井下作业多人协同训练系统及其搭建方法
阅读说明：本技术 井下作业多人协同训练系统及其搭建方法 (Multi-person cooperative training system for underground operation and building method thereof ) 是由 侯平智 李刚 王晓虎 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开井下作业多人协同训练系统及其搭建方法。本发明在高真实度的井下作业虚拟仿真场景中利用Timeline资源,加入检测点片段数据同步及逻辑处理技术,以组件化的开发思想快速搭建多人仿真训练环境,可实现开发者只需改变检测点中配置信息,即可切换为其它训练任务,摒弃了传统的多人仿真系统利用代码编程开发动画的模式,极大增强了程序的可扩展性和重复利用性,也有效解决了目前井下作业仿真培训系统不能多岗位协同训练的问题,提高了井下作业训练的效果。(The invention discloses a multi-person collaborative training system for underground operation and a construction method thereof. According to the invention, a Timeline resource is utilized in a high-fidelity underground operation virtual simulation scene, a detection point segment data synchronization and logic processing technology is added, a multi-person simulation training environment is rapidly built according to a modularized development idea, a developer can switch to other training tasks by only changing configuration information in the detection points, a mode that a traditional multi-person simulation system develops animations by using code programming is abandoned, the expandability and reutilization of a program are greatly enhanced, the problem that the conventional underground operation simulation training system cannot perform multi-post collaborative training is effectively solved, and the underground operation training effect is improved.)
技术领域
本发明属于井下作业仿真培训技术领域，涉及一种基于Unity Timeline的井下作业多人协同训练系统及搭建方法，具体是在井下作业仿真场景中加入Timeline资源，利用Timeline录制井下作业工艺流程动画，再通过检测点监测、处理各岗位的点击事件，触发相应的操作动画，模拟井下作业多人协同训练的技术。
背景技术
石油作是现代工业的血液，对国民经济发展起着十分重要的作用。井下作业是油田勘探开发过程中保证油水井正常生产的技术手段，井下作业工作为油田生产最前沿的岗位，因其作业环境复杂，无法依靠生产现场对在现场操作人员进行系统、有效的安全应急技能培训，因此仿真培训成为了井下作业培训的重要技术手段。然而现有的仿真培训系统使用传统的代码开发方式，开发周期长，沉浸感差，且大多局限于单人模式的人机交互，无法满足井下作业中对开展多岗位协同训练的需求。
Unity Timeline是一种线性编辑工具，可序列化不同元素，包括动画剪辑、音乐、音效、摄像机画面、粒子特效以及其它Timeline，主要用于场景动画的制作和修改。
发明内容
本发明的一个目的是针对目前技术的不足，基于Timeline工具，提出了一种井下作业多人协同训练系统的搭建方法，以解决目前井下作业仿真培训系统面临的问题。
本发明方法包括客户端的搭建，客户端与服务端的通信配置；
所述的客户端的搭建包括以下步骤：
步骤(1)、依据井下作业真实的作业现场，获取所有井下作业工艺流程以及参与训练的岗位；并利用三维建模软件，对井下作业工艺中地形、建筑、修井设备、工具等制作3D模型，搭建井下作业仿真场景；其中每个井下作业工艺流程由若干岗位的操作流程构成；若干岗位的操作流程由若干个操作步骤构成；
步骤(2)、在井下作业仿真场景中创建Timeline，并在Timeline中创建人物模型区和工艺动画区；其中人物模型区用于配置井下作业工艺流程中所有岗位；工艺动画区用于配置各井下作业工艺流程中所有岗位的动画；
所述的创建、配置Timeline为现有常规技术，故不详解。
步骤(3)、工艺动画区的配置
工艺动画区利用脚本库中的动画轨道，对每个井下作业工艺流程录制井下作业仿真场景中3D模型位移、旋转动画片段；将上述所有动画片段按照Timeline时间顺序依次连接，得到每个井下作业工艺流程的工艺模拟动画。其中每个井下作业工艺流程的工艺模拟动画包括当前工艺流程中各人物岗位的操作步骤动画。
步骤(4)、人物模型区的配置
在人物模型区对每个人物岗位进行独立分组，得到各人物岗位分组；在每个人物岗位分组中配置人物位置轨道、摄像机轨道、字幕音频轨道，并在摄像机轨道上布设不同点位的虚拟摄像机；
所述的人物位置轨道用于实现控制人物位置的移动；
所述的摄像机轨道，用于在井下作业仿真场景中设置不同点位的虚拟摄像机，以实现改变主摄像机观察视角；
所述的字幕音频轨道，用于实现以文字和声音结合的形式介绍当前工艺流程及当前任务岗位的操作步骤；
所述的人物位置轨道、摄像机轨道、字幕音频轨道配置技术为现有常规技术，故不详解。
步骤(5)、对每个人物岗位配置若干检测点片段，用于监测人机交互过程中当前人物岗位的点击事件；具体如下：
5-1在人物模型区中每个人物岗位分组配置一条检测点轨道，并在该检测点轨道的当前岗位的所有操作步骤开始时的时间节点处配置一个检测点片段；
5-2对上述检测点片段绑定当前人物岗位操作步骤所需使用的3D模型；
5-3对步骤5-2的检测点片段配置监测模式；所述的监测模式为人机交互策略。
5-4对步骤5-3的检测点片段配置岗位编号，标志该检测点所属岗位，并对其它岗位隐藏；
5-5对步骤5-4的检测点片段配置最大检测次数；
5-6将步骤5-5的检测点片段与工艺动画区中当前人物岗位的操作步骤动画进行匹配。
所述客户端与服务端的通信配置具体如下：
为客户端Timeline添加全局唯一标识符GUID，并在服务端训练配置中心创建训练任务，记录参与训练的各客户端IP地址和Timeline GUID。客户端与服务端通过WebSocket网络通信实现数据交互。
本发明的另一个目的是提供基于Unity Timeline的井下作业多人协同训练系统。
本发明井下作业多人协同训练系统采用C/S架构，分为客户端和服务端两大模块。客户端包括登录初始化模块、数据交互接口模块、仿真场景池模块、3D模型库、脚本库。服务端包括数据同步模块、缓存数据库、操作日志库、训练配置中心。其中：
所述的数据交互接口模块用于将Timeline中检测点片段的人机交互响应数据发送至服务端。
所述的仿真场景池模块用于储存各井下作业工艺流程的仿真场景；每个仿真场景配置有Timeline；Timeline中配置有检测点片段、人物岗位以及对应的操作步骤动画；其中检测点片段的第一帧作为动画的检测标记位点。仿真场景池模块可利用Unity的线性编辑工具Timeline从脚本库获取脚本轨道，实现对Timeline的轨道装配，其中轨道包括人物位置轨道、摄像机轨道、字幕音频轨道、动画轨道、检测点轨道。
所述的3D模型库用于储存人物岗位操作步骤所需使用的修井设备、工具等3D模型；
所述的登录初始化模块用于从仿真场景池模块选择仿真场景，以及登录后人物岗位的选择。
所述的脚本库用于存储脚本轨道、监测模式。
所述的数据同步模块，用于服务端对客户端的身份验证，控制数据连接通道的开闭。验证通过后，自动分配线程接收来自客户端数据交互模块的Timeline检测点片段响应数据，并将结果实时反馈给其他客户端的Timeline，更改Timeline中当前检测点片段监测状态，实现状态同步。
所述的训练配置中心，用于创建和发布井下作业训练任务。
所述的缓存数据库，用于快速存储仿真场景中多人协同训练产生的缓存数据。
所述的操作日志库，用于记录井下作业场景中各岗位的交互日志。
本发明的有益效果是：
该系统在高真实度的井下作业虚拟仿真场景中利用Timeline资源，加入检测点片段数据同步及逻辑处理技术，以组件化的开发思想快速搭建多人仿真训练环境，可实现开发者只需改变检测点中配置信息，即可切换为其它训练任务，摒弃了传统的多人仿真系统利用代码编程开发动画的模式，极大增强了程序的可扩展性和重复利用性，也有效解决了目前井下作业仿真培训系统不能多岗位协同训练的问题，提高了井下作业训练的效果。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；
图2为Timeline中利用检测点片段实现多人协同训练的原理简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施场景对本发明做进一步的分析。
起下管柱作业时溢流关井是保障井下作业安全进行的重要工艺之一，下面以该工艺为例，搭建基于Unity Timeline的井下作业多人协同训练系统。
第一部分：系统的搭建方法包括客户端的搭建，客户端与服务端的通信配置
客户端的搭建包括以下步骤：
步骤(1)、根据井下作业真实的作业现场，记录起下管柱作业时溢流关井工艺流程，参与本工艺训练的岗位有班长、操作手、一岗、二岗、和三岗。利用Maya和3DMax三维仿真软件制作起下管柱作业时溢流关井工艺场景中的地形、厂房、修井机、节流管汇、油管桥、管钳、四角扳手、压力表等工具的3D模型，并将所有模型按照工艺现场实际布局摆放，搭建井下作业仿真场景；其中该工艺流程由这五个岗位的操作流程构成；每个岗位的操作流程由若干个操作步骤构成，如班长指挥修井机上升下降、取压力表，一岗卸开油管、装压力表，三岗开、关放喷闸门等。
步骤(2)、在起下管柱作业时溢流关井工艺仿真场景中创建Timeline，并在Timeline中创建人物模型区和工艺动画区；其中人物模型区用于配置井下作业工艺流程中所有岗位；工艺动画区用于配置各井下作业工艺流程中所有岗位的动画；
步骤(3)、工艺动画区的配置
已知起下管柱作业时溢流关井工艺流程后，在工艺动画区利用脚本库中的动画轨道，对仿真场景中3D模型录制位移、旋转动画片段，如录制一岗卸开油管动画，第一步，在工艺动画区添加动画轨道，分别录制管钳旋转、油管上升、修井机提起、一岗人物模型拧管钳的四段动画，第二步，在Timeline上微调这四段动画的先后顺序，直至达到可模拟现场一岗卸开油管操作的效果。重复上述步骤，完成该工艺的其它动画片段的录制。将上述所有动画片段按照Timeline时间顺序依次连接，得到每个井下作业工艺流程的工艺模拟动画。其中每个井下作业工艺流程的工艺模拟动画包括当前工艺流程中各人物岗位的操作步骤动画。
步骤(4)、人物模型区的配置
在人物模型区对每个人物岗位进行独立分组，得到各人物岗位分组；在每个人物岗位分组中配置人物位置轨道、摄像机轨道、字幕音频轨道，并在摄像机轨道上布设不同点位的虚拟摄像机；人物轨道用于控制场景中人物位置的移动，如一岗卸开油管时应站在井口左侧，此时在该轨道中添加一个位置片段，设置该片段的位置信息，并拖动该片段至一岗卸开油管动画时间节点处，此时一岗可在指定位置完成卸开油管操作。摄像机轨道用于在仿真场景中设置不同点位的虚拟摄像机，通过改变虚拟摄像机的位置改变主摄像机观察视角，如操作手上提修井机的过程需要操作离合器，且离合器较小难以观察，故需设置离合器的特写镜头，此时只需增加一个虚拟摄像机片段，并将该虚拟摄像机的摄像机视角绑定在离合器上方，当动画播放至操作手上提油管的操作步骤时，显示离合器的特写镜头。字幕音频轨道，用于实现以文字和声音结合的形式介绍当前工艺流程及当前任务岗位的操作步骤。
步骤(5)、如图2对每个人物岗位配置若干检测点片段，用于监测人机交互过程中当前人物岗位的点击事件，并为该检测点绑定当前人物岗位操作步骤所需使用的3D模型、设置监测模式。为避免步骤重复或由其它岗位错误执行，需设置检测点岗位编号，标志该检测点所属岗位，并对其它岗位隐藏。为避免某一检测点持续错误执行，需设置最大可点击次数，超过点击限制后则步骤执行失败。将检测点片段与工艺动画区中当前人物岗位的操作步骤动画进行匹配，移动检测点片段的第一帧至待检测操作步骤的第一段动画的第一帧处。Timeline顺序播放工艺流程区内动画，遇检测点停止播放，按照所选监测模式的人机交互策略处理用户点击事件，人机交互的响应结果以检测点监测状态呈现，若正确点击检测点绑定的3D模型，则步骤执行成功，并在检测点将该响应结果同步至其它客户端后，继续播放工艺动画至Timeline下一处检测点。
检测点监测状态用于标记检测点片段的响应结果，有如下四种：
1、Inactive:未激活状态，等待检测,该状态为默认状态。
2、Failure:任务失败状态，用户执行任务失败。
3、Pass:自动通过状态，Timeline自动跳过被该状态标记的检测点。
4、Success:任务成功状态，用户执行任务成功。
检测点监测模式为检测点人机交互策略函数，每个检测点监测一个操作步骤，可以绑定若干3D模型，且绑定的每个模型都视为该任务的一个子步骤，共有如下七种策略：
1、Parallel：子步骤同时执行,当有一个子任务执行失败，返回失败。所有子步骤执行成功,返回成功。
2、ParallelComplete：子步骤同时执行,当有一个子步骤执行失败，返回失败。当有一个子步骤执行成功，返回成功。
3、ParallelSelector：子步骤同时执行,当所有子步骤执行失败，返回失败。当有一个子步骤执行成功，返回成功。
4、RandomSelector：子步骤随机执行,当所有子步骤执行失败，返回失败。当有一个子步骤执行成功，返回成功。
5、RandomSequence：子步骤随机打乱后顺序执行,当有一个子步骤执行失败，返回失败。当所有子步骤执行成功，返回成功。
6、Selector：子步骤顺序执行,当所有子步骤执行失败，返回失败。当有一个子步骤执行成功，返回成功。
7、Sequence：子步骤顺序执行,当有一个子步骤执行失败，返回失败。当所有子步骤执行成功，返回成功。
客户端与服务端的通信配置：
为实现多人协同训练，需在客户端和服务端进行网络通讯配置：为客户端Timeline添加全局唯一标识符GUID，并在服务端训练配置中心创建训练任务，记录参与训练的各客户端IP地址和Timeline GUID。客户端与服务端通过WebSocket网络通信实现数据交互，
监测响应结果通过WebSocket网络数据传输协议将各检测点的响应结果实时打包上传至服务端，服务端数据同步模块解析客户端响应数据包，读取客户端IP地址、TimelineGUID和检测点状态信息，并将该检测点状态信息通过IP地址、Timeline GUID同步至参与当前训练任务的其它客户端Timeline检测点，控制同一训练中所有客户端Timeline始终保持在同一时间节点，从而达到多人协同训练目的。
本发明井下作业多人协同训练系统采用C/S架构，分为客户端和服务端两大模块。如图1客户端包括登录初始化模块、数据交互接口模块、仿真场景池模块、3D模型库、脚本库。服务端包括数据同步模块、缓存数据库、操作日志库、训练配置中心。
在客户端中，仿真场景池模块用于储存各井下作业工艺流程的仿真场景，起下管柱作业时溢流关井工艺场景属于场景池中的一个场景；场景使用3D模型库中的3D模型搭建；每个仿真场景配置有Timeline，Timeline可从脚本库获取脚本轨道，实现对Timeline的轨道装配，而脚本库则是用于存储监测模式函数和脚本轨道，使用脚本库中人物位置轨道、摄像机轨道、字幕音频轨道、动画轨道可完成起下管柱作业时溢流关井工艺动画的制作，使用脚本库中检测点轨道可快速设置训练任务、选择不同监测模式监测场景中人机交互事件。
为实现多人协同训练，数据交互接口模块用于客户端与服务端的数据同步模块进行网络通信与数据传输，实时共享各个岗位的检测点监测数据，从而保持Timeline动画的同步播放。
登录初始化模块用于从仿真场景池模块选择起下管柱作业时溢流关井工艺场景，以及登录后人物岗位的选择。
在服务端中，训练配置中心用于创建和发布井下作业训练任务，记录训练场景以及参与训练的各岗位客户端信息，用于数据同步模块验证客户端身份信息、接收和同步检测点响应数据。数据同步模块用于接收响应数据以及反馈数据发送至客户端，同时将响应数据以日志的形式记录在操作日志库中。缓存数据库用于快速存储仿真场景中多人协同训练产生的缓存数据。
上述井下作业多人协同训练系统的实现方法包括开发者的系统搭建和用户的系统使用；
开发者的系统搭建过程包括以下步骤：
步骤1：搭建起下管柱作业时溢流关井仿真场景
使用Maya和3DMax三维仿真软件制作起下管柱作业时溢流关井工艺场景中的地形、厂房、修井机、节流管汇、油管桥、管钳、四角扳手、压力表等工具的3D模型，并将所有模型按照工艺现场实际布局摆放，搭建井下作业仿真场景。
步骤2：制作起下管柱作业时溢流关井工艺动画
根据起下管柱作业时溢流关井工艺流程，在Timeline中利用动画轨道，录制3D模型位移、旋转动画片段，并将所有动画片段按照Timeline时间顺序依次连接，得到起下管柱作业时溢流关井工艺模拟动画。并在每个人物岗位分组中配置人物位置轨道、摄像机轨道、字幕音频轨道，并在摄像机轨道上布设不同点位的虚拟摄像机，通过改变虚拟摄像机的位置改变主摄像机观察视角。
步骤3：添加检测点片段监测人机交互
对每个人物岗位配置若干检测点片段，用于监测人机交互过程中当前人物岗位的点击事件，并为该检测点绑定当前人物岗位操作步骤所需使用的3D模型、设置监测模式、设置检测点岗位编号、设置最大可点击次数。
步骤4：客户端与服务端的通信配置
为客户端Timeline添加全局唯一标识符GUID，并在服务端训练配置中心创建训练任务，记录参与训练的各客户端IP地址和Timeline GUID。
用户的系统使用过程包括以下步骤：
步骤1：登录
通过登录初始化模块，选择起下管柱作业时溢流关井仿真场景以及人物岗位，例如选择一岗。
步骤2：参与起下管柱作业时溢流关井工艺多人训练
Timeline顺序播放工艺流程区内动画，遇检测点停止播放，例如在班长发出关井信号后，Timeline停在一岗旋转半封闸板防喷器两侧手柄关闭闸板动画的第一帧，语音字幕提示一岗迅速关井。此时该动画的检测点片段绑定的3D模型为半封闸板防喷器手柄，检测点片段按照所选监测模式的人机交互策略处理一岗的鼠标点击事件，若正确点击检测点绑定的半封闸板防喷器手柄模型，则予以步骤执行成功提示，并在检测点将该响应结果同步至其它客户端后，继续播放工艺动画至Timeline下一处检测点，若点击错误，且超过最大可点击次数，则予以步骤执行失败提示，并在检测点将该响应结果同步至其它客户端后，继续播放工艺动画至Timeline下一处检测点。依次完成起下管柱作业时溢流关井工艺中一岗的若干检测点训练任务。
步骤3：数据交互接口模块将Timeline中检测点片段的人机交互响应数据发送至服务端的数据同步模块。数据同步模块接收来自客户端数据交互模块的Timeline检测点片段响应数据，并将结果实时反馈给其他客户端的Timeline，更改Timeline中当前检测点片段监测状态，实现状态同步。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。