文摘
石油和天然气工程talent-intensive,技术密集型和资本密集型的领域。最后的教学不足和不满意,虽然石油和天然气工程指令,尤其是实验实践教学,阻碍和限制了许多工作条件如巨大的规模,大型设备,成本高,安全风险高,和企业的生产系统,等虚拟现实技术近年来发展迅速,这给教学带来了很大的影响;本研究利用虚拟现实技术构建和生产井控应急救援机器人系统,知识分与虚拟现实技术相结合并应用系统钻井与完井工程的进程。这种教学实践使教学更加生动,使过程不能完全显示在学生眼前重现。这样的尝试取得了良好的教学效果,学生可以通过交流解决问题。
1。介绍
与中国经济和社会的建设和发展,石油和天然气的需求不断增加,这与国家安全的重要战略资源。然而,石油和天然气开发项目具有投资大、high-danger、高风险、知识和技术密集型项目。安全高效地建立一个高质量的石油和天然气流动通道包括多种类型的协同操作,其工程操作涉及到沙漠,戈壁,海洋和其他恶劣的工作环境以及高温高压地层深处的环境。实验、实践和训练是不可或缺的重要链接的过程中油气工程相关专业人才培养。然而,大多数的实验和工程实践技能培训不能完成通过传统实验和现场实物操作由于规模大,设备成本高,安全风险,企业生产系统约束和限制。随着信息技术的迅速发展,虚拟仿真的必然趋势是石油和天然气开发和教学的发展,迫在眉睫的是建立一个虚拟的模拟实验训练平台的石油和天然气开发工程。利用虚拟现实技术来解决石油和天然气的实验实践教学工程有关专业的学生是一种有效的解决方案,以避免糟糕的环境中,一个巨大的规模,大量的支出和投资,风险很高。
”钻井与完井工程”的核心主菜本科生主修石油工程总课时56学时包括50学时的课堂教学,6学时的实践教学。课堂教学内容主要包括良好的身体结构设计、钻井液,钻井液工艺技术、岩石和钻头,钻孔过程技术,控制技术,井眼轨迹测量和控制技术、固井和完井方法和储层保护技术、环境保护和HSE,等等。井控应急救援是在控制技术发生井喷失控后,章和有一定的处理程序。要求学生掌握井喷失控后的标准操作程序和处理他们在紧急情况下。防复制过程是不可能的,和常规教学和教学只能通过照片和视频介绍如果进入学生缺乏一种强烈的感觉,但这些方法也无效。
随着石油工业的发展,很难全面实现理论教学与工程实践的有机结合与石油和天然气工程相关的学生很难及时培养和满足油田企业对高素质人才的需求在原有实践教学条件和机理,石油大学和现有油田的生产系统。团队进行研究和探索,以弥补的缺点石油和天然气工程相关专业的实践教学,他们相信他们设计和开发井控应急救援机器人系统通过结合虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术、人机交互技术、数据库技术、网络技术和其他技术与石油和天然气行业。这是一个有效的方法来有效地开展实验实践教学的石油和天然气工程相关专业,避免恶劣的环境,大范围,大的投资,风险很高。系统具有较强的实用性,使用虚拟现实技术实现井喷失控后恢复accident-processing过程,这样我们可以让学习者学习知识在虚拟现实场景中(1]。
2。应用系统的
项目开发结果应用于实践和理论的教学钻探和完井工程并成为一个重要的教学资源用于本科教学中石油工程专业。此外,课程等平台提供在线蕴藏Xuetang在线,中国大学蕴藏,Xueyin在线课程选择的总数超过16000门课程。项目的结果也用于教学内容的HSE培训体系三大石油公司和超过2000名学员。
互动”操作网站”由系统用于情感理解构造理论研究对象,内容,和理论应用的地方参与课程,激发学生主动学习的热情和探索通过互动参与的学生,培养创新能力,提高教学和学习效率和效果。主应用程序模式如下:(我)“认知实习”专业类在学习专业课程之前,学生从来没去过工地可以访问“操作网站”,建于使用物理模拟模型,semiphysical仿真模型,或一个完全数字动态模型给予学生全面了解网站的操作环境,主要设备的使用,和主要过程,除此之外通过土地和海洋石油工程工地的地面环境,轴和地下环境的动态虚拟漫游和实时3 d动画,这样学生就可以获得感性理解,理解的地点和目标“学习实践,培养学生的工程意识,为专业理论教学和学习奠定基础(2]。“现场理论”应用程序的过程中,专业的理论教学学生中学到的理论运用到工程系统中。通过这个比喻理论应用实验,培养学生真正消化和掌握他们所学到的知识,提高运用所学知识的能力,理论与实践联系起来,并激发学生进一步探索和扩展相关理论的学习欲望3]。后系统的“生产实习”学习专业理论知识完成后专业理论,数字仿真实验平台可以用来进行全面、系统的实用技能培训毕业设计之前。它弥补不足的“只能有一个有限的观点绝对不碰”等长期的生产实践中不能在钻井层,使钻井网站运营。它还可以弥补这种“管窥豹”的实习缺陷,在有限的时间和有限的地方练习,学生只能理解生产过程的某些方面的主要生产过程没有全面了解整个石油工程领域(4]。国内外实践表明,通过这样的系统,全面,和最新的模拟实践训练,学生从学校毕业后,赶到现场,然后他们可以很快熟悉现场工作在很短的时间内完成学生到企业员工转换和学习理论与现场应用相结合。这种人才正是公司所需要的5]。系统真正恢复井喷失控的过程,使用环境监测机器人实现防网站的评估和收集的外围数据爆裂,使用井口检测机器人实现进口宏观信息的收集,使用整个冷却冷却覆盖机器人进行操作,并使用屏障切割机器人实现井口的清洁和重置。项目的设计已经实现了预期的设计效果,实现虚拟现实技术和教学知识的集成点,并改变原有的单一教学模式(6]。
3所示。系统的设计和开发
系统设计和开发的实现困难的结合程度的实际生产过程和虚拟现实技术。任何工具服务于教学内容。根据教学的需要,开发人员可以掌握虚拟现实的浸渍程度和开发成本在操作的过程中,提出最佳的解决方案。还有的变换提供的交互虚拟现实开发环境和交互所需的实际工程(7]。
3.1。教学设计
3.1.1。教学目标
(一)它可以判断根据提供的数据发生了井喷。(b)它将能够描述的概念以及控制井喷,用他们自己的语言失控井喷灵活的应用程序。(c)它可以分析防网站首先通过科学方法和判断爆裂的原因根据现场调查数据。(d)它可以分类爆裂预防和选择适当的处置计划根据不同的分类情况。(e)它可以知道爆裂的机构设置紧急处置,理解劳动分工,澄清自己的组工作的内容和性质,并完成组工作。(f)它可以满足应急救援的需要团队人员熟练操作各类应急救援设备在紧急情况下通过日常学习和专业培训。(g)可以依法进行紧急治疗过程需求井喷失控的治疗,按照规定处理,以有序的方式。
3.1.2。教学的重点和难点
知识要点包括chapter-related概念:井控、爆裂,失控井喷;什么是防失控的危害;井喷失控的原因是什么;如何防止井喷失控时;防应急处置方法(关键和难点);和防紧急救援队需求(关键点)。
包括应急处理设备的操作技能点(关键和难点)和分析控制的原因(关键和难点)。
3.2。设计理念
虚拟现实设计背后的概念给出失控井喷应急处置如下:收入者亲身体验井喷事故造成的伤害依靠紧急救援机器人系统恢复真正的防过程。防的控制处理过程是完成不同的机器人,让学习者熟悉加工工艺和设备操作的关键。
3.3。设计方案
紧急救援机器人系统适用于高温、高辐射、高有毒气体、高风险环境井喷失控后的救援。它模拟人工应急救援和实现无人自动化和智能全过程在井口附近,以避免人员受伤。图1显示了防网站恢复。
该系统包括环境监测机器人,井口侦察机器人,冷却和覆盖机器人,障碍清除和切割机器人,井口复位机器人,和控制指挥中心。机器人将信息反馈给控制和指挥中心发出的命令,和机器人反应和操作指令。
环境监测机器人由垂直起降固定翼无人机、豆荚、高清摄像机和传感器。天气、风向、道路、场地布局,温度场分布,分布的有毒,有害的,可燃气体都是由无人机使用高清摄像机收集装备。与此同时,上述信息将被传送回然后控制和指挥中心发出指令到井口井口侦察侦察机器人。图2显示了环境监测机器人。
井口侦察机器人由一个高温移动平台、环境检测传感器,红外热成像仪、图像采集系统和数据远程传输系统。井口传回到周围的情况通过井口成像控制指挥中心,以便冷却覆盖机器人和障碍移除和切割机器人和调整位置根据指令。图3显示了井口侦察机器人。
冷却和求职机器人由一个水枪,雪炮,self-spray冷却装置和数据远程传输系统,提高布局和范围的高压水枪和雪炮冷却和稀释的水雾每个机器人根据指令的控制和指挥中心。图4描绘了一个机器人,是冷却和覆盖本身。
障碍移除和切割机器人由一个障碍清理工具,刀具,温度传感器,和数据远程传输系统,调整和障碍移除和切割速度优化根据指令的控制和指挥中心,和屏障去除和削减进度实时反馈给控制中心。
井口复位机器人由一个重置繁荣,螺栓紧固工具,图像采集系统,温度传感器,远程数据传输系统。机器人温度由温度传感器监控,井口的位置是由图像采集,这些都是实时传回的控制指挥中心。此外,它将冷却和提升的新井口根据指令控制中心。图5显示了障碍移除和切割机器人。
控制和指挥中心的信息融合中心是整个救援机器人系统,快速处理系统组成的三维情况,near-wellhead图像处理系统,应急救援大数据系统、多源信息集成和应急指挥系统。它可以接收机器人实时收集的信息,分析数据,并发出特定的指令。
通过人工智能,应急救援机器人系统可以实现井口附近的无人操作,减少应急救援人员的操作风险,避免人员伤亡,井喷失控的快速反应,提高决策的效率,减少事故和社会影响的扩张。
3.4。生产内容
(我)生产系统方案设计我们建立一个系统的计划,定位虚拟现实技术和学科知识的集成点,并检查计划的实用性之前形成一个项目实施计划。(2)系统模型的设计和生产我们根据设计方案草图设计和行为建模工作根据草图。(3)模型优化和材料加工考虑到系统的兼容性,所有模型进行优化,并给出该模型的材料来提高模型的纹理。(iv)动画设计和生产我们需要执行防过程的动画设计和机器人系统。(v)模型和动画EVRC软件系统的集成我们需要模型和动画导入EVRC集成环境的同时优化模型和动画相匹配的软件需求。(vi)虚拟现实交互设计虚拟现实交互设计是通过图形界面的集成环境集成点与VR技术知识。(七)系统发布和调试
我们发布和调试系统HTC万岁和电脑上结束。图6显示了系统开发过程。
4所示。系统的应用效果
经过四次的教学应用,我们使用李克特量表从系统用户随机选择200人问卷调查和问卷评估系统的应用效果三个方面的可用性、功能,和满意度8]。表1显示了学习者的评价系统的应用效果。
“可用性”因素主要调查学习者的困难操作系统包括三个指标。因素的平均值是4.75标准差为0.35,并调查结果表明,用户认为该系统操作十分方便。特定指数分析表明,92%的用户表示系统的人机界面设计符合使用习惯,96%的用户认为操作的学习成本低,和94%的用户认为系统的接口很简单。图7显示了可用性因素。
“功能”的因素主要是调查学习者的评估系统的主要功能包括三个技术指标:现场的程度减少(场景创建和设计),虚拟现实技术和知识集成的程度,和评估测试的答案。根据分析,93%的学习者认为系统可以恢复井喷事故的现场,这样他们可以有现场的经验;89%的学习者认为虚拟现实技术可以结合防rescue-related知识达到生动形象;和90%的学习者认为答案评估测试可以反映他们的学习效果。这个因素的平均值是4.28标准差为0.72。图8显示功能的因素。
“有用性”组件,它包括四个指标,着重于系统的辅助作用,学习者的信息采集。根据调查结果,97%的学习者认为该系统将允许他们关注的学习材料,这是最高的评分项目的调查结果,表明虚拟现实的技术形式更有利于学习者的浓度;88%的学习者认为系统帮助他们提高如果发生井喷事故处理能力;78%的学习者认为反馈的系统满足他们的期望,这是所有调查结果表明的最低分数更聪明的选择需要添加到系统设计,以满足不同学习者的需求;和90%的学习者认为他们再次井喷事故处理流程通过系统的学习。这个因素的平均值是4.51,标准差为0.77。图9显示了有效性的因素。
从整体数据,极端数据出现在“适用性”,表明设计的因素在这部分需要继续进一步提高系统的实用性。从每个因素的平均和标准偏差,“功能”因子得分最低,表明系统的功能设计应考虑更多关于技术和课程内容的集成实现默默地滋润。标准偏差的最大值出现在“有用性”因素表明学习者最大的不同在他们的评价因素。
5。总结
在当前的防紧急治疗部分“钻井与完井工程课程”,的功能“井控应急救援机器人系统”可以解决教学实验和训练的不足,与理论教学有机结合各种技术。这建立石油工程虚拟仿真实验教学平台和各种复杂工作环境下的应急操作技能操作过程中可能发生的更快速,容易,在有限的时间和空间,全面真实的和安全的实验和实际培训过程。克服了模拟实验项目危险环境的问题和困难使实验者能够真正体验到事故过程并没有任何危险和损害采用虚拟实验平台。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了四川省2021 - 2023年高等教育人才培养质量和教学改革项目(批准号。jg2021 - 557和jg2021 - 178);教育部工业大学的合作教育项目(批准号202102070132);andEducational四川高等教育社会的信息化项目(批准号GJXHXXH21-ZD-03)。