油田生产虚拟仿真培训系统设计与实现毕业设计

东北石油大学本科生毕业设计（论文）油田生产虚拟仿真培训系统的设计与实现摘 要我国开发油田逐步进入中后期后，开采难度逐渐加大，这对于油田采油工序等后期生产过程的精细化程度提出了更高的要求，随之油田采油工序仿真模拟的研究便被提上了日程。本文结合大庆油田实际情况，以油田生产中调整防冲距为例设计了虚拟仿真培训系统。本文实现了对采油系统中调整防冲距过程的模拟与演练。根据其实际操作过程，首先制作了抽油机以及虚拟人的模型，并对模型进行了渲染，同时利用灯光、动画等特效分别对抽油机的驴头、连杆、曲柄机构、减速箱、悬绳器、动力设备和辅助装置等模型进行了优化，虚拟出一个逼真的三维虚拟环境。然后借助Virtools虚拟现实开发平台，进行了虚拟仿真流程设计。设计了调整防冲距（调大、调小）的演示、训练和考核三个模块。用已建构出的虚拟人模型代替实际操作人员在培训系统中的演示模块对调整防冲距的流程进行分步操作培训，在训练和考核模块使人在虚拟环境中能够利用鼠标与计算机完成交互，从而达到操控目的，完成训练考核。关键词：Virtools ；虚拟现实；调大防冲距；调小防冲距东北石油大学本科生毕业设计（论文）AbstractDifficult exploitation oilfield development in China has gradually entered the later period, after the increase, gradually for the refinement of late oilfield production processes such as production process is put forward higher requirements, so the study of oil field production process simulation has been put on the agenda. In this paper, in combination with the practical situation of daqing oil field, in order to adjust the impingement distance in oil field production, for example, virtual simulation training system is designed.This paper uses 3ds max and virtools technology, to realize the adjustment of production system from impingement process simulation and practice. According to its actual operation process, first of all make the pumping unit and the model of the virtual human and render the model, at the same time respectively using lighting, animation, special effects, such as furnace head, connecting rod, crank mechanism of oil pumping unit, reducer, beam hanger, power equipment and auxiliary devices, such as model are optimized, a realistic virtual 3d virtual environment. Then using virtools virtual reality development platform, virtual simulation process design was carried out. Design the impingement distance is adjusted (large, small) demonstration, training and examination of the three modules. Have constructed the virtual person model instead of the actual operation personnel training system in the demo module to adjust the impingement distance process operation training step by step, in the training and examination of module makes people be able to use the mouse and computer in virtual environment to complete the interaction, so as to achieve control, complete the training evaluation.Key words：Virtools; Virtual reality; Big impingement distance; Small impingement distance东北石油大学本科生毕业设计（论文）创新点摘要本文的创新点是研究有杆抽油系统的数学建模及转动问题。针对此问题，本文首先从有杆抽油系统四连杆结构的几何关系和运动特点出发，建立了游梁的摆动方程，进而求得了悬点E运动的数学模型（式（ 19），并根据这些数据对模型进行了求解。其次，根据抽油机转动原理，在Virtools 平台，由U I+VSL+SDK模 式 设 计 了 抽 油 机 的 转 动 。东北石油大学本科生毕业设计（论文）I目 录第1章 绪 论 .11.1 虚拟现实技术研究背景 .11.2 虚拟现实技术研究现状 .11.3 虚拟现实技术的特点及应用 .3第2章 虚拟仿真培训系统开发工具简介 .52.1 三维建模平台 3DS MAX .52.2 虚拟环境开发平台 VIRTOOLS .7第3章 虚拟仿真培训系统可行性研究及需求分析 .113.1 系统开发软硬件环境 .113.2 系统可行性研究 .113.3 系统需求分析 .12第4章 虚拟仿真培训系统总体设计 .144.1 需求描述 .144.2 系统总体设计 .144.3 系统功能设计 .154.4 系统操作流程 .154.5 系统脚本设计 .16第5章 虚拟仿真培训系统详细设计与实现 .195.1 系统界面设计 .195.2 系统的模型设计 .205.3 系统的实现过程 .245.4 系统功能介绍 .285.5 抽油机转动的实现 .335.6 系统软件测试 .41东北石油大学本科生毕业设计（论文）II结 论 .43参考文献 .44致 谢 .45东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第1章 绪 论1.1 虚拟现实技术研究背景“虚拟现实”（Virtual Reality，VR ）是人们想象力的发展，是一种以沉浸性、交互性及构想性为主要特征的计算机系统，通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等方式创建和体验虚拟世界，用户可以融入这个三维虚拟世界并且与场景中的对象进行交互，使用户感到作为主角存在于虚拟环境之中；虚拟现实的实现需要硬件和软件两方面的支持，硬件方面主要包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别及合成系统等等；软件的种类则很多，其中法国达索公司的 Virtools开发平台是目前较为流行的一种，Virtools以完全的可视化模式建构互动体验，其开放架构支持多种3D文件格式的读取，使实时 3D技术的应用变得更加多元化，更加广泛 1。安全是保障人类生存和生活质量的重要方面。随着人类社会的进步和生活水平的提高，人们对自身安全的要求越来越高。然而社会活动中，存在着大量不安全因素，要保证人的安全，离不开对社会环境的真实了解安全管理人员需要了解管理区域内存在的事故隐患； 科研人员需要向人们真实反映其安全研究的成果；而普通人则需要有一定的安全知识和防范意识。这些都需要人们能处于真实的环境中，如安全管理人员能根据发生灾害而对其现场的真实环境进行正确的决策。上述情况都离不开人类生存的现实社会 2。但由于受到各种环境因素的限制，人类不可能采用实际模拟的方式，使每个人均能置身于真实的环境中，有时真实感受安全的状况是不安全的，甚至是根本无法提供这种现实环境中的危险，因而需要有一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。当前，国内外普遍采用的虚拟现实技术便能满足这种要求。 本论文的研究正是采用PC机上最流行的三维建模、渲染、动画制作软件 3DS Max配合全球著名的多功能三维开发工具Virtools来建立的一套员工虚拟仿真培训系统 3。东北石油大学本科生毕业设计（论文）21.2 虚拟现实技术研究现状 1.2.1 国外研究现状最早真正意义上的虚拟现实系统是为了满足军事仿真培训的需求而开发的，而且迄今为止开发虚拟环境和应用虚拟环境最多的也是军事领域 4 。美国军方实施SIMNET计划近20年来，随着计算机技术、网络技术等构造虚拟环境所需关 键技术的高速发展，以及军事仿真培训需求的不断提高，用于军事仿真培训的虚拟环境也发生了巨大变化。虚拟现实带来了人机界面、人机交互的新概念和新方法，使得人机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自然、和谐。将虚拟现实技术应用于军事仿真训练，引起了军事训练观念和方式的变革，推动了军事仿真训练的发展，从而为解决上述问题提供了新途径，带来了新希望 5。 虚拟现实技术和虚拟环境还可以应用于除军事仿真培训以外的许多军事和民用领域，产生巨大的经济效益和社会效益，它对于一个国家科学和技术发展的重大意义可以从不同领域目标中得到体现。虚拟现实可以为科学研究和技术创新提供理论证明和科学实验以外的新的科学发现工具和手段，也可以帮助再现和理解大规模数据库和大规模科学计算所获得的海量数据，有利于加快知识和科技创新的速度；虚拟现实在各种高难度和危险环境下的作业培训，如载人航天、核设施维护等以及大规模多兵种军事训练方面的应用，有利于大幅度提高军事培训水平，增强国家安全实力；大型复杂产品的虚拟原型机技术是降低产品开发成本、缩短产品研制周期、提高产品质量的新方法，有利于提高企业的国际竞争能力：虚拟现实可以更好地模拟气候和灾害过程，帮助理解气候及环境变化，有利于环保和灾害预报；虚拟现实可以提供远距离、可视化、交互式教学手段，有利于建立未来先进的远程教育，虚拟现实可以建立远程医疗和模拟手术培训，有利于提高人民的生活质量和健康水平等 6。 VR 技术在许多工程领域已得到广泛应用并取得了令人注目的成就，但在安全工程方面的应用仍属于起步阶段。诺丁汉大学采油、环境与采矿工程学院所属的人工智能及其矿业应用研究室（简称AIMS）是较早从事人工智能、计算机绘图、虚拟现实等在矿业中应用的研究。其研究涉及采矿工程、环境评价等方面。AIMS的研究人员已经开发出一系列虚拟现实模型，如露天矿单斗卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等可分别用于相应环境下工作人员的培训。 东北石油大学本科生毕业设计（论文）31.2.2 国内研究现状 和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目 7。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，己积极投入到了这一领域的研究工作。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾VR系统。这是国内目前安全领域所建立的最早的VR系统。建筑火灾的VR系统主要有两个方面，一是要考虑建筑物本身的结构模型的真实性；二是火灾模拟的真实性。使用者通过外围设备系统经由主计算机系统使用外围设备。例如：计算机鼠标、数据手套等操作设备，通过三维模型运动控制接口程序控制建筑物及火灾的运动。建筑物模型及火灾模型本身由专用三维处理程序建立，具有真实三维立体感。经过控制运动的两个模型，通过外围设备与模型接口程序，将结果显示输出到外围设备，例如：计算机显示器、立体眼睛等。操作者可以根据这一循环的结果，决定下一个循环的操作过程。从而经过不停地循环，达到真实模拟和实时控制的操作环境。用户可以使用鼠标，控制人员在建筑物中漫游。 1.3 虚拟现实技术的特点及应用VR培训是基于VR现实技术的培训，是实际培训过程在计算机上的映射。VR培训系统是指利用VR现实技术生成的一类适于进行安全教育培训的虚拟环境，它可以是某一现实安全环境的真实再现，也可以是虚拟构想的安全世界。受训人员以安全虚拟环境为依托，沉浸于其中，进行学习和培训。与普通安全培训相比，员工虚拟仿真培训系统有如下优点： 1仿真性 在虚拟现实技术支持下，员工虚拟仿真培训系统与真正的培训设施功能相同，操作方法也一样，同时虚拟培训环境无论是现实的环境或是想象的环境，都是虚拟的但又是逼真的。东北石油大学本科生毕业设计（论文）42开放性 员工虚拟仿真培训系统可以为所有受训者在任何时间、地点提供各种培训的场所。3超时空性 员工虚拟仿真培训系统具有超时空的特点，它能够将过去世界、现在世界、微观世界、宏观世界、客观世界、主观世界、幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，并可随时随地提供给学员进行安全培训。 4可操作性 受训者可通过使用专门设备，用人类的自然技能实现对安全虚拟环境的物体进行操作，就像在现实安全环境里一样。 5对应性 学员的培训内容与虚拟环境是密切对应的，虚拟现实技术能按每个学员的基础和能力，对应性地开展个别化的教育培训。虚拟现实技术是虚拟安全培训系统实现的关键技术。虚拟现实技术拥有三大特性，即为沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）三大特性，这决定了基于虚拟现实技术的展示形式一定比单纯的图片加文字信息的展示方式更加形象生动，且具有更明显的交互感。 鉴于目前国内对虚拟安全培训系统的论述和研究主要停留在基础理论和实现技术层面，而对虚拟安全培训系统的视觉表现方法鲜有论述。因此本论文还将针对虚拟安全培训系统的动态视觉效果来做研究，抛砖引玉，为虚拟安全培训系统的设计提供一定的参考。 本论文的意义并非仅限于虚拟仿真培训系统。本论文通过对安全场景的虚拟现实，可以对其他安全培训、安全展示以及安全仿真试验提供一定的参考。东北石油大学本科生毕业设计（论文）5第2章 虚拟仿真培训系统开发工具简介虚拟现实系统是将各种先进的硬件和软件技术集合在一起的极其复杂的系统，又必须具有灵活性、可移植性与实时交互的特性，因此提供一种使用方便、功能强大的系统开发支撑软件尤为重要。当今虚拟现实的开发