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【摘要】近年来，随着中石油集团对钻井安全生产要求的不断提高，原有的安全培训形式已不能满足要求。因此，建立一套以计算机模拟仿真技术为平台的钻井作业安全培训系统已成为钻井安全培训的迫切需要。本文深入研究了基于模拟仿真环境下如何建立钻井作业安全培训系统的相关技术，并通过虚拟现实建模语言VRML、Html、JavaScript和3DMAX技术等进行了系统实现。
【关键词】模拟仿真；VRML；培训系统；优化技术
一、前言
1.1系统研究的目的和意义
基于虚拟现实技术的钻井安全培训系统是利用虚拟现实技术，对钻井生产现场进行仿真，通过在系统中设置钻井生产现场常见的安全隐患，使受训学员在虚拟钻井生产现场操作时，能迅速增强发现、识别和排除安全隐患的能力，达到提高现场操作人员安全意识的目的。此系统的实现，不仅可降低企业的培训成本，杜绝在真实钻井现场培训带来的安全隐患，而且可以通过现代化的教学技术，利用寓教于乐的培训方式，让受训学员主动学习和掌握正确的排除钻井生产中安全隐患的技巧，掌握风险源的识别方法，培育自身的安全意识，提高安全培训的效果。
1.2虚拟现实技术在国内研究现状及发展趋势
随着虚拟现实技术的不断成熟，其在国内的应用和研究得到了迅速发展，应用领域已由过去的娱乐与模拟训练发展到包括航空、航天、建筑、土木、医疗、军事、教育、艺术、金融、商业等广泛领域[1]。研究内容涉及虚拟校园的研究、仿真实验室的研究、制造技术的仿真研究、仿真交互技术的研究、地理信息系统的研究，厂矿企业的仿真系统研究，场景中复杂运动控制的研究等。
二、虚拟现实建模语言VRML概述
VRML （Virtual Reality Modeling Language）语言是互联网上基于万维网技术的具有交互性的虚拟现实建模语言，它把“虚拟世界”看作成一个“场景”，而场景中的一切都看作“对象”（也就是“节点”），对每一个对象的描述就构成了WRL文件（即VRML文件，.WRL是VRML语言文件的扩展名）。VRML语言的目的主要是为了在网页中实现三维动画效果以及基于三维对象的用户交互。使用VRML语言，我们能在互联网上设计自己的三维虚拟空间，诸如创建虚拟的空间、城市、森林、武器、球场、星球、宇宙等能想象到的任何东西。
三、系统设计
3.1虚拟钻井生产现场
为了逼真的虚拟钻井生产现场，系统采用3DMAX软件对钻井生产现场的主要设备钻机进行了建模，以减少利用VRML语言进行虚拟环境构建的难度。在构建三维模拟场景的各种相关技术中，对实体对象的模拟仿真是一个最为核心和关键的问题，是构建模拟场景的前提和基础。实体对象模拟仿真的好坏直接影响模拟场景的逼真度和沉浸感。本系统结合基于几何模型的构建方法，基于图像的构建方法和基于图形与图像混合构建方法，对虚拟钻井现场进行了构建。
3.2系统总体构架
经过对系统总体设计的研究，确立了通过VRML、JavaScript和HTML语言进行系统设计的总思路。其中HTML语言用以完成系统界面层的设计，VRML语言用以构建和调用、触发模拟场景，系统的交互控制则通过JavaScript语言来完成。为此系统总体结构设计采用了三层架构，分别为界面层、通信层和场景层。总体构架如图1所示。
（1）界面层：界面层是操作者和计算机交互的媒介层，位于系统的最前端。在界面层中需要完成界面框架的设计，模拟场景的调用。为了能更好的体现各角度的模拟场景，系统的界面层采用了现今较流行的三分屏设计方案。如图2所示。界面层通过HTML进行构建。
（2）通信层：通信层主要完成系统中交互信息的传递。由于系统的总体结构是利用HTML语言进行界面层的设计，通过VRML语言结合三维建模技术完成模拟场景的构建。因此通信层主要完成VRML和HTML之间数据通信。在系统的具体实现中是通过JavaScript和VRML中的Script节点来实现的，如图3所示。
（3）场景层：场景层是系统中最重要的一个层，也是本文重点研究的一个层。场景层主要通过VRML语言结合三维建模技术进行系统模拟场景的构建，涉及到的技术有场景构建技术、场景优化技术及交互控制技术等。
3.3系统的功能模块
为了能够更加详细的描述各层的功能，提高系统实现的科学性。根据模块化设计思想，将系统结构分为四个模块，分别是模拟场景构建模块、检测模块、界面模块与通信模块，各模块的具体功能如下：模拟场景构建模块：该模块主要完成模拟仿真场景的构建。在系统的具体实现过程中，主要通过现有的VRML语言结合三维建模技术进行场景构建。检测模块：该模块主要功能是检测操作者的行为。在系统的具体实现过程中，通过调用VRML的传感器节点来完成。在系统运行过程中，随时感知操作者的行为，并将操作者的操作结果及时提交通讯模块。界面模块：该模块主要用来构建系统界面。在系统的具体实现过程中，通过HTML语言设计完成。通讯模块：用来实现系统的界面层与场景层之间的数据传递，在系统的具体实现过程中，通过函数间的参数传递来完成。
4、关键技术
4.1场景优化技术
当前构建复杂虚拟对象或场景时，基本上都是先采用3DMAX等三维建模软件进行构建，然后通过3DMAX等软件所带的导出功能将创建好的模拟场景及模拟对象转化成VRML语言格式。通常在不进行优化的情况下，导出的VRML程序重复代码多，文件容量大。因此，为了提高系统的反应速度，必须对VRML文件进行优化处理。本系统主要采用的方法有，一是在不失真的情况下，尽量减少三维模型的面数。在不影响三维模型的逼真度和光滑度的情况下，减少三维模型的面数，将可以大幅度减少导出生成的VRML文件的容量。二是采用重用机制。重用机制是将可重复使用的对象通过VRML语言的DEF语句进行构建，然后通过USE语句进行多次引用的机制，在通过USE语句引用时，还可对新引用的对象实现平移、缩放、旋转操作[3]。三是采用场景分割技术。场景分割就是将大场景分割成若干个小场景，然后用VRML语言提供的Inline节点将小场景文件集合成一个大场景。对大场景进行分割一方面可以减小场景构建的难度，另一方面在显示过程中可以通过分块显示提高渲染效率[4]。四是利用VrmlPad编程软件提供的压缩保存功能，可以将VRML文件进行压缩存储，压缩的效率非常高。
4.2系统中交互控制的实现
通过在界面层的Html代码中利用JavaScript脚本语言编写过程函数，模拟场景中的Script节点调用此过程函数，将交互信息传递给模拟场景，模拟场景根据接收到的交互信息，完成既定的交互动作。在系统运行后，首先由Html语言通过调用命令加载模拟场景中的主场景和分场景。当点击系统界面中主场景上的提示信息（入事件），主场景WRL文件中的脚本节点Script节点将调用系统界面（Html）中的JavaScript过程函数，系统界面中的过程函数将交互参数传递给主场景和分场景中Script型节点，节点通过既定的要求传出相应的eventOut事件，用以控制主场景和分场景的行为。
参考文献
[1]褚志涛.虚拟现实技术略论[J].南京广播电视大学学报，2007，（4）：89-91.
[2]徐岚.三维虚拟场景建模技术[J].湖北第二师范学院学报，2009（2）：74-75 .
[3]王斌.基于VRML的虚拟场景优化技术[J].和田师范专科学校学报（汉文综合版），2007（6）：198-199.
[4]王洪，朱清新.用VRML实现虚拟校园的实时漫游[J].计算机应用，2004（24）：141-142.
作者简介
闫苏斌（1976-），男（汉族），陕西省西安市未央区长庆未央湖花园长庆油田分公司培训中心，硕士，主要从事计算机应用方面的研究和教学。
【关键词】模拟仿真；VRML；培训系统；优化技术
一、前言
1.1系统研究的目的和意义
基于虚拟现实技术的钻井安全培训系统是利用虚拟现实技术，对钻井生产现场进行仿真，通过在系统中设置钻井生产现场常见的安全隐患，使受训学员在虚拟钻井生产现场操作时，能迅速增强发现、识别和排除安全隐患的能力，达到提高现场操作人员安全意识的目的。此系统的实现，不仅可降低企业的培训成本，杜绝在真实钻井现场培训带来的安全隐患，而且可以通过现代化的教学技术，利用寓教于乐的培训方式，让受训学员主动学习和掌握正确的排除钻井生产中安全隐患的技巧，掌握风险源的识别方法，培育自身的安全意识，提高安全培训的效果。
1.2虚拟现实技术在国内研究现状及发展趋势
随着虚拟现实技术的不断成熟，其在国内的应用和研究得到了迅速发展，应用领域已由过去的娱乐与模拟训练发展到包括航空、航天、建筑、土木、医疗、军事、教育、艺术、金融、商业等广泛领域[1]。研究内容涉及虚拟校园的研究、仿真实验室的研究、制造技术的仿真研究、仿真交互技术的研究、地理信息系统的研究，厂矿企业的仿真系统研究，场景中复杂运动控制的研究等。
二、虚拟现实建模语言VRML概述
VRML （Virtual Reality Modeling Language）语言是互联网上基于万维网技术的具有交互性的虚拟现实建模语言，它把“虚拟世界”看作成一个“场景”，而场景中的一切都看作“对象”（也就是“节点”），对每一个对象的描述就构成了WRL文件（即VRML文件，.WRL是VRML语言文件的扩展名）。VRML语言的目的主要是为了在网页中实现三维动画效果以及基于三维对象的用户交互。使用VRML语言，我们能在互联网上设计自己的三维虚拟空间，诸如创建虚拟的空间、城市、森林、武器、球场、星球、宇宙等能想象到的任何东西。
三、系统设计
3.1虚拟钻井生产现场
为了逼真的虚拟钻井生产现场，系统采用3DMAX软件对钻井生产现场的主要设备钻机进行了建模，以减少利用VRML语言进行虚拟环境构建的难度。在构建三维模拟场景的各种相关技术中，对实体对象的模拟仿真是一个最为核心和关键的问题，是构建模拟场景的前提和基础。实体对象模拟仿真的好坏直接影响模拟场景的逼真度和沉浸感。本系统结合基于几何模型的构建方法，基于图像的构建方法和基于图形与图像混合构建方法，对虚拟钻井现场进行了构建。
3.2系统总体构架
经过对系统总体设计的研究，确立了通过VRML、JavaScript和HTML语言进行系统设计的总思路。其中HTML语言用以完成系统界面层的设计，VRML语言用以构建和调用、触发模拟场景，系统的交互控制则通过JavaScript语言来完成。为此系统总体结构设计采用了三层架构，分别为界面层、通信层和场景层。总体构架如图1所示。
（1）界面层：界面层是操作者和计算机交互的媒介层，位于系统的最前端。在界面层中需要完成界面框架的设计，模拟场景的调用。为了能更好的体现各角度的模拟场景，系统的界面层采用了现今较流行的三分屏设计方案。如图2所示。界面层通过HTML进行构建。
（2）通信层：通信层主要完成系统中交互信息的传递。由于系统的总体结构是利用HTML语言进行界面层的设计，通过VRML语言结合三维建模技术完成模拟场景的构建。因此通信层主要完成VRML和HTML之间数据通信。在系统的具体实现中是通过JavaScript和VRML中的Script节点来实现的，如图3所示。
（3）场景层：场景层是系统中最重要的一个层，也是本文重点研究的一个层。场景层主要通过VRML语言结合三维建模技术进行系统模拟场景的构建，涉及到的技术有场景构建技术、场景优化技术及交互控制技术等。
3.3系统的功能模块
为了能够更加详细的描述各层的功能，提高系统实现的科学性。根据模块化设计思想，将系统结构分为四个模块，分别是模拟场景构建模块、检测模块、界面模块与通信模块，各模块的具体功能如下：模拟场景构建模块：该模块主要完成模拟仿真场景的构建。在系统的具体实现过程中，主要通过现有的VRML语言结合三维建模技术进行场景构建。检测模块：该模块主要功能是检测操作者的行为。在系统的具体实现过程中，通过调用VRML的传感器节点来完成。在系统运行过程中，随时感知操作者的行为，并将操作者的操作结果及时提交通讯模块。界面模块：该模块主要用来构建系统界面。在系统的具体实现过程中，通过HTML语言设计完成。通讯模块：用来实现系统的界面层与场景层之间的数据传递，在系统的具体实现过程中，通过函数间的参数传递来完成。
4、关键技术
4.1场景优化技术
当前构建复杂虚拟对象或场景时，基本上都是先采用3DMAX等三维建模软件进行构建，然后通过3DMAX等软件所带的导出功能将创建好的模拟场景及模拟对象转化成VRML语言格式。通常在不进行优化的情况下，导出的VRML程序重复代码多，文件容量大。因此，为了提高系统的反应速度，必须对VRML文件进行优化处理。本系统主要采用的方法有，一是在不失真的情况下，尽量减少三维模型的面数。在不影响三维模型的逼真度和光滑度的情况下，减少三维模型的面数，将可以大幅度减少导出生成的VRML文件的容量。二是采用重用机制。重用机制是将可重复使用的对象通过VRML语言的DEF语句进行构建，然后通过USE语句进行多次引用的机制，在通过USE语句引用时，还可对新引用的对象实现平移、缩放、旋转操作[3]。三是采用场景分割技术。场景分割就是将大场景分割成若干个小场景，然后用VRML语言提供的Inline节点将小场景文件集合成一个大场景。对大场景进行分割一方面可以减小场景构建的难度，另一方面在显示过程中可以通过分块显示提高渲染效率[4]。四是利用VrmlPad编程软件提供的压缩保存功能，可以将VRML文件进行压缩存储，压缩的效率非常高。
4.2系统中交互控制的实现
通过在界面层的Html代码中利用JavaScript脚本语言编写过程函数，模拟场景中的Script节点调用此过程函数，将交互信息传递给模拟场景，模拟场景根据接收到的交互信息，完成既定的交互动作。在系统运行后，首先由Html语言通过调用命令加载模拟场景中的主场景和分场景。当点击系统界面中主场景上的提示信息（入事件），主场景WRL文件中的脚本节点Script节点将调用系统界面（Html）中的JavaScript过程函数，系统界面中的过程函数将交互参数传递给主场景和分场景中Script型节点，节点通过既定的要求传出相应的eventOut事件，用以控制主场景和分场景的行为。
参考文献
[1]褚志涛.虚拟现实技术略论[J].南京广播电视大学学报，2007，（4）：89-91.
[2]徐岚.三维虚拟场景建模技术[J].湖北第二师范学院学报，2009（2）：74-75 .
[3]王斌.基于VRML的虚拟场景优化技术[J].和田师范专科学校学报（汉文综合版），2007（6）：198-199.
[4]王洪，朱清新.用VRML实现虚拟校园的实时漫游[J].计算机应用，2004（24）：141-142.
作者简介
闫苏斌（1976-），男（汉族），陕西省西安市未央区长庆未央湖花园长庆油田分公司培训中心，硕士，主要从事计算机应用方面的研究和教学。