Привет, Хабр! Меня зовут Евгений Морогов, я руководитель центра продуктовой акселерации в «Газпром ЦПС». Я работаю в проекте по внедрению VR-технологий, и сегодня я расскажу о том, как мы создавали VR-тренажер по ликвидации инцидента газоводонефтепроявления (ГПНВ) на буровой.

ГНВП — один из самых опасных инцидентов на буровой. Отработка подобных ситуаций на полигонах и на физических тренажерах «вживую» осложняется рядом факторов, которые не позволяют закрыть все потребности в практической подготовке специалистов. Среди них высокая стоимость, сложное масштабирование, отсутствие обновлений и возможностей для совместной подготовки, высокие логистические затраты и ограниченность сценариев. Мы решили эти проблемы с помощью VR-тренажера, создав детальную цифровую копию буровой установки.

Если у вас есть похожие задачи, вам интересно, как VR-технологии могут помочь бизнесу или в обучении — этот материал для вас. В статье подробно расскажу, как устроен наш VR-тренажер, как он создавался, какие технические решения мы использовали и как работает наша математическая модель. А также поделюсь, какими были наши первые успехи «в полях».

Над созданием нашего тренажера трудилась целая команда экспертов в своем деле: специалисты по бурению, 3D-моделированию и разработчики. Над этим текстом
мне также помогали работать Святослав Лужецкий, Сергей Комаров и Екатерина Гарбуз.

Какие сложности у текущего формата обучения на физических тренажерах

Прежде чем рассказать о нашем решении, важно знать, как устроен существующий формат обучения с отработкой практических навыков на физических тренажерах.

В области бурения достаточно давно используются физические тренажеры, которые хорошо себя зарекомендовали. Однако особенности их устройства и использования сопровождаются некоторыми сложностями.

1. Достаточно высокая стоимость становится проблемой при интеграции и масштабировании тренажёрной подготовки.

   Каждый физический тренажер — это сложное и дорогое техническое устройство. Для него требуется соответствующая инфраструктура, которую, по отзывам учебных центров, необходимо дополнительно подготовить. Также весомая доля расходов падает на организацию командировок к учебным центрам. Масштабирование такого решения на несколько объектов для многих компаний становится проблематичным.

2. Ограниченность действий в учебных сценариях.

   Используемые физические тренажеры существуют и развиваются уже не первое десятилетие. В них хорошо проработаны сценарии обучения, механики и математические модели. Однако опыт их использования в учебных центрах показал ряд особенностей, которые ограничивают возможности обучения. Чаще всего физические тренажеры имитируют какой-то один конкретный технологический модуль или имеют унифицированный обобщенный интерфейс, который показывает принципы и алгоритмы работы буровой установки, без привязки к конкретному оборудованию. Эти инструменты хорошо показывают, как работают буровые в принципе, но не как взаимодействовать с определенной техникой.

   Буровые эшелонного типа представляют собой основу, на которую устанавливают оборудование. Наполнение двух одинаковых моделей буровых может кардинально отличаться по производителям и моделям — от этого меняется порядок работы с ними. К сожалению, на практике происходили случаи, когда слабое знание работы конкретного агрегата приводило к травмам и человеческим жертвам.

   Невозможность обучаться на различных моделях оборудования ограничивает действия в учебных сценариях рамками интерфейса физического тренажера. Бесконечное расширение парка физических макетов проблематично финансово и физически (в учебных центрах не хватит рабочих площадей). Вопрос становится особенно острым при появлении на буровых новых элементов и оборудования.

   Кроме того, преподаватели и буровые бригады в нескольких компаниях отметили, что используемые физические тренажеры применяются для обучения бурильщиков, но не помощников бурильщика (помбуров).

3. Отсутствие командой подготовки буровой бригады

   Нештатная ситуация на буровой — это испытание для коллектива. Результат целиком определяется тем, насколько грамотно и согласовано действует бригада.

   Физические тренажеры, как правило, рассчитаны на одного, максимум двух обучающихся. На них можно отточить индивидуальный навык, но нельзя полноценно отработать командное взаимодействие.

Все это вдохновило нас вместе с буровыми подрядчиками на поиск новых инструментов обучения специалистов. Мы провели опросы представителей T&D различных буровых компаний и вывели ряд ключевых требований к новому тренажеру:

1. Возможность обучения на полноразмерной буровой.

2. Наличие командной подготовки.

3. Мобильность решения.

4. Возможность выбора бурового оборудования.

5. Доступная стоимость.

6. Наличие математической модели, характеризующей текущее гидравлическое состояние скважины.

7. Простота в обновлении.

Исходя из требований, выбор пал на технологию виртуальной реальности.

Мы провели анализ рынка, познакомились с различными отечественными и зарубежными тренажерами и пришли к выводу, что на текущий момент нужного нам инструмента не существует.

Оценку существующих продуктов проводили по ряду критериев:

1. Опыт применения в различных компаниях и отзывы сотрудников.

2. Возможность командной подготовки.

3. Высокий уровень детализации моделей и локации.

4. Дружелюбный и простой для пользователя UI/UX.

5. Возможность для пользователей самостоятельно редактировать сценарий.

6. Наличие математической модели.

7. Потенциал к развитию и возможность замены внутренних модулей буровой.

Мы пришли к выводу, что нужно создавать решение с нуля. Все полученные в ходе исследования данные легли в основу технического задания, и началась разработка.

Решение, которое мы нашли

Дополнением к физическим тренажерам стали виртуальные. Мы создали тренажер со сценарием ликвидации ГНВП, где члены буровой бригады совместно могут отработать навыки ликвидации нештатной ситуации, согласно принятым в компании регламентам.

Фундамент нашего симулятора — детальная цифровая копия реальной буровой установки, воссозданная в масштабе 1:1.

Мы сознательно ушли от имитации отдельных узлов и сделали полноценную открытую локацию, где можно свободно перемещаться и взаимодействовать с любым оборудованием. Это позволило погрузить обучающихся в обстановку, максимально приближенную к реальной. Одно из преимуществ, которые дает VR, — это возможность совместной тренировки на любой локации, независимо от масштабов и степени детализации

Сергей Комаров, эксперт по бурению «Газпром ЦПС»

В VR-тренажере реализованы следующие роли: бурильщик, два помощника бурильщика и супервайзер. Остальные роли на буровой выполняют боты. При этом можно быстро добавить роли и назначить им действия, исходя из потребностей учебного процесса. Единственным ограничение в данном случае выступает количество VR-шлемов в наличии.

Пользователи могут подключаться в онлайн и оффлайн режиме (по локальной сети). Онлайн-подключение в симуляцию может производиться из любой точки — главное, чтобы был выход в сеть. В оффлайн режиме один из компьютеров выполняет роль сервера, к которому автоматически присоединяются остальные устройства.

Супервайзер контролирует процесс и получает все необходимые данные в 2D-режиме с обычного ноутбука. Он видит ошибки команды в реальном времени, может давать дополнительные вводные или детально разбирать действия после завершения сценария.

В тренажере реализован один из самых сложных сценариев — ликвидация ГНВП методом бурильщика. В такой ситуации команда должна вовремя распознать признаки инцидента по показаниям приборов, правильно рассчитать параметры для глушения скважины и слаженно выполнить все операции по регламенту. Реализованный сценарий соответствует International Well Control Forum (IWCF) и может легко редактироваться под локальные планы ликвидации аварий в компании.

Важной особенностью нашего тренажера является математическая модель, которая характеризует текущее гидравлическое состояние скважины. Все действия с насосами, открытие / закрытие шиберов и вентилей влияют на выводимые показатели. VR-тренажер демонстрирует, как будет реагировать гидравлика на различные – правильные или неправильные – действиях учащихся. Это приближает обстановку на виртуальной буровой к реальности. Чуть ниже расскажу подробнее о работе математической модели.

Для запуска тренажера требуется VR-шлем с подключением компьютеров, оснащенных видеокартой уровня RTX 3070, и обычный офисный ноутбук для супервайзера.

Что под капотом нашего VR-тренажера

Просто создать красивую 3D-модель недостаточно. Нам нужно было сделать не игру, а реалистичный инженерный симулятор, который соответствует отраслевым стандартам качества с технической и практической точки зрения.

Движок и 3D-пайплайн

В качестве основной среды разработки был выбран игровой движок Unity, оптимально подходящий для реализации проекта по ряду причин: широкие возможности для интерактивной визуализации, высокая производительность, развитая экосистема инструментов и большая база квалифицированных специалистов. Кроме того, Unity обеспечивает удобную интеграцию с внешними библиотеками и ПО, что значительно упрощает создание комплексных VR-решений.

Для достижения максимального уровня реализма виртуальной локации команда разработчиков ездила на Ковыктинское месторождение, где с помощью лидарного сканирования выполнила пространственную съемку оборудования действующей буровой установки. Это позволило получить высокоточное облако точек, детально воспроизводящее геометрию объекта. Далее из полученного облака точек были сформированы оптимизированные low-poly модели, адаптированные для интерактивной визуализации в реальном времени.

Чтобы снизить вычислительную нагрузку и обеспечить стабильную работу в VR-среде, освещение и тени были «запечены» непосредственно в текстурные карты, что позволило сохранить визуальное качество при высокой производительности приложения.

Математическая модель

Это важная составляющая нашего тренажера. Мы не стали делать упрощенную физику, основанную на триггерах, а реализовали полноценную работу гидравлических процессов. В основе модели — закон Дарси, описывающий поведение флюида в пласте.

Как я уже писал выше, математическая модель в реальном времени просчитывает ключевые параметры: гидростатическое и гидродинамическое давление, объем притока газа, расходы промывочной жидкости на входе и на выходе из скважины. Благодаря этому любое действие команды, будь то изменение скорости насоса, регулировка степени открытия дросселя или задержка при закрытии превентора, мгновенно отражается на показаниях приборов.

Супервайзер может настраивать разные геологические условия – глубину скважины, пластовое давление, тип пород – превращая каждый сценарий в уникальную симуляцию, максимально близкую к реальной работе на месторождении.

Работа модели формировалась с вниманием к проведению учебного процесса. Мы понимали, что в рамках занятия нет возможности 20-40 минут ждать стабилизации давления. Это проблематично и с организационной точки зрения, и из-за долгого нахождения в VR-шлеме. Поэтому мы добавили функцию ускорения работы модели в 5,10 и 100 раз. Таким образом процессы, которые в живую занимают час или два, мы можем ускорить до нескольких минут без ущерба для качества обучения. Управление скоростью доступно с компьютера супервайзера и из кабины бурильщика.

Если есть модель, зачем нужен супервайзер?

Как я уже говорил, он управляет тренировкой с обычного ноутбука. Для супервайзера мы также внедрили уникальные возможности:

• Видимость полной телеметрии скважины, которая скрыта от буровой бригады.

• Возможность подсвечивать ошибки команды прямо в интерфейсе.

• Пропуск шагов, например, в случае задержек одного из участников.

• Возможность управлять временем симуляции.

Некоторые операции, например стабилизация давлений в бурильном инструменте и кольцевом пространстве, в реальности занимают десятки минут. Чтобы не заставлять участников ждать, инструктор может ускорить этот этап и сразу перейти к следующему — более важному с точки зрения обучения.

Клиент-серверная архитектура и сетевое взаимодействие

Поскольку тренажёр рассчитан на совместную работу нескольких пользователей, в его основе реализована клиент-серверная архитектура, обеспечивающая стабильное сетевое взаимодействие и синхронизацию состояния виртуальной среды.

На стороне сервера функционирует несколько ключевых модулей:

• Управляющий сервер координирует сетевую сессию и взаимодействие клиентов.

• Исполнитель сценариев отвечает за выполнение логики тренировки и последовательность событий.

• Сервер состояний хранит и обновляет положение всех интерактивных объектов в реальном времени.

• Математическая модель обеспечивает расчёты физических и технологических процессов, происходящих в симуляции.

   Клиентская часть, работающая на VR-устройстве пользователя, включает:

• Модуль ввода для отслеживания движений и действий пользователя.

• Систему интерактивной разметки сцены, обеспечивающую взаимодействие с объектами виртуальной среды.

• Модуль аватаров, отвечающий за отображение пользователей и их синхронизацию в пространстве.

Для корректной синхронизации между участниками мы применили гибридный подход к передаче данных. Критически важные состояния объектов (например, положение вентилей, нажатие кнопок, показания приборов) передаются через протокол WAMP с использованием RPC-вызовов, что гарантирует надёжную доставку и строгую последовательность команд.

Параллельно для передачи координат, движений и ориентации аватаров в реальном времени используется WebSocket, обеспечивающий минимальную задержку и плавность анимации.

Такое сочетание протоколов помогло нам достичь оптимального баланса между надёжностью, скоростью отклика и эффектом присутствия в многопользовательской VR-среде.

Как отреагировали буровики

Любой, даже самый технологичный продукт, бесполезен, если он не решает реальные задачи. После завершения разработки мы провели опытно-промышленные испытания и собрали обратную связь:

• 100% участников положительно оценили применение VR в обучении и подтвердили, что сценарий тренажера полностью соответствует рабочим регламентам.

• 82% опытных сотрудников признали VR-формат эффективным инструментом для совершенствования навыков.

• 87% опрошенных отдельно отметили реалистичность командного взаимодействия, а 75% — качество используемой математической модели.

• 100% участников высоко оценили пользу тренажера для адаптации молодых специалистов. При повторном прохождении сценариев они выполняли операции быстрее и лучше ориентировались на виртуальной буровой.

Нам было важно, чтобы профессионалы также были уверены в пользе новой технологии, мы учли нюансы, которые нам подсветили преподаватели и учащиеся, поэтому отклик отраслевого сообщества показал эффективность всей разработки.

Мы выпускаем регулярные обновления, которые делают процесс обучения более удобным. Так, например, в последней версии, мы поменяли расположение пульта управления гидравлическим ключом и улучшили взаимодействие с тачскрином в кабине бурильщика, практически исключив «мисклики», а также добавили голосового ассистента.

VR-формат дает нам то, чего не хватает в традиционном обучении — безопасную, но максимально реалистичную тренировку с возможностью повторять сценарий до автоматизма. Это особенно важно для молодых специалистов, которые впервые сталкиваются с опасными ситуациями.

Игорь Симон, руководитель программы проектов «Газпром ЦПС»

Резюмирую

Наш опыт показал, что VR — это действительно мощный инструмент для решения конкретных промышленных задач. По результатам мы увидели, что:

1. Симуляция безопасна. Главное преимущество VR-тренажера в том, что у специалистов появляется возможность увидеть цену ошибки в работе без фатальных последствий. Например, можно довести скважину до «фонтана», наглядно продемонстрировав, какие действия к этому привели.

2. Виртуальная реальность дополняет физические тренажеры. VR помогает отрабатывать командные навыки в условиях, максимально приближенных к реальным. И это не только техническая, но и психологическая подготовка. Сотрудник, который уже «прожил» инцидент в VR, в реальной ситуации будет меньше времени тратить на «раздумья» под влиянием стресса и быстрее начнет действовать по регламенту.

3. VR-тренажер доступнее. В долгосрочной перспективе организовать VR-классы и обновлять в них сценарии дешевле, чем строить, обслуживать и модернизировать парк физических симуляторов или проводить учения «в полях». Уже сейчас есть кейсы, когда учебные центры не смогли обновить свой физический тренажер из-за высокой стоимости.

Мы убеждены в том, что у нашего тренажера не должно быть конечной точки развития и он должен постоянно эволюционировать. Сейчас у нас в планах расширение библиотеки сценариев, методов ликвидации ГНВП и других видов инцидентов и отказных ситуаций. Также мы работаем над интеграцией с нашими корпоративными системами обучения для бесшовной аттестации сотрудников.

Буду рад услышать ваше мнение, какие промышленные процессы вы воссоздали в VR. Делитесь своим опытом в комментариях.