【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2 所示為Virtools平臺(tái)的操作界面。圖22 Virtools平臺(tái)的操作界面第3章 虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可行性研究及需求分析 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟硬件環(huán)境 硬件環(huán)境處理器： Intel（R） Core（TM） i32130 CPU @ 內(nèi)存： 4GB顯卡： NVIDIA GeForce GTX 650 軟件環(huán)境操作系統(tǒng)： Windows 7建模工具： 3DS Max 開(kāi)發(fā)平臺(tái)： Virtools 輔助工具： Photoshop CS3 系統(tǒng)可行性研究可行性分析的目的就是用最小的代價(jià)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)確定問(wèn)題能否解決。要達(dá)到這個(gè)目的就必須分析幾種可能的解決方法的利弊，從而判斷原定的系統(tǒng)目標(biāo)和規(guī)模是否實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)完成后所能帶來(lái)的價(jià)值是否大于開(kāi)發(fā)這個(gè)系統(tǒng)的投資價(jià)值。因此，可行性研究實(shí)質(zhì)上是要進(jìn)行一次大大的壓縮，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的過(guò)程。首先，需要進(jìn)一步分析和澄清問(wèn)題定義。在問(wèn)題定義階段初步定義的規(guī)模和目標(biāo)，如果是正確的就進(jìn)一步加以肯定，如果是錯(cuò)誤的就應(yīng)該加以改正，如果對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)有任何約束和限制，也就必須把他們清楚地列舉出來(lái)。在澄清了問(wèn)題定義之后，分析員應(yīng)該導(dǎo)出系統(tǒng)的邏輯模型。然后從系統(tǒng)邏輯模型出發(fā)，探索若干個(gè)可供選擇的主要方法。對(duì)每種方法都應(yīng)該仔細(xì)研究它的可行性，一般來(lái)說(shuō)，至少應(yīng)該達(dá)到下面的三個(gè)可行性： 技術(shù)可行性分析技術(shù)上可行性分析主要分析技術(shù)條件是否能順利完成開(kāi)發(fā)工作，軟、硬件能否滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)者的需要等。1．軟件方面 本系統(tǒng)需要的各種軟件環(huán)境都已具備，3DS Max 、安全性和易用性為本系統(tǒng)提供了良好的條件。因此，系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)已成熟可行。 2．硬件方面 科技飛速發(fā)展的今天，硬件更新的速度越來(lái)越快，容量越來(lái)越大，可靠性越來(lái)越高，價(jià)格越來(lái)越低，因此目前的硬件平臺(tái)完全能滿(mǎn)足此系統(tǒng)的需要。 經(jīng)濟(jì)可行性分析經(jīng)濟(jì)可行性是對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，開(kāi)發(fā)所需硬件軟件設(shè)施大多數(shù)PC機(jī)系統(tǒng)能夠承擔(dān)。估算新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)所需資金投入和今后的運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用，并將投入與獲得進(jìn)行比較。系統(tǒng)的效益可以從經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益兩方面考慮。例如，系統(tǒng)投入運(yùn)行后的收益如何，為用戶(hù)帶來(lái)了多少實(shí)際交易中的便利等等。本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)在經(jīng)濟(jì)上是完全可行的。開(kāi)發(fā)此軟件是屬于個(gè)人獨(dú)立設(shè)計(jì)的，可以節(jié)省許多費(fèi)用，同時(shí)也可提高個(gè)人的實(shí)際動(dòng)手能力。 操作可行性即系統(tǒng)的操作方式在這個(gè)用戶(hù)群內(nèi)能否行的通。綜上所述，此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)已明確，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行等方面都可行，并且投入少、作用大、見(jiàn)效快。 系統(tǒng)需求分析本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．三維圖形建模方法及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的研究 根據(jù)抽油機(jī)的特點(diǎn)，深入地研究分割重組法和曲面合成法的兩種三維圖形建模方法，并對(duì)三維圖形進(jìn)行效果處理。并基于抽油機(jī)采油的過(guò)程，深入的研究人機(jī)交互的方法及效果。 2．抽油機(jī)三維實(shí)體圖形模型設(shè)計(jì) 為了在安全虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中逼真地顯示抽油機(jī)生產(chǎn)設(shè)備的三維實(shí)體圖形，項(xiàng)目采用3DS Max進(jìn)行三維圖形的模型設(shè)計(jì)，詳細(xì)的研究了幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模、物理建模、對(duì)象行為建模以及模型分割等設(shè)計(jì)方法。 3．人機(jī)交互及視點(diǎn)漫游功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù) 友好實(shí)用的虛擬環(huán)境系統(tǒng)離不開(kāi)人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)的作用是將得到的用戶(hù)輸入實(shí)時(shí)地反饋到虛擬環(huán)境系統(tǒng)中，而虛擬環(huán)境則可以根據(jù)這些輸入來(lái)計(jì)算和生成新的視景以使生成的系統(tǒng)更加逼真，更加符合自然規(guī)律。項(xiàng)目將著重研究利用Virtools實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中利用鼠標(biāo)及鍵盤(pán)操縱虛擬物體的實(shí)現(xiàn)方法以及場(chǎng)景的合理顯示問(wèn)題。4．虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 在理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行完整的系統(tǒng)分析，利用3D MAX進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，利用Virtools進(jìn)行場(chǎng)景的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。本論文由于時(shí)間精力等因素的考慮，將實(shí)現(xiàn)采油工培訓(xùn)中調(diào)整防沖距（調(diào)大防沖距，調(diào)小防沖距）部分。第4章 虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 需求描述 抽油機(jī)在野外進(jìn)行，環(huán)境艱苦，而且是多工種協(xié)作施工；石油、天然氣、等又是易燃易爆的有毒物質(zhì)，在生產(chǎn)過(guò)程中事故隱患較多，危險(xiǎn)性較大。因此，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)章制度和抽油機(jī)技術(shù)操作規(guī)程變得尤為重要，本系統(tǒng)就是為培訓(xùn)員工熟悉抽油機(jī)操作而設(shè)計(jì)的，利用該虛擬仿真系統(tǒng)先對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)，員工熟悉了環(huán)境后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的操作就可以降低危險(xiǎn)系數(shù)，同時(shí)也節(jié)約了培訓(xùn)成本。 本系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)中采油生產(chǎn)的特點(diǎn)，將采油工的操作流程、安全知識(shí)及各種設(shè)備的安全操作規(guī)程等技術(shù)培訓(xùn)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，營(yíng)造了由用戶(hù)通過(guò)自身與虛擬環(huán)境的交互來(lái)得到知識(shí)、技能的氛圍。主要是提供一套虛擬的、可以進(jìn)行交互的安全操作仿真訓(xùn)練平臺(tái)，讓參與培訓(xùn)的人員以虛擬環(huán)境為依托，進(jìn)行安全操作的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，提高抽油機(jī)安全生產(chǎn)的實(shí)踐水平。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用當(dāng)前最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所開(kāi)發(fā)，旨在開(kāi)發(fā)出一套計(jì)算機(jī)環(huán)境下的采油員工操作過(guò)程的完全模擬。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的使用，可以使員工掌握正確的操作規(guī)程、熟悉操作內(nèi)容。為了使系統(tǒng)更具完整性，每個(gè)流程都設(shè)計(jì)了演示、考核、訓(xùn)練三個(gè)模塊。如圖41所示。員工虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)調(diào) 大 防 沖 距系統(tǒng)調(diào) 小 防 沖 距系統(tǒng)仿真演示系統(tǒng)仿真考核系統(tǒng)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)背景音樂(lè)流程解說(shuō)文字提示自動(dòng)播放背景音樂(lè)員工操作背景音樂(lè)文字提示員工操作圖 41 系統(tǒng)總體模塊圖 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 在進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)時(shí)，首先了解了采油工安全操作注意事項(xiàng)，然后仔細(xì)觀(guān)察工人的操作細(xì)節(jié)及相關(guān)工作原理。本系統(tǒng)中所介紹的虛擬仿真系統(tǒng)在進(jìn)行需求分析后，利用3DS Max建完三維虛擬場(chǎng)景和虛擬人的模型后將其動(dòng)作進(jìn)行編排制作，最后利用Virtools平臺(tái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景合成及系統(tǒng)的仿真操作，其結(jié)構(gòu)框圖如圖42所示。員工虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)場(chǎng)景構(gòu)建動(dòng)作動(dòng)畫(huà)制作場(chǎng)景合成創(chuàng)建模型添加材質(zhì)貼圖色彩光照處理優(yōu)化處理創(chuàng)建關(guān)鍵幀動(dòng)作動(dòng)畫(huà)渲染場(chǎng)景模型導(dǎo)入角色動(dòng)作導(dǎo)入表優(yōu)化處理圖42 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)操作流程在開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)前進(jìn)行了較深入的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)前調(diào)研，在大慶的油田進(jìn)行了實(shí)地考察并收集資料記錄在案，從而確定了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。進(jìn)一步結(jié)合開(kāi)發(fā)平臺(tái)針對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，首先利用3DS Max軟件建立虛擬場(chǎng)景，同時(shí)借助Max完成虛擬人模型和動(dòng)作的制作，然后從Max中將場(chǎng)景模型和虛擬人模型導(dǎo)入Virtools中進(jìn)行交互模塊設(shè)計(jì)，最后對(duì)系統(tǒng)成果進(jìn)行測(cè)試。本系統(tǒng)的詳細(xì)流程設(shè)計(jì)圖，如圖43所示。建立場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試、完善Virtools 學(xué)習(xí)建模資料收集編排場(chǎng)景人物編排動(dòng)態(tài)場(chǎng)景建立模型建立模型動(dòng)畫(huà)現(xiàn)場(chǎng)資料收集3DMAX 學(xué)習(xí)收集學(xué)習(xí)資料，研究方法明確研究?jī)?nèi)容，確定技術(shù)路線(xiàn)資料調(diào)研，確定研究目標(biāo)圖43 系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)腳本設(shè)計(jì)調(diào)整抽油機(jī)防沖距就是活塞最下端與固定閥之間的距離。調(diào)整防沖距是為了防止柱塞在下死點(diǎn)時(shí)撞擊固定閥和上死點(diǎn)時(shí)脫出工作筒，同時(shí)在不撞擊固定閥的條件下，最大限度地減少余隙體積，提高抽油泵的充滿(mǎn)系數(shù)，合理調(diào)整防沖距是增加、提高泵效的一個(gè)辦法之一。在現(xiàn)場(chǎng)中如氣量大的井以不碰泵為主，減少氣體影響，出砂井以不脫出工作筒或不掛井口為主，減少出砂的影響。為了切實(shí)加強(qiáng)油水井管理，提高整體管理水平，規(guī)范采油工工作，使抽油機(jī)達(dá)到高效、節(jié)能 運(yùn)行。結(jié)合工作實(shí)際，特制定抽油機(jī)防沖距調(diào)整，在下抽油桿和泵活塞時(shí)，要求泵活塞不碰底門(mén)為原則，一般泵活塞上提固定凡爾1015cm左右即可。 調(diào)大防沖距流程準(zhǔn)備工作：穿戴好勞保用品，準(zhǔn)備好工具。（1）停機(jī)，根據(jù)調(diào)整防沖距的距離確定停機(jī)位置（光桿上卡子到盤(pán)根盒頂端的距離叫做防沖距），假設(shè)調(diào)大20厘米，在抽油機(jī)下沖程時(shí)懸繩器距離下死點(diǎn)30厘米左右的位置停機(jī)并剎車(chē)，剎車(chē)后懸繩器距離下死點(diǎn)的距離要大于20厘米（顯示尺寸標(biāo)注20厘米），側(cè)身斷開(kāi)空氣開(kāi)關(guān)。（2）在防噴盒上打緊抽油桿卡子（用扳手緊固卡子固定螺絲）。（3）啟停抽油機(jī)，側(cè)身合上空氣開(kāi)關(guān)，松開(kāi)剎車(chē)并迅速啟動(dòng)抽油機(jī)，當(dāng)懸繩器下降超過(guò)20厘米時(shí)迅速停機(jī)并剎車(chē)，側(cè)身斷開(kāi)空氣開(kāi)關(guān)。（4）把懸繩器上方的卡子用扳手卸松后向下移動(dòng)20厘米重新用扳手打緊。（5）緩慢松開(kāi)剎車(chē)讓?xiě)依K器向上移動(dòng)，使懸繩器上側(cè)的抽油桿卡子承擔(dān)負(fù)荷，防噴盒上的卡子被抽油桿帶起懸空，剎緊剎車(chē)。（6）用扳手卸掉防噴盒上的抽油桿卡子（固定螺絲），松開(kāi)剎車(chē)，側(cè)身合上空氣開(kāi)關(guān)，利用慣性啟動(dòng)抽油機(jī)。（7）檢查抽油機(jī)周?chē)欠裼姓系K物，如果有障礙物應(yīng)該移出。（8）檢查抽油機(jī)減速箱、曲柄、曲柄銷(xiāo)子、連桿、尾軸、中軸等運(yùn)動(dòng)部位是否正常。（9）檢查井口流程，生產(chǎn)閘門(mén)、回油閘門(mén)應(yīng)打開(kāi)，防噴盒應(yīng)無(wú)滲漏。（10）用試電筆檢測(cè)配電箱是否漏電，（操作者手指與試電筆后端金屬部位接觸，試電筆前端與配電箱拉手或合頁(yè)等裸漏金屬?zèng)]有油漆的部位接觸）。（11）打開(kāi)配電箱門(mén)，檢查配電箱內(nèi)設(shè)備是否正常。 （12）松剎車(chē)，手握剎車(chē)操作桿，把剎車(chē)桿推到最前端，松開(kāi)剎車(chē)。（13）盤(pán)皮帶，（兩只手的手指伸直，從上下兩側(cè)分別按住皮帶，一只手推一只手拉，使皮帶帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)及減速箱旋轉(zhuǎn)，手指不能彎曲握皮帶）。（14）一只手帶絕緣手套側(cè)身合空氣開(kāi)關(guān)，（帶絕緣手套那只手伸出去合空氣開(kāi)關(guān)，身體不能在空氣開(kāi)關(guān)的正前面）。（15）利用慣性啟動(dòng)抽油機(jī)，（兩個(gè)手指同時(shí)放在啟停 按鈕上，一個(gè)手指按下啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄向前旋轉(zhuǎn)約30176。角后另一個(gè)手指立刻按停止按鈕，按啟動(dòng)和停止按鈕的時(shí)間間隔約1秒鐘，曲柄依靠自重向下旋轉(zhuǎn)并向后旋轉(zhuǎn)，當(dāng)曲柄向后旋轉(zhuǎn)停止時(shí)，再按啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第一次按啟動(dòng)按鈕到第二次按啟動(dòng)按鈕的間隔時(shí)間約7秒鐘）。（16）啟機(jī)后檢查，檢查皮帶松緊度是否合適，檢查配電箱是否有異味和異常響聲，檢查電動(dòng)機(jī)溫度是否正常，檢查曲柄、曲柄銷(xiāo)子、連桿、尾軸、中軸等運(yùn)轉(zhuǎn)部位是否正常，檢查光桿方卡子、懸繩器抽油桿是否正常，檢查防噴盒是否漏油。（17）填寫(xiě)記錄，記錄啟機(jī)時(shí)間、井口壓力等參數(shù)。 調(diào)大防沖距腳本設(shè)計(jì)根據(jù)調(diào)整抽油機(jī)防沖距的流程，針對(duì)Virtools的工作原理對(duì)調(diào)整防沖距的操作步驟進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，制定了調(diào)整防沖距腳本，內(nèi)容如下表41所示。表41 調(diào)大防沖距腳本序號(hào)內(nèi)容穿戴好勞保用品，準(zhǔn)備好工具1停機(jī)停機(jī)2拉緊剎車(chē)?yán)o剎車(chē)3側(cè)身切斷空氣開(kāi)關(guān)4對(duì)稱(chēng)緊固方卡子對(duì)稱(chēng)緊固方卡子5合空氣開(kāi)關(guān)6松剎車(chē)7啟停抽油機(jī)啟機(jī)停機(jī)停機(jī)拉緊剎車(chē)8側(cè)身切斷空氣開(kāi)關(guān)9調(diào)防沖距量距調(diào)防沖距10松剎車(chē)11加載負(fù)荷啟機(jī)停機(jī)拉緊剎車(chē)12卸方卡子13檢查抽油機(jī)周?chē)欠裼姓系K物檢查減速箱、曲柄、曲柄銷(xiāo)子、連桿、中軸部位是否正常檢查井口流程，生產(chǎn)閘門(mén)、回油閘門(mén)，防噴盒14檢測(cè)配電箱是否漏電15檢查配電箱內(nèi)設(shè)備是否正常松剎車(chē)盤(pán)皮帶16合空氣開(kāi)關(guān)17啟動(dòng)抽油機(jī)啟動(dòng)抽油機(jī)啟動(dòng)抽油機(jī)18啟機(jī)后檢查19填寫(xiě)記錄（啟機(jī)時(shí)間，井口壓力等）第5章 虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì) 為了能夠達(dá)到良好的視覺(jué)效果，在進(jìn)行系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)時(shí)，本系統(tǒng)遵循以下幾個(gè)原則： 1．簡(jiǎn)單明了。用戶(hù)的操作直接、形象、易于理解。 2．方便使用，符合操作者的使用習(xí)慣。3．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)向使用者提供身臨其境的體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新型人機(jī)交互形式，有希望徹底地實(shí)現(xiàn)和諧的，以人為中心的人機(jī)界面。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了，是站在使用者的角度衡量系統(tǒng)的可用性和交互性，讓使用者有種所見(jiàn)即所得、所見(jiàn)即會(huì)用的感覺(jué)。具體界面如圖51所示。圖51系統(tǒng)界面圖 系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì) 三維模型的任務(wù)分析在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)油田場(chǎng)景中設(shè)備、器械及其他設(shè)施采用實(shí)地拍攝，并詳細(xì)觀(guān)察工作人員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)的細(xì)節(jié)，分析可知仿真系統(tǒng)主要是用戶(hù)和器械的交互操作，所以環(huán)境建模的主要工作是器械的建模部分，在每一個(gè)部分中又包含有很多的單個(gè)模型，如表 51 所示。 表 51 油田作業(yè)操作仿真系統(tǒng)模型的構(gòu)建任務(wù) 模型總體分類(lèi)模型詳細(xì)分類(lèi)建模具體事項(xiàng)抽油機(jī)模型抽油機(jī)造型建模驢頭，油梁，平衡塊，電動(dòng)機(jī)，采油樹(shù)，抽管，井口，閥門(mén)等外部紋理建模材質(zhì)調(diào)節(jié)，紋理貼圖人物模型人物造型建模身體，頭部，四肢外部紋理建模材質(zhì)調(diào)節(jié)，紋理貼圖 三維模型實(shí)時(shí)生成和優(yōu)化 3DS Max是目前最流行的三維動(dòng)畫(huà)和建模軟件，三維建模是3DS Max最基本的功能，采用多邊形逼近的方法，可以用許多個(gè)多邊形組成任何現(xiàn)實(shí)中有的或我們能想象到的現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有的立體圖形，并且可以進(jìn)行優(yōu)化處理，從而使得構(gòu)建的模型更小、更易于管理、更適合實(shí)時(shí)仿真的應(yīng)用[10]。建模流程圖如圖52所示。運(yùn)動(dòng)建模添加材質(zhì)紋理建模幾何建模模型優(yōu)化骨骼綁定紋理映射 體建模工具面建模工具 線(xiàn)建模工具點(diǎn)建模工具確定樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)收集整理建模準(zhǔn)備工作圖52建模流程圖 模型對(duì)象實(shí)例化（Instance） 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，實(shí)例化是一種為了節(jié)省計(jì)算機(jī)的運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)而采用的算法。當(dāng)一個(gè)復(fù)雜的場(chǎng)景模型中有多個(gè)幾何形狀相同、位置不同的物體時(shí)，我們可以采