基于虚拟现实技术的油田维护仿真系统的研究与实现毕业设计

东北石油大学本科生毕业设计（论文）基于虚拟现实技术的油田维护仿真系统的研究与实现摘 要本文首先介绍了油田维护仿真系统实现的环境，即利用虚拟现实技术，概括总结了什么是虚拟现实和目前国内外的研究现状。其次着重阐述了场景模型的构建，如三维模型实时生成和优化，细节层次描述，模型对象实例化，纹理映射和光照、材质的运用等。通过对油田维护仿真系统的体系结构的了解，利用三维建模平台 3ds Max 对虚拟人、驴头、曲柄、支架、管线等进行建模、烘焙；利用虚拟现实工具Virtools 组建虚拟场景，完成主要场景和人物的搭建，模拟出类似真实的虚拟环境。从 3ds Max 中输出场景和虚拟人的模型，导入 Virtools 中进行了交互模块设计，实现了抽油机转动、人物按照指定路线走动等功能，部分步骤配以小窗口视频播放、背景音乐和操作解说，生动地展现了油田维护的操作场景。关键词：虚拟现实；抽油机；维护仿真；光杆密封圈东北石油大学本科生毕业设计（论文）AbstractThis thesis first introduced the environment of oil maintenance simulation system. It summarized what does virtual reality is and introduced the development level at home and abroad by using virtual reality technology. Secondly it mainly explained the construction of the scene model. Such as real-time 3d model generation and optimization, the level of detail description, model object instantiation, texture mapping and the use of light, material, etc.Through the deeply understanding about the construction of the oil maintenance simulation system, using 3d modeling platform to create the model and then bake them, like virtual human, lv tou, crank, stents, pipelines and so on.; Using virtual reality tool Virtools to simulate the environment which is similar to the real one by forming the virtual scene and accomplishing the set up of the main scene and the character. Design the interaction module in Virtools for the models which were exported from 3ds Max like the scene and the virtual human. And realized many functions as follows: such as the rotation of the pumping unit, character moving according to the designed route and so on. Some steps maintain the small window video, background music and the explanation about the operation, which vividly shows the operation scene of oil maintenance.Key words: virtual reality; pumping unit; Maintenance simulation; The polished rod sealing ring 东北石油大学本科生毕业设计（论文）I目 录第 1 章 概 述 .11.1 虚拟现实概述 .11.2 虚拟现实技术的应用前景 .2第 2 章 油田维护仿真系统总体分析与设计 .32.1 油田维护仿真系统开发的背景及意义 .32.2 油田维护仿真系统需求分析 .42.3 油田维护仿真系统的总体设计 .5第 3 章 开发工具的选择与介绍 .63.1 建模软件的选择 .63.2 开发平台的选择 .83.3 辅助工具 PHOTOSHOP 简介 .11第 4 章 油田维护仿真系统的详细设计与实现 .124.1 三维模型的构建 .124.2 脚本在 VIRTOOLS 里的实现 .174.3 油田维护仿真系统的详细设计 .204.4 油田维护仿真系统的功能实现 .22第 5 章 系统测试 .275.1 系统测试简介 .275.2 测试内容和结果 .27结 论 .30参考文献 .31致 谢 .32东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 概 述1.1 虚拟现实概述虚拟现实技术（Virtual Reality，简称 VR）是近十多年来发展起来的高新技术，被称为二十一世纪对人类有巨大影响的十大高新技术之一。目前，已被广泛的应用到军事、航天、建筑、医疗、娱乐等领域，在国外，在煤炭领域也得到一定程度的应用，但在国内它在煤炭领域的应用却刚刚起步。虚拟现实技术是以计算机图形学、图像处理和模式识别、智能接口技术、人工智能、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理和高性能计算为基础的非常复杂的技术系统，如果没有有效的应用开发工具，这项技术的应用是难以想象的。油田维护仿真系统是利用 VR 软硬件设备，根据现场调研模拟出包括抽油机场所和人工实体在内的三维空间，使用户在其中可以自然地与各种虚拟实体进行交互。本文将虚拟现实技术与相对传统的油田行业相结合，对油田维护仿真系统的三维数据模型和相关技术进行了研究，基本开发出油田维护仿真系统的原型系统，为我国油田行业信息化建设进行了尝试 1。虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术，是一种可以创建和体验虚拟环境的计算机系统技术。虚拟现实技术有以下4 种主要特征： 1）多感知性，它是指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能；2）存在感（Presence），又称沉浸感（Immersive），它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，即计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至还包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的模拟环境应该具有一切人所具有的感知功能，达到使用户难以分辨真假的程度；3）交互性（Interaction），是指参与者对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，他可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中被抓住的物体也立刻随着手的移动而移动；4）自主性（Imaginative），是指虚拟环境中物体依据各自的模型和规则按操作者的要求进行自主运动的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动，或翻倒，或从桌面落到地面等。东北石油大学本科生毕业设计（论文）21.2 虚拟现实技术的应用前景纵观虚拟现实技术这30多年来的发展历程，VR技术的未来研究还是遵循 “低成本、高性能” 这一主线，从软件、硬件上分别展开，有以下几个主要发展方向：（1）动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。（2）实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已较成熟，而关键是如何“实时生成”。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术 2。（3）新型交互设备的研制。虚拟现实能让参与者用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用，使之身临其境，借助的输入输出设备主要有：头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。（4）智能化的语音虚拟现实建模。VR建模是一个比较繁复的过程，它的建立需要开发人员花费大量的时间和精力。任何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能约束条件、模型的空间和模型的多种形态等基本特征说明。这些信息若用计算机语言来编写说明有时会显得不很方便甚至无法表达清楚，而且工作量也非常大。而人类的语言可以容易地描述任何简单或复杂的事物，因此，利用语音识别技术将人类对模型的属性、方法和一般特点的描述转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航和评价，即将基本模型用对象表示出来，并符合逻辑地将各种基本模型静态或动态地连接起来，最后形成系统模型，在各种模型形成后进行评价并给出结果，最后由人直接通过语言来进行编辑和确认。（5）大型网络分布式虚拟现实（Distributed Virtual reality，DVR）的应用。网络分布式VR将分布于多个地点的VR系统或仿真器通过局域网或广域网联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互作用。目前，分布式虚拟交互仿真已成为国际上的研究热点，是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE 开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。相继推出了DIS、HLA等相关标准。网络分布式VR在航天中极具应用价值，例如，国际空间站的参与国分布在世界不同区域，东北石油大学本科生毕业设计（论文）3分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费设备费用，而且也减少了人员出差的费用和异地生活的不适。东北石油大学本科生毕业设计（论文）4第 2 章 油田维护仿真系统总体分析与设计2.1 油田维护仿真系统开发的背景及意义近年来随着计算机技术、高性能个人计算机、人机交互技术与设备以及计算机网络与通信等科学领域的突破与高速发展，虚拟现实技术也得到了突飞猛进的发展。虚拟现实以其沉浸性、交互性、构想性的特点以及“低成本，高性能” 的研究原则，已经由最初的航空航天领域扩展到了军事、科研、医学、教育文化、娱乐、产品制造、展览等各个不同的领域 3。虚拟实训教学是虚拟现实技术应用研究成果在各个教学领域的重大体现。虚拟实训是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化虚拟实验教学辅助系统，是现有各种教学实训过程的数字化和虚拟化。油田维护仿真系统的实现，包括了对抽油机启机、停机以及更换光杆密封圈操作环境的设计及仿真过程的技术开发，油田维护仿真系统为油田教学提供了全新的教学环境，新员工通过类似于真实实训环境的虚拟操作，就能够完成完整的操作流程。油田维护仿真系统的构建，既可以弥补现有大部分油田公司教学条件的不足，又可以降低油田公司在培训新员工方面的支出费用，同时避免某些错误操作所带来的各种危险，而且还可以贯彻“项目教学、讲练结合”的教学理念，是未来油田公司新员工教学的发展方向。油田维护仿真系统能使书面理论形象化，抽象物体实体化，工艺流程系统化，培训系统数字化。该课题的主要意义在于：（1）仿真性学员可针油田维护流程，利用软件和硬件的仿真技术，可以清晰、完整地看到油田维护的整个过程。（2）场景性系统针对油田维护操作，通过虚拟仿真技术，可以逼真地表现更换光杆密封圈的现场实景，同时将现场工作人员在实际工作中的操作方法及注意事项一一还原出来，使学员在不到现场的情况下，既能感受到真实的现场操作环境，又能了解真实环境下的整个操作流程。系统以提高学员的感性认识能力为旨，力争让学员在将来的实际工作环境下能得心应手的开展各种生产活动。（3）实用性全面系统化的理论知识学习、专业化的技能模拟考核、真实化的模拟仿真培训、流程化的课件素材制作和个性化的自我培训管理相互配合，将理论知识学习、东北石油大学本科生毕业设计（论文）5操作技能训练和模拟仿真培训三者完美融合，使学员不但能巩固并加深对油田维护理论知识的理解，而且能熟悉工作环境，更能培养学员实际动手能力和现场操作技能。（4）不同于传统的油田企业培训基地的概念，凡是应用该仿真培训的任何血缘能在任何时间，并具有完全自由读地通过该系统进行有关操作来学习油田维护流程的技能。对于训练后还没有掌握的操作过程或技术片段，学员可以自己多次重复。这样，受训的学员始终处于技能培训过程中的主导地位，真正掌握技能培训的主动权，大大增加了技能培训的学习和训练效果，减少了生产技能培训时间。（5）采用该模拟仿真系统的方式对学员进行仿真训练，学员可以在一个逼真的环境中熟悉并操作各种复杂的生产设备，即时操作失误，也不会威胁到个人的人身安全；同时，学员可以随意进入各个生产环节进行深入理解，往往会学到许多在现实中无法接触的东西；这对于安全应急处理演习、现场工艺操作技能的提高、减少操作危险等方面都具有特别重要的意义。2.2 油田维护仿真系统需求分析（1）系统需求构建油田维护仿真系统整个三维虚拟场景，模型造型逼真，结构准确，复杂度适中。对抽油机的组成：驴头、光杆、盘根压帽、配电箱等进行三维建模，实现抽油机的