基于DeltaD仿真引擎的深水省略水下生产虚拟现实系统的设计与实现郭宏.docx
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基于DeltaD仿真引擎的深水省略水下生产虚拟现实系统的设计与实现郭宏
基于Delta3D仿真引擎的深水_省略_水下生产虚拟现实系统的设计与实现_郭宏
第25卷第1期2013年2月
中国海上油气
CHINAOFFSHOREOILANDGAS
Vol．25No．1Feb．2013
基于Delta3D仿真引擎的深水气田水下生产虚拟现实系统的设计与实现
郭
宏
1
*
刘太元
1
缪青海
2
郑利军
1
（1．中海油研究总院；2．中国科学院研究生院）
摘
1深水气田为例，根据海洋油气开发的特点，以荔湾3-采用Delta3D仿真引擎设计和实现
了水下生产虚拟现实系统。
该系统采用模块化设计，充分考虑了系统组建的灵活性和后期扩展需
要
求；通过对模型的参数化管理、场景图构建与组织、海洋环境模拟等关键问题的研究，开发设置了2类4种漫游模式，方便地满足了不同用户的浏览需求，从而为相关人员进行技术培训提供了直观形象的辅助平台。
关键词
虚拟现实
深水气田
水下生产系统
Delta3D仿真引擎
模块化设计
深水油气田水下生产系统设备众多，功能复杂，具有投资大、风险高、对技术和制造水平要求高的特点，而且受水下油气生产的设备安全、控制、药剂注入、数据采集、故障修复、环境保护等因素的影响，对因此其设计、分析、评价、展示与培可靠性要求极高，
训是一个国家整体工业设计能力和制造工艺水平的
［1-3］。
综合体现
研究表明，虚拟现实系统以其成本低、效果好、安全性高等特点已成为实现深水水下生产系统设计
笔分析与教学培训的最佳方法和展示平台。
为此，1深水气田项目为依托，者以我国南海荔湾3-根据
该气田的总体部署与水下设备组成特点，采用Del-ta3D仿真引擎，设计与实现了深水气田水下生产虚拟现实系统。
本文主要阐述了该系统的总体架构设
重点分析了实现该系统的关键问题，介绍了该系计，
统的主要功能，并对下一步工作进行了展望。
汇汇集，然后通过2条海底管线回接到浅水增压处
理中心平台，在对周边气田天然气（干气）和该气田天然气（湿气）进行外输增压处理后通过一条海底管线输送至珠海高栏陆上终端，实现向最终用户
［5］的供气。
1.2水下生产虚拟现实系统软件平台的搭建
1深水气田水下生产设施建立虚拟针对荔湾3-现实系统，首要工作是根据该气田生产环境和开采方案建立水下生产设施与海洋环境的3D模型，并
在此基础上建立水下生产系统三维模型数据库，主要内容有：
（1）水下生产设施，包括井口及采油树、管汇、ROV、跨接管、脐带缆、产出液输送管道、安装工具等其他设备。
（2）水下生产海洋环境，包括油藏地质剖面及
海洋水体（阳光散射等）模型、基于海底地形模型、
快速傅里叶变换的海面模型。
然后，选取合适的软件平台进行水下生产虚拟Virtools等商业软件是现实系统的开发。
Quest3D、
国际上虚拟现实系统开发应用较多的仿真引擎，而中视典的VRP则是国内虚拟现实软件系统的代表之一。
这些软件在游戏娱乐、人文景观、工程仿真等领域都有广泛的应用，其中Quest3D也应用于大型海洋石油设备的展示。
但是，商业软件的运行模式
1
1.1
总体架构设计
1深水气田开发概况荔湾3-1深水气田位于南海东部、荔湾3-香港东南约
［4］
350km的海域，平均钻探水深达到1400m，是我国首个深水气田
。
该气田采用水下生产系统回接
浅水增压处理中心平台的开发模式，东、西区生产的天然气首先通过各自的管汇和出油管线输至终端管
*国家科技重大专项“水下生产技术（编号：
2011ZX05026-003）”部分研究成果。
第一作者简介：
郭宏，女，高级工程师，毕业于天津理工大学工业电气自动化专业，现主要从事水下生产系统研发设计工作。
地址：
北京市
84523586。
东城区东直门外小街6号海油大厦（邮编：
100027）。
电话：
010-
70中国海上油气2013年
制约了其在特定专业领域的应用，如在更侧重于海洋光学效果和流体环境的深水油气开发中未见应用案例。
为此，在深水气田水下生产虚拟现实系统软件平台开发中，充分利用了Delta3D软件的各项特
［6］
点，使用OSG作为图形引擎，以ODE作为基本的QT作为界面开发套件，OpenAL作为物理特性引擎，声效模块，利用XcerseC++来做文件配置管理；为在Delta3D已有了满足面向深水油气开发的需要，模块的基础上，添加了地形数据动态装载模块和海洋环境模拟模块，并辅以模型浏览工具和场景编辑工具，使其成为开发深水气田水下生产虚拟现实系统的理想平台。
其中，地形数据动态装载模块可以支持以一个星球为单位的超大型地形数据容量，特别适合海洋石油开采模拟这样地域跨越范围大的应用；而海洋环境模拟模块则基于快速傅里叶变换、菲涅耳折射原理，充分利用最新的OpenGL着色语言
实现海洋表面和海洋水体的真实化模拟。
技术，1.3
基于Delta3D的深水气田水下生产虚拟现实系统模块化设计
针对水下生产虚拟现实系统的功能需求，充分考虑系统组建的灵活性和后期扩展，对该系统进行主要包括交互漫游模块、字幕显示模了模块化设计，块（HUD）、海洋环境模块、水下生产设备模块，后续扩展添加网络模块、学习管理模块（LMS），各模块之间由系统消息和定制消息处理信息和数据的交互。
其中，系统消息是处理系统中通用的信息，如时间节拍等，一般不可编辑；定制消息与具体要表现的事件逻辑相关，需要预先定义，而接收模块则需要预先定制此消息方可收到。
该系统的整体设计如图1所示
。
通用性，因此，为了更加灵活快速地构建深水气田水
需要从基础零部下生产虚拟现实系统的3D模型，
件进行建模，并进行参数化管理，即模型可以通过场
景模型编辑器对关键参数（如尺寸、位置、物理特性、材质等）进行修改，而参数化的零部件模型可以根据设计的需要采用预制组件机制自由组合成具有完整功能的模型。
例如，水下每一口生产井包括井采油树、水下控制模块（SCM）、计量装置等，而口、
每一个部分都可能来自不同的生产商，或相同生产商的不同型号。
因此，该系统收集了多个厂家多种型号的部件预先进行建模，形成参数化数据库，并根据需要进行组合而形成一体化的新的模型。
图2是在模型管理与编辑器中展示了这种工作机制
。
图21深水气田水下生产虚拟现实系统荔湾3-模型管理与编辑器界面
图2中右侧是按用途分类的资源栏，分别有静
态零部件模型、具有动画的零部件模型、特效（粒子系统）模型、地形数据模型、声效等，可通过上部的
1深水气田小窗口进行预览。
图2中列出了荔湾3-水下生产系统的主要部件，如吸力锚、管线终端、管
ROV等。
图3是在参数井口、采油树、跨接管、汇、
控制下该气田水下生产虚拟现实系统中采油树设备
的零部件分解图示
。
图1基于Delta3D的深水气田水下生产虚拟现实系统
模块化设计
2
2.1
关键问题研究与系统实现
模型的参数化管理
图3
1深水气田水下生产虚拟现实系统中荔湾3-采油树参数化模型的零部件分解
由于海洋油气生产的特殊性，每一个气田的设
备采用专门的设计方案，所使用设备不具有整体的
第25卷第1期郭宏等：
基于Delta3D仿真引擎的深水气田水下生产虚拟现实系统的设计与实现71
从图2资源栏中选取合适的部件模型，如井口1型、SCM1型，采油树2型、拖放到中间的三视图或透视图中，调整参数组合成由3部分构成的整体模型，而且这个组合可以设置成预制组件被添加到左侧的窗口中，以备在同样的组合情况下直接使用，免去重新组合的工作量，提高了效率。
2.2
场景图构建与组织
proxy机制，系统设计采用actor-即每一个模型
除去本身之外，还抽象出一个代理，用以表达模型的属性和行为，外界与模型的交互通过代理来执行。
代理的设计遵循统一的标准，这样模型在管理编辑器中与在虚拟现实系统中具有同样的接口，提供了管理编辑器的所见即所得的功能。
这样，所有的场景模型都可以事先在场景模型管理编辑器中进行组建和调整，完成后可将场景及其中的所有模型保存为一个场景图，在虚拟现实系统中只要简单地载入
避免了在程序中逐个载入模型再进行场景图即可，
组合与调整的繁琐工作。
海洋油气生产往往跨越数百千米的区域，例如1深水气田东西区管汇相距7km，荔湾3-而距离浅水增压处理中心平台大约79km，距离珠海陆上处
因此水下生产虚拟现实系统需要表理终端350km，
现的场景范围巨大。
为此，该系统采用多场景图模
式，预先建立和保存了水下生产系统、浅水增压处理可以根据中心平台以及陆上处理终端3个场景图，
1深水气田需要在运行时切换场景。
图4为荔湾3-水下生产虚拟现实系统3个场景组织示意图
。
现实系统中，海洋水体，水面水下光照、反射、折射的
［7］
模拟都对系统的实现提出了挑战。
在深水气田水下生产虚拟现实系统中，采用快速傅里叶变换（FFT）与着色语言（GLSL）相结合的方式，综合数学与图形学的理论与技术，考虑了阳光变化、水下强光折射、能见度、摄像机景深变化、水下漂浮物、水面倒影、海浪受风力影响等诸多因素，实现了海洋水体环境的模在保证计算效率的同时，得到了较理想的效果。
拟，
3
3.1
系统功能
虚拟气田场景漫游
方便灵活的场景漫游方式是深水气田水下生产虚拟现实系统不可缺少的功能。
为更好地表现荔湾3-1深水气田的开发方案，开发设置了2大类共4种漫游模式。
3.1.1
固定路径漫游
固定路径漫游采用Bezier曲线设定漫游路径，点击菜单栏上的游览位置时，摄像机按照事先设定好的曲线和角度运动，将视角内的景物呈现给用户。
Bezier路径可以方便地在场景编辑器内设置，可以通过编辑Bezier节点和控制节点方便地调节曲线的
以选择最佳的角度。
图2中前视图和透视图形状，
1中的绿色曲线即为漫游路径Bezier曲线。
荔湾3-深水气田水下生产虚拟现实系统中共设置了陆上天
浅水综合平台、浅水海底管道、深水然气处理终端、
海底管道、终端管汇、西区管汇、东区管汇和水下分
配单元等固定漫游路径，方便用户选择。
3.1.2
随机漫游
除去事先设定好的经过调优的固定路径外，该系统也为用户提供随机漫游模式，可以根据用户的需求，运动到感兴趣的位置。
根据运动方式的不同，又可分为以下3种。
（1）飞行模式
飞行模式通过“w\s\a\d”来控制摄像机相对当“前后左右”前镜头朝向的移动，上下左右方向键控制镜头的朝向，鼠标左键点击屏幕时，摄像机朝向鼠标
图41深水气田水下生产虚拟现实系统荔湾3-3个场景组织示意图
点击位置并向目标点移动。
飞行模式具有方便灵活，速度快的优势，适合于在较宽广场景中漫游的情形。
1深水气田水下生产虚拟现实系统东例如，在荔湾3-西管汇之间的转移采用飞行模式具有很高的效率。
（2）轨迹球模式
轨迹球模式适合近距离的观察较小的场景或模
2.3海洋环境模拟
环境的高逼真度模拟对增加虚拟现实系统的真
实感具有非常重要的作用，而在海洋油气开发的虚拟
72中国海上油气2013年
型，通过鼠标的左、中、右3键，可以实现对场景的旋
缩放和平移。
例如，在观察某采油树的细部结构转、
时，采用轨迹球模式最为方便。
（3）行走模式
行走模式模拟人行走时的视野变化，通过鼠标的
“w\s\a\d”移动改变视角，通过来进行前进后退和左右平移。
行走模式进行简单高效的碰撞检测，用以实即沿着地形起伏的模拟功能。
例如，在现抓地功能，
1深水气田浅水综合平台、荔湾3-陆上天然气处理厂
内进行游览时，行走模式具有很真实的效果。
3.2
安装和生产过程的动画演示
在所开发的三维立体虚拟现实系统基础上，制作了深水气田水下生产系统安装与生产过程动画演示。
（1）水下生产设施的安装过程演示
①水下生产设备安装的全过程。
包括井口、采油树、防喷帽等水下设备安装过程；以及井间跨接管汇及连接装置。
管、
②脐带缆铺设过程。
包括水下终端单元、水下
ROV操作飞分配单元的固定安装、脐带缆的铺设、线的作业过程等。
（2）水下生产过程虚拟现实演示
①信号传送过程。
包括脐带缆内部信号、电力、液压的传送过程，信号和液压控制对象（如各类阀门）的动作响应。
②油气输送过程。
包括管道的铺设，油气多相流在管道中的流动过程。
对典型事故下的应急预案进行演示与评估，为我国深水油气开采提供技术支持。
参
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清华
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211-218．03-06收稿日期：
2012-05-10改回日期：
2012-
考文献
［1］陈家庆．海洋油气开发中的水下生产系统：
一［J］．石油机械，
（编辑：
叶秋敏）
Designandrealizationofvirtualrealitysystemforproductionofdeepwatergasfieldbasedon
Delta3DsimulationengineGuoHong1MiaoQinghai2
LiuTaiyuan1ZhengLijun1
（1．CNOOCResearchInstitute，Beijing，100027；2．GraduateUniversityofChineseAcademy
ofSciences，Beijing，100049）
4结束语
1深水气田为例，以荔湾3-根据气田总体部署
与水下设备组成特点，采用全功能开源仿真引擎Delta3D设计和实现了深水气田水下生产虚拟现实系统。
该系统充分发挥了Delta3D引擎在模块化设计、大范围场景管理、角色代理机制等功能特点，较好地满足了海洋油气开发场景大、地图多、模型细节度高的要求，探索出了一个高效开发水下生产虚拟现实系统的方案。
目前虚拟现实系统在深水气田水下生产系统的应用和开发还处于一个探索和积累的阶段，下一步进一步细化模型，的工作重点是根据生产工艺流程，
“人员操作—信号传输—设备响应”实现的虚拟在线培训系统，使得水下、水上设备按照真实物理规律进行动作和响应，完成技术人员的量化培训评分，并
Abstract：
Accordingtothecharacteristicsofoffshoreoil-gasexploitation，asubseaproductionvirtualrealitysys-temwasdesignedandrealizedbyadoptingDelta3Dsimu-lationengineforthecaseofLiwan3-1deepwatergas
field．TheVRsystemwasdesignedinmodularinor-dertoachieveflexibilitiesforfutureexpands．Throughthestudiesonthekeyproblemssuchasthemodelpa-rameterization，scenesettingandorganization，andmarineenvironmentsimulation，theVRsystemoffersfourroamingmodesintwokindswhichsatisfythere-quirementsofdifferentusers．TheVRsystemcanbeusedasatrainingplatformforrelevantemployees．Keywords：
virtualreality；deepwatergasfield；sub-seaproductionsystem；Delta3Dsimulationengine；modularizeddesign
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