Анализ возможности применения технологии 3d визуализации при разработке тренажера для учебно-технических центров нефтегазовой отрасли

Суть проблемы исследования заключается в противоречии между необходимостью передачи практических навыков обучающимся по программам профессиональной переподготовки в учебно-технических центрах нефтегазовой отрасли и невозможностью передачи таких навыков без практических занятий в условиях промысла, воссоздание которых в рамках учебного процесса не представляется возможным.

В данной статье рассмотрены актуальность проблемы, существующие методы её решения и авторские видение варианта её решения, заключающееся в разработке тренажера, основанного на технологии 3D моделирования.

Проблема поиска возможных вариантов передачи практических навыков обучающимся в учебно-технических центрах нефтегазовой отрасли без прохождения практических занятий в полевых условиях посредством использования 3D визуализации технологических процессов является актуальной в настоящее время, это подтверждает ряд нормативных документов.

Так, например, целью Федеральной целевой программы развития образо­вания на 2016 – 2020 годы, утвержденной постановлением Правительства Россий­ской Федерации от 23 мая 2015 г. № 497, является создание условий для эффек­тивного развития российского образования, направленного на обеспечение доступ­ности качественного образования, отвечающего требо­ваниям современного инновационного социально ориентированного развития Российской Федерации [1].

Кроме того, примером нормативного документа, доказывающего актуаль­ность и общественную значимость выбранного мной направления, может служить Указ Президента Российской Федерации от 9 мая 2017 г. № 203 "О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы". Настоящая Стратегия определяет цели, задачи и меры по реализации внутренней и внешней политики Российской Федерации в сфере применения информационных и коммуникационных технологий, направленные на развитие информационного общества, формирование национальной цифровой экономики, обеспечение национальных интересов и реализацию стратегических национальных приоритетов [2].

Как отмечают авторы научных трудов по данному вопросу, решение проблемы компенсирования недостающих практических навыков у обучаю­щихся видится специалистам учебно-технологических центров и нефтяных компаний в разработке и использовании автоматизированных тренажерно-обучающих систем.

Тренажеры в современном понимании появились, когда возникла необхо­димость массовой подготовки специалистов для работы на однотипном оборудовании, эксплуатация которого связана с риском для жизни, что характерно для индустрии добычи нефти. Тренажерные системы – это сложные комплексы, системы моделирования, компьютерные программы и физические модели, специальные методики, создаваемые для подготовки квалифициро­ванных кадров, готовых к принятию верных и быстрых решений в штатных и аварийных ситуациях.

В общем случае тренажер представляет собой программно-аппаратный комплекс, имеющий структуру, представленную на рисунке.

Рисунок 1. Структура тренажера

Компьютер моделирования связан с интерфейсом оператора через систему ввода-вывода. Интерфейс оператора может состоять как из панелей управления и контроля, так и видеотерминалов и распределенной системы управления. В большинстве случаев физические свойства интерфейса оператора точно или в максимально приближенной степени соответствуют конкретному модели­руемому процессу. Программные модели, используемые в имитационном компьютере, реалистично отображают взаимодействие компонентов и систем моделируемого процесса. Интерфейс оператора позволяет обучающемуся манипулировать органами управления способом, приближенным или идентичным используемому в реальном процессе. Интерфейс инструктора позволяет управлять работой тренажера, выбирать сценарий тренировки и начальное состояние имитируемого процесса, вводя сбои моделируемого процесса или его компонентов либо изменяя внешние факторы. Периферийное оборудование включает в себя принтеры, панели аварийной сигнализации и любое другое оборудование, необходимое для повышения реалистичности моделируемой окружающей обстановки или документирования процесса тренировки [3].

Отечественными учеными и инженерами создан тренажер по эксплуатации нефтяных скважин, оборудованных установкой электроцентробежных насосов «ТЭС-К-УЭЦН», разработанный ООО “ЦСМРнефть” при Академии наук Республики Татарстан (АН РТ).

Над созданием тренажера для персонала скважин, оборудованных УЭЦН, ученые работали с 2004г. Тренажер имеет несколько вариантов исполнения от компьютерного (ТЭС-К) и планшетного (ТЭС-П), размещаемых на столе, до натурального (ТЭС), когда в качестве макетов используется фактически реальное промысловое оборудование размещенное на устье скважин [4].

Проанализировав информацию о продажах компании ООО “ЦСМРнефть” с её официального сайта, можно сделать вывод о том, что предлагаемые решения не получили широкого распространения. За все время был продан и установлен 1 тренажер ТЭС-П, 7 – ТЭС и 55 лицензий на ПО ТЭС-К [5].

Таким образом, проблема передачи практических навыков обучающимся учебных центров остается нерешенной, так как подобные тренажеры присутствуют лишь в небольшом количестве учебных заведений России.

Автором статьи предлагается решение, заключающееся в разработке бесплатного, свободно распространяемого универсального программного тренажера, основанного на применении технологии 3D визуализации.

Идеи автора разделяют многие современные деятели науки. Так, например, в своей диссертации на тему «Система 3D-моделирования, ориентированная для использования в тренажерах» кандидат технических наук Привалова Д.В. проводит исследование, показывающее необходимость разработки тренажеров с использованием интерактивной ЗD-графики для сокращения ошибок во время технологического процесса по вине обслуживающего персонала. В работе было показано, что 3D-компьютерная графика и, в частности, виртуальная реальность играют особо важную роль в тренажеростроении и в других сферах деятельности человека; были исследованы существующие в настоящее время инструментальные средства разработки виртуальных сред: язык моделирования виртуальной реальности VRML, графическая библиотека Open GL, пакеты 3D-моделирования и т. Д [6].

Подкосова Я.Г., Варламов О.О., Остроух А.В., Краснянский М.Н. в статье «Анализ перспектив использования технологий виртуальной реальности в дистанционном обучении» проанализировали возможности использования технологий виртуальной реальности и интерактивной 3D визуализации в дистанционном обучении, изучили положительные эффекты такого применения, привели примеры разработок в данной области. Также, авторами были описаны возможности применения данной технологии в системе российского образования [7].

Как отмечается в различных работах по данной тематике, одной из важнейших задач при проектировании программного тренажера является выбор пакета для создания 3D моделей.

В ходе разработки тренажера будет необходимо визуализировать большое количество узлов, механизмов и деталей, находящихся на кустовой площадке нефтегазодобывающего управления. К ним относятся: фонтанная арматура, контрольно-измерительные приборы, автомобильный транспорт, выкидные линии и трубопроводы, автоматические групповые замерные установки, различный ручной инструмент и другое.

Для реализации замысла исследования существует большое множество программных продуктов 3D моделирования, например, 3Ds max, Blender, КОМПАС-3D, SweetHome 3D, SketchUp, AutodeskMaya, Blender, Wings3d и др, днако для выполнения поставленных задач программное обеспечение должно отвечать ряду требований:

1. Быть легким в освоении;

2. Иметь бесплатную лицензию;

3. Иметь русифицированную версию;

4. Системные требования должны соответствовать располагаемому аппаратному обеспечению;

5. Ориентированность на отрасль машиностроения;

6. Наличие библиотек стандартных изделий машиностроения;

7. Высокая документированность.

Рассмотрев некоторые из перечисленных ранее 3D редакторы в контексте выдвинутых требований (Таблица), можно сделать вывод о том, что из представленных программ, практически все пакеты имеют возможность бесплатного использования в рамках учебного процесса. Просты в освоении и имеют русификацию из них SketchUp, Blender, SweetHome 3D, КОМПАС-3D. Однако только КОМПАС-3D ориентирован на отрасль машиностроения и имеет большой набор библиотек стандартных изделий.

Таблица 1.

Сравнительный анализ 3D пакетов

Итак, можно сделать вывод, что для реализации поставленных задач наилучшим выбором программного обеспечения станет КОМПАС-3D.

В ходе работы, изложенной в статье, была доказана актуальность поднимаемой проблемы, представлены существующие методы её решения и авторские видение варианта её решения, подкрепленное результатами уже проведенных исследований в данной области; также на основании ряда критериев был выбран наиболее подходящий программный 3D пакет для создания 3D тренажера. Следующим шагом в исследовании станет создание необходимых визуальных моделей и прототипирование оболочки тренажера.