基于虚实结合的海洋油气工程仿真平台建设与实践
张洋洋 李成华 郑黎明 徐加放 高永海
摘??????要：?海洋油气工业在我国能源安全中的地位日趋重要，海洋油气生产中的操作复杂、高温、高压、高风险等特点，使得海洋油气工程专业实践教学无法有效贴近生产现场，而简单室内实验环节亦难以完成系统完善的技能培训。为此基于虚实结合方法，开发海洋油气工程仿真平台，该平台将虚拟仿真软件和虚拟仿真操作平台相融合，使学生熟练掌握油气开采、油气处理系统等模块的结构、原理、工艺流程及常规操作等实训环节。在真实海上平台上难以开展的实践教学活动，通过虚实结合仿真平台教学方式成功实现，完成了学生对海洋油气工程工艺环节的有效认知、实践与掌握。
关??键??词：虚实结合;海洋油气工程;仿真平台;实践教学
中图分类号：TE 09???????文献标识码：?A ??????文章編号：?1671-0460（2020）01-0237-04
Construction and Practice of Simulation Platform based on “Virtual
Reality Combination” for Offshore Oil and Gas Engineering
ZHANG Yang-yang1， LI Cheng-hua1， ZHENG Li-ming2， XU Jia-fang1， GAO Yong-hai1
（1. Experimental Teaching Center of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （East China），
Shandong Qingdao 266580，?China;
2. College of Vehicles and Energy ，?Yanshan University，?Hebei Qinhuangdao 066004，?China）
Abstract： The offshore oil and gas industry plays an important role in China's energy security. The offshore oil and gas production has the characteristics of complex operation， high temperature， high pressure and high risk. A systematic technical training for offshore oil and gas engineering students is unable to complete through traditional experimental teaching. It is forbidden to keep close to the production sites without a training and permission. Thereby， a simulation platform for offshore oil and gas engineering was developed based on “virtual reality combination” method. Simulation software and simulation operation platform were combined. Through the platform， the students could master the structure， principle， process flow and normal operation during oil and gas drilling and production. The practical teaching activities， which were difficult to complete on the real offshore platform before， could be realized through the “virtual reality combination” teaching method. Effective cognition to the offshore oil and gas engineering process as well as skill practice was also achieved.
Key words： Virtual reality combination; Offshore oil and gas engineering; Simulation platform; Practical teaching
党的十八大明确提出“建设海洋强国”的战略目标和重大任务，标志着我国经济发展从陆域经济延伸到海洋经济并进入实施阶段。这是我国从国家发展战略的全局高度做出的新戰略选择和决策部署。海洋油气资源作为我国的战略资源，在我国能源安全领域中有着极其重要的地位。海洋油气工业，与传统的石油工程有巨大差别[1-3]。真实海上油气钻采平台具有组成复杂、安全管理严格（上平台需安全5小证）、操作风险高等特点。由于海洋油气开发的特殊性，海洋石油生产中易存在严重的安全风险。海洋石油生产中存在的高温、高压、高风险、高污染、高成本、不可逆生产过程，使得海洋油气工程实验教学无法有效贴近生产现场，难以完成对学习人员系统完善的技能培训，因此目前实践教学环节依靠简单室内实验实践和理论分析，是难以实现学生对海洋油气工程工艺环节的有效认知、实践与掌握[4]。
虚拟仿真作为可模拟现实场景的重要手段，可操作性强、安全、高效，可有效应用至复杂环节实践教学过程中[5-7]。在高校推动虚拟仿真教学的良好背景下，建立海洋油气工程虚拟仿真实践环节，有利于海洋油气工程专业学生以及相关初学技术人员了解掌握生产环节、实际设备组成等，推动专业人才的合格培养。
1 ?海洋油气工程仿真平台建设
海洋油气工程工艺原理、设计、实施是海洋油气工程等相关专业学生必须掌握的关键环节。为满足海洋油气工程、石油工程等专业本科生的实习、实践环节需要，原有教学过程主要通过学生观看相关视频、观摩钻井平台模型等方式进行，教学设备较为简陋，教学方法较为单一，这种方式的教学效果不突出不明显，学生缺乏学习兴趣，难以对具体生产环节形成直观理解。
为进一步加深学生对海洋油气工艺的理解，中国石油大学（华东）石油工程学院开发了海洋油气工程仿真平台作为海洋油气工程等专业实践环节的重要实现手段。
该仿真平台开设海洋油气工程各主要工艺过程的认知及实践，能够生动直观地展现钻采设备的结构和海洋油气工程的工作过程，加深学生对海洋油气工程设备复杂结构、工作原理的认知程度，提高学生专业兴趣，有效调动学生学习海洋油气工程课程的积极性。
海洋油气工程仿真平台以第五代以上半潜式钻井平台为建模依据，可满足1 500 m深水海洋油气钻采要求，以三维交互的形式与学生形成互动，通过虚拟现实软件平台和虚拟现实仿真设备相结合的形式，使得真实海上钻采平台上难以实施的实践教学活动通过虚拟仿真教学方式顺利实现。图1是海洋油气工程仿真平台实验室实景图。
通过海洋油气工程仿真平台，可有效开展如下实践教学内容：
（1）?司钻仿真操作：仿真司钻操作顶驱，仿真副司钻操作排管机、铁钻工和监控画面（自动）补偿系统。
（2）?井控仿真操作：钻进过程仿真、关井仿真、压井仿真。
（3）?海洋设备认知及演示：平台漫游、海上钻井关键技术动画演示、海洋油气开采模块设备认知、油气水处理系统模型演示、海底管道铺设。
（4）?漫游钻井平台安全逃生模块，加强安全培训，熟悉平台逃生路径，掌握平台逃生技巧。
2海洋油气工程仿真平台实践教学理念
海洋油气工程仿真平台依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的海洋油气虚拟环境和实践对象，学生在虚拟环境中开展海洋油气工程实践训练，从而达到教学大纲要求的教学效果[8-11]。
2.1 ?海洋油气工程仿真平台教学实施过程
海洋油气工程仿真平台完整的教学实施过程如图2所示，具体包括：①实验教师在课堂讲解接钻杆、卸钻杆和上扣、卸扣等实践过程;②学生在大屏幕实时观察深水油气钻进过程;③观察中同时操作海洋平台起下钻模拟器等仿真设备（图3是学生在海洋油气工程仿真平台上VR体验钻井平台安全逃生）。
实践环节完全在虚拟环境中进行，在虚拟环境中可观察到关键设备的内部形态和运动流程，从而加深学生的印象，提升实训效果。
学生通过实际操作，可熟练掌握副司钻排管机接钻杆、卸钻杆和司钻用铁钻工上扣、卸扣的全过程。这种可交互式的操作体验，极大提升了学生的动手操作能力。通过身临其境的上手操作环节，课本上的内容以3D可视化的方式展示出来，达到将海洋油气知识点融会贯通的目的
2.2 ?新教学理念和思路探索
在落实“以学生为中心”的教育思想[12-16]同时，通过仿真平台建设与实践充分调动学生的主体性，注重尊重学生的差异性，强调知识学习与实际应用的有机结合，培养学生的学习能力和研究意识。在海洋油气工程实训实践等教学方面逐渐探索出了新的教学理念和思路：
（1）?按照以学生为中心、以产出为导向的新工科工程教育理念，通过半实物与虚拟现实虚实结合的方式，培养学生解决复杂工程问题的能力。
（2）?仿真现实设备危险性较大、无法安全开展的场景，通过设备认知、原理学习、数据交互、现场模拟操作等实践环节进行展示。
（3）?通过模块化、层次化、难度适宜的原创性实践模块，让学生适应多任务、多成员间、多角色的切换与任务协同。
3海洋油气工程仿真平台实践教学意义
3.1 ?教学方法改进
顺应了现代信息技术的发展，加强实践教学信息化建设，将理论教学与信息化实践教学相协同、科学原理与工程应用相结合，推动实践教育变革与创新，构建网络化、数字化、信息化的实践教育体系，培养海洋油气工业创新人才。
实行“前展后拓”的实践教学模式。学生自己预习，自主设计实践方案。利用多元化的教学形式，运用所学知识思索实践过程中出现的问题，探求问题背后原理，寻求问题解决的多元化方法。
有效落实“以学生为中心”的教育理念，实践教学以人为本，兼顾普适性与个性，允许学生有选择性地实践，进行自主式、合作式、探究式学习。
3.2 ?授课满意度提升
仿真平台建设实践应用后学生满意度达到93%以上，学习兴趣大大提高，知识巩固程度得到加强，仿真实践教学前后效果对比如下表1所示。
3.3 ?传统教学的延伸与拓展
以“互联网+”为技术驱动，实现线上Web端虚拟系统仿真资源共享、线下半实物系统仿真资源开放，是对传统海洋油气工程实践教学的延伸与拓展。依托该仿真平台开设海洋油气工程各主要工艺过程的认识及设计实践，能够克服油气现场生产对实习实训带来的诸多不利影响，目前已经实现了海洋油气钻采过程全覆盖，海洋平台实践操作功能全覆盖，VR体验功能全覆盖;提升了海洋油气工程仿真平台操作体验，提高了虚拟仿真的真实性和可操作性，使其更加贴近海洋油气钻采实际过程。
3.4 ?海洋油气工程仿真平台建设的开放共享
仿真平台支持线上共享和线下开放实践，今后会不断丰富海洋油气工程仿真平台的各项功能，加快网站建设与优化，不断优化实践教学功能，持续向社会提供教学服务。包括面向各中小学生的参观演示体验，面向国内石油高校与业内企业进行资源对接与培训实习，面向“一带一路”沿线国家进行资源共享与开放服务。
3.5 ?指导课程教学改革方向
依托国家级重点学科、国家“双一流”建设学科、国家级特色专业—石油与天然气工程和国家级实验教学示范中心—石油工程实验教学中心而开发的海洋油气工程仿真平台，以海洋油气工程行业需求为指引，贯彻OBE教学理念，提升了实践课授课专业性和规范性。
虚拟仿真实践教学，说明了在课程网络申请与管理维护、实践课程新内容拓展、实践教学与理论教学等环节互补的重要性。由理论化知识拓展至实践认知，进一步加强了实践操作规范化、灵活化教学，最终构建了从知识接收到知识运用、能力提高的实践教学体系。
4 ?结?论
通过搭建海洋油气工程仿真平台，实施虚拟实践教学内容，塑造了具有浸润感的虚拟环境，可满足学生身临其境的体验、真实全面的操作等多重需求，达到海洋油气实际生产与理论实践的高度融合。
海洋油气工程仿真平台的应用，为学生掌握海洋油气工艺相关设备原理，研究设备与工作面匹配关系、设备间协作工作和性能匹配等方面提供了技术支撑。目前仿真平台在提高海洋油气工程实践教学水平、整合相关教学资源、激发学生兴趣、探索新的教学理念方面均取得一定成效。
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