基于“石油井场虚拟仿真平台”的教学体系改革
韩东颖，孔祥西，罗皓
（燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛）
摘 要： 随着近几年VR（Virtual Reality）虚拟现实技术的快速发展，很多工业领域逐步向信息化、虚拟化、智能化方向发展。石油工业虽然属于传统工业领域，但是通过虚拟仿真技术将勘探、钻井、采油等过程直观地展示出来，对提升工程效率、节省成本等方面有重要意义。本文主要介绍了石油井场相关设备及环境的虚拟仿真平台的建立，以及在此基础上开展的课程、实习、二级项目的教学改革探索。“石油井场虚拟仿真平台”的开发解决了石油工程专业学生难于到钻井、采油生产现场进行认识、操作与实验的困难，推广了虚拟现实技术在教学上的应用。
关键词： 石油井场；虚拟仿真；教学改革；石油工程
一 引言
石油与天然气矿藏资源都埋于地下几千米的岩层中，石油工业的发展让人类得以开发利用如此大规模的自然资源。通常石油工业中的勘探作业、钻井作业、采油作业等大都在比较恶劣的环境中进行工作。为了便于高校或者企业低成本、低风险地培养石油工业人才，结合近些年兴起的虚拟现实技术，本文对钻井作业现场相关设备及环境的仿真平台的建立及其在专业课程、实习、二级项目方面开展的教学改革进行了描述。
二 国内外研究现状
美国Texaco公司在上世纪90年代在休斯顿建立的虚拟现实中心，预示着首个油气工业虚拟现实系统的诞生[1]。美国ROV公司利用虚拟现实技术开发出TROV遥控作业车，可应用VR虚拟现实技术生成虚拟的海底作业环境，实现工程作业的仿真培训[2]。加拿大Oemcom Software International公司利用虚拟仿真技术开发出 Gemcom 软件，可以显示钻孔作业位置的分布，实现人与虚拟现实环境的交互。在国内，中石油、中石化、中海油等企业也对VR虚拟现实技术的应用投入了大量的人力物力[3]。
三 本项目在教学和生产方面的重要意义
目前，虚拟现实技术受到了各个领域的广泛关注，受限于计算机硬件，虚拟现实技术尚没有得到充足的发展。现在国内有几家大型石油公司都对VR技术的应用投入了大量的资金和科研力量，但是该项技术仍然不能大规模应用在生产和教育中去[4]。近些年随着虚拟现实开发平台Unity、Unreal等的逐步开源，可以快速地利用这些平台搭建出模拟钻井、采油的虚拟生产场景。VR技术的应用可以解决理论课程与实践环节之间存在的巨大障碍，有效提升高校学生的工程实践与创新。
经过一段时间准备，2014年5月份，宁波市卫计委正式发文，要求全市148家基层医疗机构要完成一轮培训，每家机构一轮至少要派出一位医生参加培训。而且，学员主要来自社区心内科、神经内科、内分泌，以及疾控中心和120院前急救，重点关注慢病管理。
四 基于虚拟仿真平台的教学改革
首先采用三维建模软件Solidworks和3D max建立模型，在Unity 3D上实现钻井现场的交互漫游场景，并且通过Unity3D发布功能生成Windows可执行程序，建立石油钻井、采油现场的虚拟仿真平台，然后在此基础上开展课程、实习、二级项目方面的教学改革。
（一） 石油井场虚拟仿真平台的建立
与石油井场虚拟仿真平台密切相关的专业课有：石油机械、钻井工程、采油工程等。石油机械主要讲解钻采过程中用到设备的组成、工作原理、工艺流程等，辅以实验教学帮助学生们理解。但受实验场地、实验仪器、设备、经费、安全等因素影响，实验以演示性实验为主，学生动手参与的少。基于石油井场虚拟仿真平台，探讨了实验与虚拟仿真结合的专业课程教学改革。学生在进行演示性实验后，可以通过石油井场虚拟仿真平台亲自动手操作，细致了解内部结构、工作原理、工艺流程等，仿佛置身于钻井、采油井场、有身临其境般的体验，学习效果更好。
图1 石油井场仿真平台设备模型
图2 钻井作业虚拟场景
综合考虑研究区6个时相遥感影像，决定在NDVI概率累计表上取概率为99.5%的值为NDVImax，取概率为0.5%的为NDVImin，并利用ERDAS IMAGINE 2013 软件中的Modeler实现植被覆盖度定量转换模型，得到1989—2015年6期植被覆盖度专题图。
1.基于虚拟仿真平台的专业课程改革
（二） 基于虚拟仿真平台的教学改革
全面贯彻CDIO教学理念，实施项目式教学，以学生为主体完成课程教学全过程，使学生的基础知识、个人能力、团队合作和综合素质培养等方面获得较大的提升。燕山大学石油工程专业基于虚拟仿真平台的二级项目有：钻井工程课程设计（二级项目）、采油工程课程设计（二级项目）。钻井工程课程设计（二级项目）设计内容包括：井身结构设计、套管设计、钻头及钻具组合设计、钻机选择等。以往的课程设计主要是以计算为主，训练内容比较单
石油钻机属于重型石油矿场机械设备，是由多种类型和功能的机械设备组成的联合工作机组系统。主要介绍了起升系统、旋转系统和循环系统等的建模。起升系统主要包括井架、游动系统和绞车三大部分。旋转系统主要包括转盘、水龙头、方钻杆、钻杆柱、钻铤及钻头等设备。循环系统包含柴油罐、水箱、泥浆泵、泥浆储备罐、柴油桶等设备。最终完成的石油井场仿真平台设备模型如图1(a)(b)所示。
2.基于虚拟仿真平台的实习改革
3.基于虚拟仿真平台的二级项目改革
钻井作业现场大多处于山地或沙漠等野外环境，地形等自然条件复杂。学生实习多去生产车间或通过实验室模型简易模拟实验来了解钻机、采油机械在现场的实际工作过程，学生不能够完全了解现场作业的真实状态。探讨了实践与虚拟仿真结合的实习教学改革。通过钻井作业虚拟场景（如图2所示）、抽油机作业虚拟场景等，模拟山地、沙漠、海洋、丘陵等野外作业环境，学生可以根据不同的工况进行演练，从而达到虚、实结合，仿真与实验结合提升实习效果的目的。一、枯燥。探讨了计算与虚拟仿真结合的二级项目教学改革。结合虚拟仿真平台不仅可以直观地显示和验证计算结果，还可以检验设计的合理性，让学生在丰富有趣的探索过程中完成项目内容。
五 结语
随着未来虚拟现实技术的发展，在工程教育等领域应用VR技术来拓展教学，提升学生动手实践能力，无疑具有非常深远的意义。燕山大学石油工程专业建立了石油井场虚拟仿真平台，探讨了实验与虚拟仿真结合的专业课程教学改革、实践与虚拟仿真结合的实习教学改革、计算与虚拟仿真结合的二级项目教学改革，开启了基于虚拟仿真平台的全方位的教学改革模式，为提升学生的实践能力进行了大胆的尝试和探索。
选用符合 ASTM E408-13 Standard Test Methods for Total Normal Emittance of Surfaces Using Inspection-Meter Techniques(方法A)的日本SENSOR公司的TSS-5X发射率测量仪(见图4)，对导流装置内外表面进行测量，结果它们的发射率为0.92 ～ 0.96，远大于设计要求的0.81，说明导流装置具有较好的发射率。
Santy等人提出一致矩阵法，也就是两两因素相互比较，确定重要性与非重要性，依此，可以减少在研究过程中面临的对性质不同的诸因素难以进行相互比较的困难，在一定程度上可以保证研究信息的准确度。
参考文献
[1] 尤洪军.虚拟现实技术及其在石油勘探开发中的应用[J].资源开发与市场,2007,23(09):785-787.
[2] R. Bowen Loftin. Aerospace applications of virtual environment technology[J]. ACM SIGGRAPH Computer Graphics,1996,30(4):33-35.
[3] 李瑞民. 基于虚拟现实的三维井场虚拟环境建模研究[D].中国石油大学,2010,2-3.
[4] 张世军,慎思强,张宇军. 浅议虚拟现实技术在石油勘探中的应用[J]. 科技创新与应用,2013,(12):30.
本文引用格式： 韩东颖,等.基于“石油井场虚拟仿真平台”的教学体系改革[J]. 教育现代化,2019,6(69):25-26,43.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.69.010
基金项目： 河北省高等教育教学改革研究项目,项目名称：基于“虚拟仿真平台”的多位一体化创新实践体系改革，项目编号：JG2017PY06。燕山大学研究生教育教学改革项目，项目名称：依托专业竞赛和学科交叉资源提高研究生实践和创新能力的培养体系改革，项目编号：JG201713。
作者简介： 韩东颖，女，汉族，永吉县人，博士，教授，石油工程系主任，研究方向：石油钻采设备的损伤、检测与安全评估工作。
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