Установка нефтепереработки в цифровом формате в виртуальной реальности

Данис Смаков, инженер кафедры технологических машин и оборудования
ФГБОУ ВО УГНТУ

Вадим Фанаков, аспирант кафедры технологических машин и оборудования
ФГБОУ ВО УГНТУ

Карина Чаржова, магистрант кафедры технологических машин и оборудования
ФГБОУ ВО УГНТУ

Виртуальная реальность как симуляция полного погружения выходит за границы только развлекательного контента и завоевывает производственную сферу и образование. Проектирование объектов промышленных установок развивается в том числе в сторону создания различного рода тренажеров, позволяющих проводить обучение и аттестацию персонала наиболее безопасным способом. В статье представлен алгоритм создания виртуальной симуляции присутствия на технологической установке нефтепереработки. Описаны сложности экспорта моделей из программ CAD-проектирования, которые широко используются инженерами-конструкторами. Предложен вариант конвертации моделей с учетом конфликта представления графики в различных пакетах и возможных способов адаптации моделей с целью их упрощения и снижения полигональности для облегчения финального продукта, адаптированного под использование в шлемах виртуальной реальности.

Современное проектирование не ограничивается только производством конструкторской документации, но требует от специалиста компетенций трансформации, адаптации и экспорта создаваемых 3D­моделей с глубоким пониманием принципов графического построения моделей в различных CAD­программах.

Развивающиеся технологии смежных областей оказывают влияние друг на друга. Таким образом, технология виртуальной реальности, которая стартовала как развлекательный контент, начала проникать и доказывать свою востребованность и в промышленной отрасли. Строительство, дизайн и архитектура первыми применили технологии VR в своей профессиональной сфере, поскольку эффект полного погружения самым лучшим образом презентует проект заказчику еще на стадии проектирования. Виртуальная реальность — симуляция присутствия, которая становится все более доступной и популярной, завоевывает производственную сферу и образование. Сегодня область применения шлемов виртуальной реальности — это не только игровые приложения и просмотр фильмов, но и видеоконференц­связь, и виртуальные экскурсии. Что касается отрасли строительства технологических установок, то и здесь очевидна польза внедрения подобных технологий. Используя симуляционный тренажер, можно оценить степень проработанности конструкций, удобство обслуживания аппаратов, обеспечение требований безопасности. Поэтому технологические объекты, в том числе в нефтегазовой отрасли, также обратились к технологии VR. Актуальность применения этой технологии для опасных производственных объектов не оставляет сомнений. Наряду с симуляцией присутствия виртуальные тренажеры открывают множество других возможностей их использования. При достаточной степени проработанности проект позволяет провести экспертную оценку по обеспечению требований безопасности. Более продвинутым решением является создание цифровых тренажеров, позволяющих имитировать какой­то запланированный сценарий и отработать действия персонала по ответу на событие. Для действующего объекта возможно создание VR­тренажера, позволяющего имитировать различные ситуации — как типовые, так и нештатные, и тем самым проводить обучение и аттестацию персонала перед допуском его к работе на объекте. Таким образом, симуляторы виртуальной реальности могут использоваться в процессе обучения сотрудников на производстве, а также для отработки действий в экстренных ситуациях без угрозы оборудованию и жизни человека, что повышает безопасность производства и квалификацию рабочего персонала.

Проектирование технологических установок с применением технологий виртуальной реальности является сегодня актуальной и востребованной задачей, для решения которой специалистов пока недостаточно. В связи с этим весьма актуальным представляется внедрение в образовательный процесс дисциплин по созданию подобных тренажеров [1].

Материал работы [1] посвящен алгоритму создания цифровой модели и описывает сложности и пути их решения, с которыми могут столкнуться пользователи.

Объекты промышленных установок — это технические устройства: технологические машины и аппараты, металлоконструкции, трубопроводы и их элементы, которые проектируются в специализированных CAD­программах, таких как КОМПАС или AutoCAD. Применение именно специализированных CAD­программ обоснованно, поскольку большинство элементов аппаратов и трубопроводов — это стандартные элементы, модели и чертежи которых имеются в специальных библиотеках данных программ.

Проектные организации зачастую предлагают заказчикам не только комплексное проектирование установок с созданием конструкций аппаратов, но и размещение их на площадке с проектированием металлоконструкций и трубопроводов. При этом каждая компания предоставляет свое уникальное технологическое решение для того или иного процесса. В университете при подготовке специалистов комплексное проектирование установок удобно реализовывать, создавая типовые установки, технология которых изучается в образовательном процессе. При этом у университета есть неоспоримое преимущество — создавать пилотные проекты, применяя различные инновации. Поэтому первые виртуальные симуляции промышленных объектов зачастую являются объектами студенческих проектов [2].

Компьютерные тренажеры и виртуальные симуляции создаются сегодня в программах, не являющихся программами CAD­моделирования. В данной работе использована платформа UNITY, которая не может напрямую использовать модели и элементы, созданные в программе КОМПАС 3D, ввиду того, что алгоритмы и методы построения моделей в программах различны. Строить же технологические объекты в программах, подобных UNITY, нецелесообразно. Достаточно трудоемко собирать общую 3D­модель установки даже с использованием специализированных программ, библиотек и настроек, и уж тем более трудоемкость значительно возрастает, если конструктору придется самостоятельно отрисовывать все элементы методами компьютерной графики по принципу мультипликации. Цель данной работы — разработка алгоритма экспорта 3D­моделей и создание VR­симуляции.

Командой студентов создано уже более семи технологических установок, по которым пользователь шлема виртуальной реальности может передвигаться, подниматься на высоту, производить замеры объектов, но в материале данной статьи представлена информация по созданию установки гидроочистки дизельных топлив. Данная установка является достаточно распространенной в нефтепереработке, а для подготовки модели был использован типовой регламент установки ЛЧ­24­2000. Созданная CAD­модель установки гидроочистки, состоящая из более чем 20 аппаратов, соединенных трубопроводами, с выполненными металлоконструкциями, проездами и зданиями, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Общая 3D-модель установки гидроочистки

Программирование сцены виртуальной реальности будет производиться в UNITY, для которого необходимы полигональные модели. CAD­программы имеют другой механизм отображения графики. В этом и заключается основной конфликт программных продуктов и затруднение пользователей. В индустрии САПР имеется формат STEP, который читается всеми графическими редакторами и позволяет легко делиться моделями между пользователями. Причем модель в формате STEP уже является полигональной, поэтому первым шагом сохраняем полученную сборку всю целиком в формате *.stp. При создании виртуальной реальности необходимо заранее представлять те задачи, которые потребуется решать, — от этого зависит степень проработанности исходной CAD­модели. Следует помнить, что все элементы модели несут информацию, и если в тренажере не требуется взаимодействовать с каким­либо элементом или его не видно, то такие элементы можно моделировать условно или совсем их удалить. Поскольку по техническому заданию на «прогулку» не предполагалась разборка аппаратов и проникновение внутрь, исходная модель не содержала внутренние устройства и крепежные элементы.

Сохраненный файл с расширением *.stp необходимо через промежуточную программу пересохранить в расширение, файлы которого принимает UNITY, например *.fbx. Для этого в том числе подходит программа BLENDER, однако в таком случае возникают проблемы с полигональностью, качеством отображения и деревом построения моделей. Поэтому дополнительно была выбрана программа MOI3D, предназначенная для конвертации файла формата *.stp. Программа MOI3D позволяет конвертировать CAD­модели в гибко редактируемые полигональные модели, в которых сохраняется иерархия, аналогичная КОМПАСу, есть возможность регулировать (максимально снижать) полигональность, а также можно легко редактировать саму модель и удалять те или иные элементы. После обработки в MOI3D модель экспортируется в BLENDER. Промежуточная «остановка» модели в BLENDER необходима для настройки масштабов объектов модели, так как при экспорте теряется информация о единицах измерения, и построенная изначально в CAD­программах модель оказывается при загрузке в UNITY в 1000 раз больше реальных размеров. Также программа BLENDER требуется для сглаживания модели, что позволяет низкополигональную модель визуально видеть все­таки достаточно гладкой, максимально приближенной к ее реальному внешнему виду, привычному для обычного зрителя. Еще одна проблема перевода CAD­модели в полигональную, которая решается в BLENDER, — это появление большого количества внутренних полигонов, образующихся на поверхностях внутренних стенок. Внутренние полигоны необоснованно увеличивают «вес» всей модели, поэтому желательно потратить время на удаление ненужных поверхностей. Теперь модель готова к загрузке в программу UNITY — из программы BLENDER это можно сделать с расширением файла *.blend [3].

Тренажер виртуальной реальности должен нести информационную нагрузку и решать определенные задачи, которые требуется сформулировать еще на этапе создания 3D­модели. Сценарий действий и требования к взаимодействию с элементами определяют не только качество проработки элементов модели, но и набор скриптов (программных кодов), отвечающих за то или иное событие.

Подготовленная модель загружается в программный пакет создания тренажеров виртуальной реальности. Далее требуется работа по настройке сцены и наложению различных программных кодов, поскольку все модели, загружаемые в UNITY, — это всего лишь графика, а значит, они не являются непроницаемыми. Факт непроницаемости при столкновении с предметом возникает при наложении коллайдеров (ограничивающих рамок). В программе UNITY существует уже достаточно много готовых решений тех или иных действий, в виде ассетов (различных ресурсов), доступных для скачивания. Самым простым для настройки сцены является установка источника света и камеры. Установка камеры определяет, как пользователь приложения будет видеть модель. Для использования сцены как приложения виртуальной реальности требуется дополнительно добавить плагин SteamVR. Это позволит подключить гарнитуру: очки и контроллеры. Дополнительно необходимо программное приложение самих очков — в данной работе использовались очки OCULUS. В рамках плагина SteamVR заменили MainCamera на префаб Player, что позволяет использовать камеры как глаз аватара. Для перемещения с помощью кнопок на контроллере были добавлены префабы TeleportPoint или TeleportArea на сцену. Подключив VR­очки к компьютеру через USB­провод и нажав Play в приложении UNITY, уже можно наблюдать созданную установку в виртуальном мире [4].

Далее в зависимости от сценария и задач необходимо создавать элементы, например инструменты для взаимодействия с объектами, которые пользователь будет брать «в руки», или карточки заданий и подсказок для выполнения аватаром в приложении. Звуковые эффекты, световые индикаторы, цвет и фактура поверхностей, гравитация и много другое — все это отдельно накладываемые элементы в среде программирования. Последовательность действий, их повторяемость и взаимосвязь — это также пишется программистом в соответствии с разработанным сценарием. Установка гидроочистки на сцене виртуальной реальности представлена на рис. 2.

Рис. 2. Сцена установки нефтепереработки в виртуальной реальности

Опыт презентации подобных проектов представителям промышленных компаний показывает растущий спрос на создание цифровых тренажеров, а следовательно, актуальность подготовки специалистов на стыке специальностей: профильных специалистов в той или иной отрасли с набором цифровых компетенций.

Проектирование технологических объектов, как и многие другие процессы на производстве, претерпевает изменения в условиях востребованных задач цифровизации. Работа инженера­конструктора в настоящее время не ограничивается только разработкой конструкторской документации, но и требует от специалиста навыков создания 3D­моделей, а также их демонстрации наиболее информативным способом. Виртуальная реальность самым лучшим образом подходит для этих целей, поскольку конечный пользователь максимально погружен в ситуацию. Использование виртуальных тренажеров — это возможность не только проверить знание объекта, но и получить навык реагирования на ситуацию, применив мышечный отклик, произведя то или иное действие. В связи с этим появляются широкие возможности обучения и аттестации персонала максимально безопасным способом. Поэтому современный инженер — это инженер, в том числе, со знанием языков программирования.

Список использованной литературы:

1. Кулаков П.А. Цифровой завод — траектория проектно­ориентированного обучения / П.А. Кулаков, Е.Ю. Туманова // Инженерное образование в контексте будущих промышленных революций. СИНЕРГИЯ­2020: Сборник научных статей международной сетевой научно­практической конференции, Казань, 03 сентября — 04 декабря 2020 года / Под редакцией В.В. Кондратьева; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Казанский национальный исследовательский технологический университет. Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2020. С. 141­148. EDN TXEDTP.
2. Строкина У.Ю. Создание цифровой установки нефтегазопереработки в студенческом командном проекте / У.Ю. Строкина, Е.Ю. Туманова // Актуальные проблемы науки и техники — 2022: Материалы XV Международной научно­практической конференции молодых ученых и специалистов, Уфа, 28 марта — 01 мая 2022 года. Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2022. С. 183­185. EDN SCDDRO.
3. Желудков Д.М. Подготовка CAD­моделей технологических установок к созданию цифровых тренажеров / Д.М. Желудков, В.С. Фанаков, Е.Ю. Туманова // Актуальные проблемы науки и техники — 2022: Материалы XV Международной научно­практической конференции молодых ученых и специалистов, Уфа, 28 марта — 01 мая 2022 года. Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2022. С. 142­143. EDN LAXEKZ.
4. Чаржова К.Ю. Создание тренажера виртуальной реальности CAD­моделей технологических установок / К.Ю. Чаржова, В.С. Фанаков, Е.Ю. Туманова // Актуальные проблемы науки и техники — 2022: Материалы XV Международной научно­практической конференции молодых ученых и специалистов, Уфа, 28 марта — 01 мая 2022 года. Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2022. С. 149­151. EDN NFSTNF.