石油抽油机安装培训虚拟仿真系统以塔架式抽油机为研究对象，充分利用三维建模技术与虚拟仿真技术，在计算机中高度仿真真实的安装场景，在虚拟环境中通过结构展示、视频教学、仿真实操和理论考核等方式，大大提高了培训效率，可有效克服课堂教学枯燥乏味，同时避免了真机实操带来的安全隐患，有效规范安装操作行为。

1. 石油抽油机安装培训虚拟仿真系统功能

石油抽油机安装培训虚拟仿真系统主要由结构展示、视频教学、虚拟仿真实操和理论考核四大模块组成。

1.1 结构展示

在结构展示部分，学员可以从任意视角观察抽油机三维模型，了解抽油机组成和各部分形状，为进一步学习奠定基础。

1.2 视频教学

在视频教学部分，学员可以观看视频教学动画，来进一步了解抽油机安装流程和相关细节，通过三维动画还原现场实际安装过程并配以讲解如亲临现场。

1.3 虚拟仿真实操

在虚拟仿真实操部分，学员用来实现与抽油机虚拟交互，模拟练习安装，为规范安装操作系统会提供操作步骤，并根据操作结果对错决定是否进人下一步。

1.4 理论考核

在理论考核部分，学员通过答题检查自身理论水平，为教员掌握学员真实水平提供一个平台，为此需要开发考试系统，同时具备用户管理、题库管理、自动评分和成绩查询等功能。

2. 石油抽油机安装培训虚拟仿真系统系统开发

石油抽油机安装培训虚拟仿真系统系统的开发流程主要涵盖：材料收集、三维建模、三维动画、虚拟仿真实现以及系统测试等步骤。首先通过现场拍照和搜索引擎等多种方式收集设备外形、安装方式、抽油机安装规范和考试试题等相关资料，并根据设备外观特征和动作特性，确定模型创建次序以及要实现的动作；然后采用3ds Max三维建模软件创建抽油机安装虚拟场景三维模型，利用Premiere视频编辑软件合成视频动画，利用Microsoft Visual Studio工具开发理论考试系统，最后通过Unity 3D三维引擎软件完成虚拟仿真系统开发。

2.1 三维建模

三维模型是虚拟仿真系统开发的基础，模型的好坏直接影响虚拟场景的真实度。要想模拟抽油机安装过程，首先要建立水泥基础、塔架、上平台、配重箱和电控箱等相关的三维模型。石油抽油机安装培训虚拟仿真系统采用的建模软件是3ds Max，三维建模的方法很多如多边形建模、面片建模、NURBS建模等方法，由于多边形建模简便快捷而且能够表现细节，因此在三维模型创建中主要采用多边形建模方法。

为了提高模型的逼真度，首先需要到现场拍照，搜集抽油机外形照片和结构原理图。然后依据这些照片在3dsMax中创建三维模型，基本模型创建好以后需要为模型添加材质、纹理贴图，设置灯光参数。最后将模型渲染输出所需要的图片为设计UI和制作三维动画做准备，将模型保存为．max格式文件为进一步在Unity 3D中创建虚拟场景提供素材。以塔架为例，为了匹配场景预设提高工作效率，需要先进行单位设置。首先在场景中创建一个长方体，设置长、宽、高参数。接下来复制长方体并沿X轴平移一定的距离，两个长方体作为塔架垂直方向上最近的支架，然后将长方体复制后水平旋转90。调整尺寸后对齐。将水平长方体阵列，选中对象在编辑菜单下方选中阵列在其对话框中设置沿轴方向向下平移一定的距离数量为4，接着选中最高处的水平长方体复制后旋转合适的角度保证两端作为小长方形的对角线，然后将其阵列平移距离与上面一样数量为4，这样便可以得到支架的一部分。在三维场景中将该部分通过组命令将它们合并为一个组，对这个组对象使用镜像工具便可以得到关于轴对称塔架的一个面。将上面做好的面复制后沿y轴方向平移一定距离得到支架的另外一个面。同理，可以得到支架的另外两个面。支架表面为了防锈一般都会刷层漆，因此选择虫漆作为材质。首先将材质拖放到材质球上，然后将材质赋予支架，并在场景中显示。为了创建具有将三维场景转化为真实感的图像和方便制作三维动画，需要对三维模型渲染。

建模过程中掌握一定的技巧，可以提高建模的效率，改善建模的效果。例如，分析仿真对象，注意多使用阵列和镜像工具特别是对于对称的物体，这样可以大大提高建模的效率；建模过程中需要注意尽量减少模型的面数以及删除看不见的面，这样可以减轻硬件的负担和系统开发的时间，降低成本；注意及时保存文件，防止突然断电、死机等原因而导致文件丢失。

2.2 三维动画

为增加系统交互性和实用性，采用Premiere制作视频教学动画。在制作三维动画前，需要根据抽油机安装流程制作文字脚本，并在Adobe Photoshop中制作视频动画的字幕。

首先，新建空白画布，设置画布大小为1 280×720。为了定位字幕的位置、文字的大小和颜色需要在画布底部画为45cm×3cm的矩形框并填充为紫色作为字幕背景，文字颜色为白色。然后新建图层将文字脚本复制到紫色区域将图层命名为1。注意调整字体的颜色、字型和字号，以便在制作出的三维动画美观。在字幕制作过程中，注意调整文字的位置放到紫色区域的正中间，注意断句字幕末尾无标点符号。将每一段文字所在图层放到同一组中，这样便于后期对字幕修改。最后制作好字幕后保存为命名为字幕，格式为．psd。另外用普通话朗读文字脚本通过手机或其他录音设备录音，将文字转化为音频以便制作动画时使用。

素材资料搜集整理制作好后，即可进行视频编辑。首先打开软件后在“新建项目”对话框中设置文件位置为桌面和文件名称命名为视频动画。文件的保存要放到易于查找的地方，文件命名应简洁与内容相关。然后将素材导入项目。不同类型的文件放到不同的文件夹，如音频、图片、字幕等，这样便于在视频编辑时查找和使用。最后，编辑视频合成三维动画。在编辑三维动画时，要注意字幕、音频和视频动画三者要保持一致防止发生错乱，造成视频、声音、和字幕节拍不同。合成导出动画时，选择逐行扫描，输出格式为．avi，便于接下来在Unity 3D中使用。

2.3 虚拟仿真实现

在3ds Max建立的模型是静态的，要想模拟抽油机安装实现交互功能，需要为模型添加脚本赋予模型动作特性。

2.3.1 结构展示

结构展示是将三维模型放置在场中，通过鼠标来实现对三维模型的放大、缩小、旋转操作以便观察三维模型细节。在Unity 3D场景中，实现三维模型放大、缩小和旋转操作是通过改变摄像机与模型的相对位置来实现。在Unity 3D中，采用C#语言编写脚本判断鼠标滚轴的旋转方向以及旋转的圈数，以便让摄像机拉近和拉长与抽油机三维模型的距离，另外应采用BoxCollider碰撞检测器，防止摄像机缩放中穿越抽油机内部与实际不符。

2.3.2 视频动画

视频动画是指在主界面单击视频教学按钮时即可进入视频播放主界面实现视频的播放、暂停和退出功能。首先将制作好的三维动画，以文件的形式导入Project，导入后会自动生成对应的电影纹理。视频一般包含音频，导入后音频会自动生成audio文件。然后在Hierarchy窗口中新建一个Plane对象，将视频附加在Plane对象上播放，在窗口中新建一个Directional light光源用于点亮整个视频场景；最后创建主摄像机对准Plane对象，这样在Game窗口中就能观看到视频的播放。使用对象附加的方法是为电影纹理(Mov Texture)对象赋值，那么在脚本中直接可以使用。

在控制程序中首先定义MovieTexture数组和一个AudioClip数组来存储当前的视频和音频资源，并在“Inspector”面板中拖动视频文件和音频文件数组赋予初值。然后通过采用GetComponent函数获取变量的控制权，控制视频的播放和停止，具体逻辑为：当按下空格键(Jump)时，如果视频正在播放则停止，反之则播放。

2.3.3 虚拟仿真实操

虚拟仿真实操是模拟抽油机安装过程，通过规范化操作来提高实际操作的规范性，减少误操作对设备的损害。在Unity 3D中为用户提供一个设备选择菜单，点击设备选中后拖放到指定的位置，设置相应的距离参数实现虚拟安装功能。在用户鼠标单击设备选中时，设备颜色将发生变化以便与其他的设备和选中前后进行区分口“。选中放置位置设置好参数确定后，系统实现动作需要缓冲时间，在该段时间内可以通过加载相应安装三维动画视频让动作更加的流畅，增强视觉效果。

2.3.4 考试系统

在理论考核部分，学员通过答题检查自身理论水平，为教员掌握学员真实水平提供一个平台。石油抽油机安装培训虚拟仿真系统的考试系统采用Access数据库。在Visual Studio平台开发考试系统，首先设计注册登录界面。图形化界面设计，只需修改相应的参数拖拽相应的控件即可实现。界面采用以蓝色为底，标题采用灰色，文字黑色口“。为了简化考试形式，试题采用单选和多选的形式。系统在调用Access数据库之前需要先建立两张Access表，一张用于存放用户注册信息、考试得分情况和考试时间等信息，另外一张用于存放考试试题和答案。在随机抽取试题组成考卷时，通过函数获取试题总数，将所有试题的ID号读取到数组中，然后产生随机数分别将ID号对应的试题组成试卷，为了避免重复需要判断本次ID号与以上几次的ID号是否一样，相同则本次抽取数值无效。

2.4 系统测试

为了进一步验证安装虚拟仿真系统性能，将使用Unity 3D创建的虚拟仿真系统生成．exe格式文件，即可双击运行测试。进入系统主界面后，在主界面中可以看到有4个部分结构展示、视频教学、虚拟实操和理论考核。用鼠标点击不同的按钮则会进入不同的场景。与此同时，在主界面的左下角有退出按钮，用鼠标点击后会直接将系统关闭。虚拟仿真系统需要进行测试，针对不同的操作系统发布的版本也是不一样的，一般发布Windows32位和64位的同时发布，这样无论是32位的操作系统还是64位的操作系统都能运行。

石油抽油机安装培训虚拟仿真系统具备结构展示、视频教学、交互仿真和理论考核等4大功能，扩大了虚拟仿真系统的适用范围，同时又填补了其他虚拟仿真系统只有操作培训而未有设备安装培训仿真的空白。虚拟仿真系统在塔架式抽油机设备安装培训方面的应用，改变了课堂教学枯燥乏味的现状，同时又避免了真机实操带来的危险，大大提高了培训效率。

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