vr虚拟现实技术在天然气输配中的教学应用

  一、 目的和意义

  1.以CNG、L-CNG、LNG、LPG四类加气站为蓝本,结合加气站设备结构、工艺流程,构建加气站三维实景和精细化模型,搭建软硬件一体化的沉浸式燃气输配实训基地虚拟仿真实训室,实现大屏授课、电脑上机实训、VR虚拟现实技术沉浸式操作的阶梯化教学;所有作业场景、设备,均还原实际现场,实现真实的现场授课;让学生在绝对安全的虚拟环境中学习,不必担心因误操作而带来的事故和伤害;同时系统设置常见危险点,当学员出现误操作时,及时进行对应提示,有效提升授课效果。

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  2.基于CNG加气站的三维模型,进行重点设备认知、场站日常巡检、安全操作规程、天然气泄漏现场应急处置、压缩机常见故障五大类课程内容开发,实现基于虚拟现实技术的现场设备可视化,作业场景同景感知化。

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  3.基于L-CNG、LNG、LPG加气站的三维模型,进行重点设备认知、场站日常巡检两大类课程内容开发,构建日常巡检标准化作业体系,指导学生标准化作业。

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  4.与校园学生公共数据库无缝衔接,对接校园精品课程系统,实现学生数据互联。

  5.开发培训与考核软件功能,学生可自主进行对应课程内容学习,同时系统自动对学生考核情况进行评分,给予客观公正的评价。

  二、 建设必要性

  二十一世纪互联网、计算机、3D(三维)、VR虚拟现实技术的飞速发展,为燃气安全生产带来了前所未有的变革,特别是三维可视化技术和智慧数字化运维管理理念在能源领域急速扩展,越来越多的企业接受并开展了VR虚拟现实技术对安全、运行、检修等方面研究和应用。此项目建设的必要性主要体现在以下三个方面:

  1.燃气输配实训标准化培训课程的需要。燃气加气站是一个复杂且高危的系统,涉及燃气输配、存储等多个部分,各零部件自身具有复杂的结构,部件之间具有复杂的空间位置和配合关系。结合VR虚拟现实技术,开展燃气站及设备精细化建模,不仅能够360°视角精确展示关键部件的结构、工艺流程等属性,复原各零部件局部细节、结构参数等,而且还能高效快捷的展示加气站整体结构及各零部件结构的位置和空间关系等属性,真实再现加气站的空间概况、组成关系等信息。通过加气站实景重构的精细化模型数据和相关资料可以为加气站工作人员提供标准的空间认知、结构认知、工艺流程认知培训,有效避免学生因基础知识不扎实而导致的重大误操作事故发生。

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  2.实现加气站标准化作业的需要。《加气站安全管理规定》等文件,提出了加气站基于设备安全操作规程、日常巡检规程的要求,以风险预控为保障,推进现场标准化作业,但因高危行业的特殊性,在校学生无法有效系统认知加气站整体结构、局部设备的细节。结合VR虚拟现实技术,开展虚拟仿真实训室建设,将设备安全操作规程、作业指导书、作业风险点与场站及设备精细化模型关联,将作业过程各项管理要求流程化、可视化。通过加气站全景可视化、虚拟仿真操作,有效指导加气站作业及风险管理,及时的掌控整体运行情况,实现加气站标准化作业管理。

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  3.提升加气站作业管理成效的需要。加气站作业是一项危险点多、细节繁琐的高危作业,日常工作中涉及人员、物资及工器具等多类资源的协调配合。开展虚拟仿真实训室建设,通过研究同类加气站作业标准规程,总结行业经验,构建虚拟仿真培训知识库,开展加气站作业的人员、材料、工器具等内容的标准化建立,极大的提高加气站作业效率。目前行业对于加气作业及管控仍以人工管理、监督等传统方式为主,缺乏先进有效的指导手段,在加气站现场管理区域大、情况复杂、管理要求高、管理人员有限的情况下,管理成本较高,加之加气站设备结构复杂,作业质量控制严格,作业人员需要进行长期的实践学习才能全面熟练掌握其工艺流程,作业人员成长周期长。通过VR虚拟现实技术,开展虚拟仿真实训室建设,借助加气站设备数字化管理系统精细化模型、实景重现、虚拟作业等功能,不仅学员不受时间和空间影响即可进行加气站各环节的学习培训,而且还可以为日常运维中碰到的异常问题的分析处理提供参考。

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  三、 项目的理论和实践依据

  本项目的研究主要涉及VR虚拟现实技术、模型精确重构技术、空间数据配准算法、纹理与模型配准、加气站实景模型可扩展对象库研究、虚拟装配技术、方案评估动态推演技术及检修资源辅助决策技术等。

  VR虚拟现实仿真技术

  VR虚拟现实技术主要涉及计算机软件及三维渲染引擎。开发人员使用三维建模软件(如3DsMax,Maya,Solidworks等)进行加气设备和其他三维物体的模型构建,然后使用图像软件进行三维模型的贴图美化;随后,计算机运行三维渲染引擎载入美化后的三维模型,对仿真系统的三维场景进行渲染输出,学员即可看到逼真的加气站仿真场景。三维渲染引擎此部分的核心,它负责当前虚拟平台所有三维信息的接收、高效计算处理和无错输出,使用户得到显示前端的虚拟画面。

  模型精确重构技术

  传统基于CAD建模所生成的实体模型大部分是基于边界表达或是基于构造实体几何 (CSG),虚拟环境中都是采用很多依次相连的小多边形面片来近似表达模型的几何形状。采用面片形式的优点是模型显示和碰撞检测处理简单,计算量小;缺点是丢失了 CAD 模型中的拓扑信息和几何信息,如平面的法线、原点、柱面的半径、轴线等几何参数,因此,需要间接从CAD文件中获取或重新定义,为了加快渲染图形 ,现代计算机图形硬件都是基于多边形渲染生成图形 ,不能直接将CAD几何数据用于精确建模,必须把CAD数据从自由曲面与实体模型表示转换成多边形表示,数据必须经过“网格化”的处理 转换成多边形数据,才能满足精细化建模及后续空间定位分析的需求。

  空间数据配准算法

  空间数据配准采用迭代最近点法,又叫做ICP(iterative closest point)算法,这种算法是基于模型数据来配准的,需要寻找给定点集内的点在另一点集的最近点,并计算与最近点的距离。根据加气站点云数据的特征,并结合SVD(singular value decomposition)算法在坐标转换和ICP算法在点集配准的优势,选择综合使用邻近点迭代ICP算法联合奇异值分解SVD算法来进行模型数据的合并。

  纹理图像与模型的配准

  纹理映射工作是体现模型重建结果真实感的必要步骤,而实现该步骤的首要条件是解决纹理图像与模型之间的配准问题。目前加气站场景中往往含有大量直线和平面这一特点,存在一种基于直线和平面特征的配准方法。首先分别提取纹理图像和模型结构上的直线,利用灭点的几何属性从二维图像计算场景三维特征,然后分别计算两个坐标系的旋转变换和平移变换,从而实现配准。

  加气站实景模型可扩展对象库

  就加气站内实景对象而言,可以分为有动作特性或加气特性的对象和一般的对象2类。前者一般指加气站内的各种主机设备,包括压缩机、缓冲罐、干燥器等;后者主要指加气站地理环境,如加气站结构、加气车辆、地面等。

  存在一种可扩展对象库的设计方法,通过VR虚拟现实技术把三维实景对象抽象为由三维模型类、动作特性类、天然气特性类、数据接口类元素构成的对象。动作特性类元素用于描述设备动作,如安全操作规程、压缩机的转动等;天然气特性类元素用于描述现场应急处理规程,如出租车、加气机、储气井等燃气泄漏;数据接口类元素提供仿真对象和系统交互的数据接口。由于加气站的设备及结构在模型和功能上很相似,可以把模型和功能分别作为元素描述,再由元素复合成新的对象。

  加气站安全操作规程培训

  结合加气站常规安全操作,虚拟出安全操作规程,学生在纯沉浸式的环境中进行仿真培训,依据标准操作规程进行课程学习。此课程内容建立在加气站设备三维模型、安全操作规程步骤两类基础上。