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摘要：本文将建立以海上钻井平台现有应急预案为基础的三维风险管理模型平台。在3D建模软件及3D场景的交互作用模拟下,研究海上钻井平台及陆地应急管控中心在遇到突发事件或紧急情况下,根据三维预案模拟在虚拟场景中直观动态分析现场事态,进而实现高效的现场应急管理及培训,确保海上钻完井作业的高效、安全、平稳。本文为构建三维预案平台所运用的关键技术有：3D建模、模型材质渲染及生成、3D场景交互等,并通过建模软件来实现钻井平台作业风险的三维预案管理,从而提高钻井平台的应对突发事件的应急管理水平。
关键词：虚拟现实；三维交互；风险管理；应急预案
Implementation of 3D Contingency Plan Platform Based on Operation Risk Management of the Offshore Drill Rig
HE Xu1,LUO Caixi2
（1.Drilling Division of China Oilfield Services Co.,Ltd.,Tianjin 300452; 2.Hunan Sany Polytechnic College,Changsha Hunan 410129）
【Abstract】：This paper will establish a 3D risk management model platform based on the existing emergency plan of offshore drilling platform.It has been studied that under the interaction simulation of 3D modeling software and 3D scene,the offshore drilling platform and on-land emergency control center can intuitively and dynamically analyze the on-site situation in the virtual scene according to the 3D plan simulation in case of emergencies,so as to realize efficient on-site emergency management and training,and ensure the efficiency,safety and stability of offshore drilling and completion operation.The key technologies used in this paper to build the 3D emergency plan platform include:3D modeling,model material rendering and generation,3D scene interaction,etc.,and the realization of the 3D emergency plan management of drilling platform operation risk through modeling software,so as to improve the emergency management level of drilling platform in response to emergencies.
【Key words】：VR(virtual reality);3D interactive technology;risk management;contingency plan
0引言
随着中国制造2025战略的提出,我国信息技术水平取得了很大的进步,人工智能时代的到来,虚拟仿真、VR等技术的应用已经逐步提到日程,可视化已经成为了一种习惯和必然,人们更趋向于利用三维可视的形式[1]来直观对事物事件进行观察及了解。本文通过研究基于钻井平台作业风险管理的三维预案平台,结合三维虚拟[2]的运用,围绕平台现有应急预案,对海上钻井平台进行三维预案展示,实现现场及陆地应急中心即时、高效且安全可靠地掌握海上钻井平台应急管理动态。
在消防安全疏散方面[3],三维建模虚拟构建的现实应用已经相对普遍。3D虚拟仿真技术以此类推也可以转换到海上钻井平台,便于应急管理现场真实地再现海上钻井平台场景,并能及时开展预案分析及预测推进。本文基于海上钻井平台实际现场环境的创建3D仿真模型,主要用于在海上钻井平台在应急情况下分析应急预案在场景中的应用及呈现,同时因地制宜地对纸质版的预案再规划设计、运行改进。因此,模型需要切合实际,能实现海上钻井平台的现场场景,逼真地还原作业现场的一些细节及交互动作。这样,平台及陆地应急指挥中心即可便捷切实地了解整个现场应急现状的全部内容。
1平台整体设计
通过3D虚拟仿真技术建立海上钻井平台工作场景的三维模型,海上钻井平台及陆地应急中心可以以模型为动态参考,实时监管海上钻井平台在应急情况下的实操演练及规定动作。由此,按照海上钻井平台现有的操船手册及相关图纸资料创建海上钻井平台建筑的三维模型,再对构建的模型美化设计,最后通过三维漫游技术[4]实现三维预案动态化。
本文以遇到紧急情况的演示逃生路线[5]为例,建立了基于海上钻井平台场景的3D模型以及基于3D场景下的消防规定动作及逃生路线的3D漫游呈现,以逼真地展示平台员工在应急情况下的疏散路线的规定动作完成度及特殊情况的应变力。平台整体架构图如图1所示。
如下是具体实现步骤：
（1）查阅获取海上钻井平台场景的CAD图纸并复测钻井平台现场场景的数据,确定对平台场景及设备设施等组件的尺寸、位置、大小等细节数据内容。
（2）结合平台操船手册及相关尺寸图纸,运用3DMax等建模平台[6]对平台设备设施组件逐一梳理归档,创建3D模型子件。
（3）建模好的模型子件拼装成组件对象,再根据三维软件进行添加材质并渲染导出,让模型逼真化。
（4）根据海上钻井平台场景,在Unity中编写脚本文件用于呈现应急情况下如何疏散的路线漫游效果展示。
（5）根据现场平台现有的逃生路线及标志,编写程序脚本文件来呈现第一视角,为最后的演练展示做准备。
为实现以上步骤,有三个关键难点：（1）模型的创建要真实,与现实相近,需要大量且具体的实际数据,虽前期有图形尺寸等数据,但大多现场关键细节需要逐一现场测绘；（2）平台构造复杂,需要创建大量的个体模型；（3）为呈现第一视角的三维动态监管状态,还要编程,并将代码融合至3D建模中,这样两道技术工序加大了实现展示的工作量和难度。
通过设计、分工及改进,有针对性地获得解决方案：（1）利用平台员工区域分工,实地测量记录实际的尺寸、颜色、材质及位置等信息并多次复测核实尺寸,利用平台现有部分CAD图纸,在CAD中绘制,这样创建出的模型更加真实；（2）安排区域负责人,对平台进行物件规整,虽然平台构造复杂,但是最原始的基础构造类似,将大模型分解为模型子件,并在不同工程文件中将同类模型进行同类存档模型,之后在总工程文件中汇总组装,这样模型子件得到充分利用的同时,还大大节约了建模时间,增强了建模的流畅性；（3）针对人员对C语言代码编写的不熟练,通过在Unity中直接添加C语言脚本来控制摄像头的运移来展示漫游效果[7],将对应资源包存档,使用时及时导入即可。
由于海上钻井平台场地的局限性及救援的延迟性,但凡涉及应急,平台全体人员都有相应应急职责及动作,因而海上钻井平台3D建模工作庞大且繁琐。海上钻井平台构造繁杂,设备设施各式各样,例如泥浆泵舱、水泵舱、散装舱、机舱、粉罐舱、固井泵舱、悬臂梁、生活区及钻台等位置都是涉及到逃生的区域,需要进行逐一呈现。所以,本文仅以对在机舱发生火情情况下演示现有风险预案的逃生路线。
2三维海上钻井平台模型的建立
为了更优地实现三维虚拟仿真技术在海上钻完井的风险预案管理中的应用,创建高质量切实的虚拟现实场景是非常关键的环节,并且构建三维海上钻井平台模型是虚拟仿真的基础。为了更加逼真地构建三维虚拟场景,要先核实各个数据并确保与现场场景相符,再利用3D建模软件导出场景模型,最后通过建模软件实现平台应急管理三维预案动态化呈现。海上钻井平台三维模型构建设计路线图如图2所示。
充分利用3D Max等三维软件建模渲染已创建好的海上钻井平台三维场景模型,保证使用Unity时场景模型动态展示的流畅性。
本文主要进行海上钻井平台的机舱发生火情情况下的规定动作及逃生预案演示,根据平台现有数据资料、操船手册及实际复测核对后的数据,对场景进行建模的人员先核实完尺寸之后再开展建模。
如下是本次建模的主要工作内容：进行建模,后期运用Unity人物第一视角撤离演示。现场及陆地应急中心可以在三维虚拟场景中进行观察疏散撤离的效果,并及时合理安排下步动作。
（1）确认海上钻井平台CAD图纸内容及操船手册：现场调研海上钻井平台场景情况,查阅获取并系统分析海上钻井平台的CAD图纸,收集、归纳整理并审核海上钻井平台相关数据,通过区域划分及人员分工,用红外线测距仪及卷尺进行测量平台各区域尺寸。在建模前特别注意各区域分工人员因及时将数据统一至场景建模人员手中,使模型的大小、尺寸、外观保持一致,避免工作的返工。
（2）核实好尺寸后在建模软件上构建3D模型。海上钻井平台的模型主要以多边体建模。平台主要结构为：平台船体,悬臂梁,生活区,桩腿,钻台和对应区域的关键设备设施组件。
3海上钻井平台三维场景导入以及展示
根据海上钻井平台区域模型划分归类构建3D模型后,及时将各个不同工程文件中的3D模型子件分类存档为FBX格式[8],之后将子模型导入至统一的工程文件中组合创建海上钻井平台模型。
最后所有模型的建立、导入导出始终保持用一存一,例如代码归代码等。通过子文件和总文件的分类管理,建模的制作过程方便又高效,为了演示平台员工在机舱遭遇火情的情况时的应急演练规定动作,还需要在建模软件中编写代码,以实现三维模型场景的动态化展示,即三维漫游展示[9]。
4三维漫游展示
平台发生应急情况,全员需要进行规定跑位,如果事态进一步恶化,需要全船人员撤离平台,这些情况下如何组织人员撤离及分工,需要我们制定并熟知平台及行业中的应急预案。针对这一情况,海上工作平台早已完成了风险评估及预案审理执行。本节主要描述在三维虚拟现实的情景下如何演示现场应急预案的实施情况、现场人员的跑位情况、职责人员的规定动作及现场的组织协调执行状况。大家可以通过三维漫游的展示明了清晰地监管钻完井作业期间如果遇到应急情况现场如何做的,有助于人员培训及远程指挥。
海上钻井平台现有的作业应急预案多达上百件,例如压载穿刺,拖航断缆,井喷失控,机舱着火,人员落水,溢油抢险等应急预案。本文以平台员工在机舱发生着火的情况时的规定动作及弃平台安全逃生路线为例进行三维预案展示,进而开展培训解说及现场应急监管。
将之前建好的海上钻井平台模型导入Unity中,注意添加完材质和贴图的模型在导入Unity时要及时将贴图一起导入事先规划好的贴图路径中,防止丢失贴图。模型导入Unity成功后,第一步搭设一块区域场景地形,第二步拖拽已完成导入的模型至搭设好的场景地形中,最后一步给模型需要的地方布置增添碰撞体组件,以避免在演示的时候出现穿模。例如类似楼梯的细微的小地方及时搭设网格碰撞体,确保楼梯在最终的展示呈现完整性,但是特别注意的是为了降低运行速度,建议在楼体、墙体及窗户等位置安装盒子碰撞体组件。
增加完碰撞体组件后,三维漫游展示时就不再会出现穿模现象[10]了。为了实现第一视角的三维漫游,尽量减少C语言代码编程的工作量及工作难度,我们编写了多台摄像机代码,对应反馈了不同角色,并将摄像机赋予了第一视角,通过改变设置摄像机的视角参数来实现不同角色的视角反馈。之后,为了让建模更为逼真写实,我们进行了人的脚步、火灾爆炸、警报响铃及全船广播的音频录制,并导入至模型中。
最终,通过现场平台现有的跑位及逃生路线并参考平台管理文件进行走路线路规划,根据平台现有的逃生通道箭头标志,在建模软件中以添加画布的形式创建对应的安全指示标识,以逼真地展现逃生路线效果。
5总结与展望
本文对基于钻井平台作业风险管理的三维预案平台实现进行了较为详尽的阐述。前期准备工作有借助于平台操船手册及数据资料,测绘核实平台各区域尺寸,经过大量的资料收集整理。提前统一建模单位,分区域各子模块存档命名建模,之后化零为整生成总模型。最后导入Unity中进行渲染贴图,引入第一视角漫游演示,使应用效果更为真切。
本次三维预案平台的实现,让指挥前移成为一种可能,提高了海上钻井平台作业应急预案的分岗位再培训可实施性,不再受场地及时间的限制,并且现场可以3D虚拟推演预案的实用性,陆地应急中心能真切地了解现场情况,进一步增长了海上钻井平台作业风险管理的效率。
参考文献
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