環(huán)形空間；當(dāng)井筒內(nèi)沒有鉆具時，可以使用全封閉閘板完全封閉井筒；當(dāng)發(fā)生井噴時，緊急情況下可以使用剪切閘板強行剪斷井筒內(nèi)的鉆具[2]。閘板防噴器屬于大型油氣裝備，具有價格昂貴、體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配環(huán)節(jié)多等特點，為確保其有效性，需要定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，及時更換密封件以防止關(guān)井時封閉失效而導(dǎo)致井噴事故的發(fā)生[3]。檢修、安裝閘板防噴器往往需要動用行車、吊車等起重設(shè)備，作業(yè)過程復(fù)雜，安全隱患大。

在石油工程專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中，讓學(xué)生掌握閘板防噴器的結(jié)構(gòu)和工作原理、使用方法、維護(hù)及保養(yǎng)措施等方面的知識，是提升課堂理論教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、專業(yè)實踐能力和創(chuàng)新精神的重要手段，但因閘板防噴器體型龐大、實物拆卸困難等原因，使用實物設(shè)備作為教具是不現(xiàn)實的，為了滿足教學(xué)需求，使用虛擬的數(shù)字化閘板防噴器代替實物設(shè)備開展實踐教學(xué)，是行之有效的輔助教學(xué)手段。

本文開發(fā)的基于AR的閘板防噴器教學(xué)APP運行于手持移動設(shè)備上，學(xué)生通過掃描標(biāo)識卡（二維碼或?qū)嵨镎掌纯沙尸F(xiàn)虛擬的閘板防噴器，通過觸屏操作，可查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，也可進(jìn)行虛擬拆裝。還能通過AR功能將虛擬的閘板防噴器擺放到現(xiàn)實世界中的任意地方，此時虛擬的閘板防噴器將以近似實物設(shè)備的姿態(tài)呈現(xiàn)在學(xué)生面前，通過變換身體位置或姿態(tài)，可從不同角度和方位觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理或虛擬拆裝，有高度逼真的臨場感和現(xiàn)場操作體驗，如圖1所示。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計

1.1 ?設(shè)計思路

設(shè)計目標(biāo)是發(fā)揮APP的教學(xué)輔助作用，開展以學(xué)生為主導(dǎo)地位的啟發(fā)式、探究式實踐教學(xué)，使用手持移動設(shè)備的便攜性為學(xué)生學(xué)習(xí)提供便利性，充分利用碎片化時間，在任何地點、任何時間開展移動微學(xué)習(xí)，以滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求[4-5]。

遵循軟件開發(fā)的核心思路，按照功能模塊將需求結(jié)構(gòu)化分解，邏輯與實現(xiàn)清晰結(jié)合，在系統(tǒng)整體設(shè)計時主要考慮以下幾個問題：

1）跨平臺性。考慮不同平臺（Android和IOS）

的使用需求，為此尋求理想的開發(fā)方案，力求只編寫一套代碼但支持多個平臺；

2）使用面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計高內(nèi)聚、低耦合的系統(tǒng)架構(gòu)，方便后期維護(hù)和功能擴(kuò)展；

3）虛擬設(shè)備的三維模型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，材質(zhì)表現(xiàn)真實美觀；

4）具有一定的圖形加速能力，運行流暢、畫面質(zhì)量高；

5）人機交互友好，觸控操作方便、流暢，UI布局合理、美觀。

1.2 ?系統(tǒng)架構(gòu)

目前，AR應(yīng)用程序有移動端、眼鏡端和網(wǎng)頁端三種形式，現(xiàn)有的AR應(yīng)用大多為移動端程序。不同客戶端的AR程序需使用不同的開發(fā)工具，同一客戶端下不同廠商的開發(fā)工具也不盡相同，因此，AR開發(fā)工具眾多，性能各異。盡管如此，AR技術(shù)的總體功能卻大同小異，其相關(guān)的主要功能有：平面檢測技術(shù)、圖片檢測技術(shù)、模型檢測技術(shù)、人臉識別技術(shù)、動作捕捉技術(shù)、實時光照模擬技術(shù)、AR導(dǎo)航等[6]。

移動AR作為當(dāng)下主流的AR應(yīng)用，也有眾多開發(fā)工具可選擇。有Android系統(tǒng)官方開發(fā)工具AR Core、

IOS系統(tǒng)官方開發(fā)工具AR kit、商湯科技的Sense AR、華為AR等。AR Foundation是Unity3D推出的AR開發(fā)工具集，Unity3D利用其強大的跨平臺優(yōu)勢，將AR Core、AR kit開發(fā)包進(jìn)行二次封裝，統(tǒng)一定義了API，并按用戶的發(fā)布平臺自動選擇合適的底層SDK版本，開發(fā)時只需要編寫一套代碼，經(jīng)過適當(dāng)部署后就能發(fā)布到多個平臺，開發(fā)效率高[7]。鑒于此，本案選擇Unity3D+ARFoundation作為開發(fā)工具。

2 ?軟件開發(fā)

2.1 ?三維建模

為全方位展示閘板防噴器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，需要對其進(jìn)行分解建模。該設(shè)備由殼體、側(cè)門、液缸、閘板總成、活塞總成、密封件、盲法蘭、鉸鏈、鎖緊機構(gòu)等眾多零部件組成。移動APP需要考慮程序運行時的資源消耗負(fù)擔(dān)，因此，在建模過程中，要綜合考慮模型的復(fù)雜程度和模型數(shù)據(jù)量的關(guān)系。模型越精細(xì)，其表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)越接近真實實物，但會因為模型過于精細(xì)而增加移動設(shè)備的資源消耗，影響程序加載和運行速度，甚至出現(xiàn)發(fā)熱、卡頓、打不開等現(xiàn)象[8]。為保證程序能運行流暢，在建模時需要精簡和優(yōu)化零部件，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件建精模，對結(jié)構(gòu)簡單的零部件建簡模。

建模過程分兩個階段：第一階段根據(jù)零部件圖紙，使用Solidworks繪制單體模型并組裝成裝配體；第二階段將Solidworks中的裝配體轉(zhuǎn)換格

式，導(dǎo)入3DSMax中優(yōu)化模型，對部分模型進(jìn)行減面、合并、縫補破面等操作，盡量減少模型的數(shù)據(jù)量。可使用如下方法優(yōu)化模型：

1）合并分離的同類模型，縫補模型的破面，刪除網(wǎng)格模型中游離或多余的頂點；

2）精簡造型復(fù)雜的模型，線條模型需要轉(zhuǎn)為多邊形模型，轉(zhuǎn)換前設(shè)置合理的線條邊數(shù)和插值步長數(shù)；

3）去除模型之間的重合面、視野中的不可見面、模型之間的復(fù)雜相交面。

2.2 ?制作動畫

閘板防噴器在工作時有復(fù)雜的機械運動，需要通過動畫進(jìn)行模擬。Unity3D能制作常規(guī)動力學(xué)動畫，如基于速度、質(zhì)量、摩擦、空氣阻力等變量的力學(xué)行為，也能制作簡單的位移、旋轉(zhuǎn)、縮放等動畫。但閘板防噴器工作時涉及的零部件較多，零部件之間有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)、約束和變形動作，通過Unity3D模擬難度較大。因此，使用3DSMax模擬其工作過程，并將模擬的動畫輸出成FBX文件。3DSMax可制作關(guān)鍵幀動畫、動力學(xué)動畫、約束動畫、角色動畫、變形動畫等，本案中使用關(guān)鍵幀動畫、約束動畫和變形動畫模擬閘板防噴器的工作過程，如閘板總成運動、打開腔和關(guān)閉腔的液壓油流動、鎖緊機構(gòu)的動作模擬等。

2.3 ?生成FBX文件

待模型和動畫制作完畢后，即可從3DSMax中導(dǎo)出模型，生成Unity3D可識別的FBX資源文件。為了確保模型的尺寸單位和軸向統(tǒng)一，導(dǎo)出前需要在3DSMax中對所有模型執(zhí)行“重置變換”操作，并調(diào)整各零部件的軸心點和坐標(biāo)方向。將軸心點統(tǒng)一居中到對象，坐標(biāo)方向統(tǒng)一對齊到世界坐標(biāo)。靜態(tài)模型和動態(tài)模型需要分開導(dǎo)出，對于擁有復(fù)雜動畫的模型導(dǎo)出時可烘焙動畫以保證動畫的流暢性。若模型的材質(zhì)使用了貼圖，需要將貼圖資源嵌入模型中一并導(dǎo)出。

2.4 ?編寫程序

以Android系統(tǒng)為例，本案的開發(fā)主要有以下幾個步驟。

2.4.1在Unity3D中導(dǎo)入資源

將開發(fā)所需的FBX模型、圖像、音視頻等資源導(dǎo)入項目中整理備用。在導(dǎo)入FBX模型時，若出現(xiàn)“透明”或者“漏面”的情況，需要返回3DSMax中翻轉(zhuǎn)模型法線方向；若模型出現(xiàn)異常的紫色，則需要尋找丟失的貼圖并手動匹配到相關(guān)材質(zhì)上。

2.4.2 ?配置AR開發(fā)環(huán)境

在Unity3D中將開發(fā)平臺切換至Android并配

置Android的開發(fā)環(huán)境，包括安裝JDK、SDK和

NDK并指定路徑。配置AR SKD，包括安裝并配置AR Foundation、AR Core XR Plugin、XR Plugin Management等Package。

2.4.3 ?觸屏控制

可使用Unity3D原生Input類中的各種輸入功能，獲取屏幕坐標(biāo)并監(jiān)測手指點擊實現(xiàn)單點或多點觸控操作，也可使用Lean Touch、Easy Touch等插件實現(xiàn)觸控和虛擬搖桿的功能。

2.4.4 ?視圖操作

放大、縮小視圖通過雙指捏合實現(xiàn)，通過Input. Touch Count判斷觸控點數(shù)量，在雙點觸摸的情況下，當(dāng)?shù)诙€觸摸點的狀態(tài)Input. Get Touch（1）.phase=Touch Phase. Began時，開始計算兩個觸摸點之間的距離，根據(jù)距離的增減量驅(qū)動攝像機的位置相應(yīng)變化，實現(xiàn)視圖縮放功能。在單點觸摸且Input. Get Touch（0）.phase=Touch Phase. Moved的情況下，計算單點觸摸時劃過的距離，以此驅(qū)動場景中的攝像機旋轉(zhuǎn)或者平移。

2.4.5 ?半透視和零件爆炸圖控制

為了展示閘板防噴器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要對殼

體、液缸套等部件半透明顯示，并通過單擊按鈕切換

顯示模式。需要半透明顯示時，設(shè)置對應(yīng)材質(zhì)的渲

染模式為Transparent，Set Material Rendering

Mode（material， Rendering Mode. Transparent），

并設(shè)置其顏色的alpha值為0.2，material. Set

Color（“_Color”， new Color（1， 1， 1， 0.2））；

需要不透明顯示時，設(shè)置對應(yīng)材質(zhì)的渲染模式為

Opaque，Set Material Rendering Mode（material，

Rendering Mode. Opaque），并設(shè)置其顏色的alpha值為1，material. Set Color（“_Color”， new Color（1， 1， 1， 1））。因設(shè)備內(nèi)部零件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互之間還有疊壓、穿插、遮擋等情況，僅靠半透明化顯示還不能完全展示其結(jié)構(gòu)原理，因此，需要在非裝配模式下，生成爆炸圖，以便全方位展示各零部件的結(jié)構(gòu)。

2.4.6 ?虛擬裝配

將閘板防噴器的拆裝過程分解為32個步驟，并制作成相應(yīng)的動畫片段，在Unity3D中通過Animator和狀態(tài)機控制其拆裝流程。

2.4.7 ?AR開發(fā)

為將虛擬的閘板防噴器融合到現(xiàn)實世界中，需要AR平面檢測功能來實現(xiàn)。平面檢測是AR技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用，無論是Android的AR Kit還是IOS的

AR Core都需要實現(xiàn)平面檢測。同時，平面也是可

跟蹤的對象，AR Foundation使用AR Plane Manager

管理器來管理平面，對移動設(shè)備攝像頭獲取的圖像中的特征點進(jìn)行識別并跟蹤，利用VIO和IMU跟蹤特征點的三維空間信息，在跟蹤過程中對特征點的信息進(jìn)行處理，并嘗試用空間中位置相近或者符合一定規(guī)律的特征點構(gòu)建平面，平面構(gòu)建成功后即可把虛擬閘板防噴器放置在現(xiàn)實世界中的任意平面上。制作二維碼或者特征圖片，在Unity3D中制作Reference Image Library，使用AR Foundation的

AR Tracked Object Manager進(jìn)行圖像識別，實現(xiàn)“掃一掃”二維碼或者圖片加載場景的功能。

2.5 ?發(fā)布APP

發(fā)布前需要設(shè)置項目的屬性參數(shù)，在Player選

項中設(shè)置Company Name、Product Name、Version等產(chǎn)品信息，在Resolution and Presentation選

項中設(shè)置程序運行時的分辨率、橫屏或者豎屏顯

示，在Other Settings選項中設(shè)置多線程屬性、

Minimum API Level、Target API Level的Android

版本號等，在Preferences選項中設(shè)置JDK、SDK和

NDK屬性。以上內(nèi)容設(shè)置完畢后，即可發(fā)布APP。

3 ?教學(xué)應(yīng)用

本案APP已應(yīng)用于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)的鉆井工藝模擬訓(xùn)練、生產(chǎn)實習(xí)等實訓(xùn)課程，學(xué)生通過手持移動設(shè)備“掃一掃”標(biāo)識卡即可使用。這種新穎的教學(xué)模式充分激發(fā)和調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和探索意識，提升了學(xué)生的實踐動手能力，在人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要的作用。

4 ?結(jié)論

在高校實驗教學(xué)改革的新形勢下，為適應(yīng)現(xiàn)代化的教學(xué)資源建設(shè)及教學(xué)方法信息化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢，堅持以實際需求為導(dǎo)向、以人為本，采用先進(jìn)的信息技術(shù)與工程實際應(yīng)用相結(jié)合，開發(fā)AR教學(xué)軟件并推廣應(yīng)用，以滿足相關(guān)專業(yè)人才的基本技能和實踐動手能力培養(yǎng)及安全教育的需要，對推進(jìn)實踐教學(xué)改革、創(chuàng)新教學(xué)模式、提升學(xué)生的創(chuàng)新精神有積極重要的作用［9-10］。

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