1　引言

    我國海岸線長達1.8萬公里，居世界第四位。按照《聯合國海洋公約》的有關規定，我國主張的管轄面積達300多萬平方公里，接近陸地面積的1/3，擁有廣闊的勘探面積。包括南海南部在內的300多萬平方公里的藍色國土中，石油地質資源量約250億噸，可見我國海域油氣資源潛力大，勘探前景良好。

    隨著世界范圍內海洋石油勘探開發向深水方向進軍，世界各國都在競相研究開發適應于深水的石油鉆機。由于深水海洋石油鉆井的特殊性與復雜性，深水石油鉆機無論從結構配置、功能及操作復雜性和安全性諸多方面都面臨著巨大的挑戰。這對深水鉆機的操作者和管理者的素質提出了更高的要求，深水鉆機虛擬操作系統便應運而生。計算機數字仿真技術和虛擬現實技術的迅速發展和廣泛應用，為研制上述系統提供了基礎的技術保障。

    2　系統設計的總體思路與研發目標

    早期的陸上石油鉆井模擬器視景仿真系統大多采用3DS Max建模，應用VC++與OpenGL圖形編程技術對三維模型進行控制。

    該方案技術難度高、編程工作量大、系統開發周期長，加之海上鉆井設備和工藝流程的復雜性，使得此種開發方案對系統的實時性及場景的可控性都不能有效的給予保證，因此，必須尋找一種有效地系統開發方法。

    虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）是一種先進的計算機仿真技術，它利用計算機生成三維的、基于感知信息的模擬環境，并可使用戶與虛擬環境進行交互。目前，虛擬現實技術已經廣泛應用于虛擬漫游、視景仿真培訓以及科學可視化等領域，這為研發深水石油鉆機虛擬操作系統（鉆機虛擬培訓器）提供了技術應用。

    系統的總體架構采用桌面式VR系統，利用三維建模技術構建環境場景、鉆井平臺、鉆機系統的三維仿真環境，利用虛擬現實技術、通訊接口技術和工業自動化控制技術實現虛擬鉆井設備的實時交互。依據深水石油鉆機虛擬操作系統研制的總體思路，確定虛擬操作系統的研發目標包括三方面內容：

    （1）實時模擬培訓

    深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓系統應能具備模擬海洋鉆井平臺三維環境與司鉆三維工作場景、虛擬鉆井設備操作與運行控制、模擬基本鉆井工藝過程與鉆柱處理工藝過程、實際控制器與虛擬鉆井設備實時交互、主副司鉆同時進行培訓之功能。

    （2）虛擬漫游

    深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓系統應能具有虛擬漫游之功能，自主或受控展現深水鉆機與鉆柱自動化處理系統。

    （3）系統功能驗證

    深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓系統應能部分實現鉆井及管柱處理系統功能驗證、通訊接口功能驗證等功能。

    3　系統方案設計

    深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓系統開發是一項復雜的系統工程，這里涉及到建模、模型表現、自動控制、通訊等諸多技術，需要不同領域專業技術人員協同配合、不同資源的有效整合。依據上述總體思路與研發目標，系統的總體架構為基于工業以太網，采用C/S模式，借助基于OPC通訊技術，實現實際控制設備對虛擬設備的控制與數字通訊。系統在功能上可具體分為三個子系統：三維仿真子系統、司鉆控制子系統、通訊子系統。其中交互式虛擬仿真系統主要由：設備運行管理系統、司鉆操作臺系統、圖像生成與顯示系統、計算機及網絡系統、音響系統、接口采集系統、電源電路系統、系統軟件組成，詳細的系統構建圖，如圖1交互式虛擬仿真系統結構組織圖所示：
 

    圖1 虛擬仿真系統結構組織圖

    按照圖1虛擬仿真系統結構組織圖的框架結構，深水鉆機虛擬仿真系統效果圖，如圖2司鉆虛擬操作培訓系統效果圖所示。
 

    圖2 司鉆虛擬操作培訓系統效果圖

    3.1　三維仿真子系統

    該子系統采用目前成熟且成本較低的桌面虛擬現實技術，利用三維建模技術、虛擬現實技術，實現司鉆操作三維虛擬設備。

    該子系統是體現虛擬操作系統開發水平的關鍵所在，包括硬件系統與軟件系統。

    硬件應具有較強的圖形處理能力，應選擇高性能圖形工作站；為增加沉浸感，應模擬實際司鉆視角選擇并布置相應液晶顯示設備。

    軟件主要包括三維建模軟件及VR平臺軟件。三維建模軟件用于構建場景及設備的三維模型，選擇三維建模軟件既要考慮軟件本身的方便易用性及建模效率，又要考慮與VR平臺軟件的兼容性，較為流行的建模軟件如3DS Max、MAYA、SOLIDWORKS等。VR平臺軟件大多本身不具備三維建模能力，其功能主要表現在對導入的三維模型的再處理上，目前較成熟的VR軟件有Unity3D、Quest3D、3DVIA Virtools、3DVIA studio、EONStudio、Cult3D、VR-Platform等。

    3.2　司鉆控制子系統

    司鉆控制子系統采用實際的工控系統，包括司鉆臺、司鉆椅、PLC、IPC、工控軟件等實際設備，實現實際控制器對虛擬鉆機設備的控制。司鉆椅和手柄按鈕等發送控制指令，經由PLC采集后，根據PLC里的控制算法和程序運行，輸出的控制指令經過以太網傳給虛擬仿真樣機的圖形計算機，控制虛擬樣機動作。同時運行的狀態、參數等信息也可通過以太網在WinCC界面上顯示。司鉆控制子系統控制方案圖如圖3所示。
 

    圖3 司鉆虛擬仿真控制系統方案圖

    3.3　通訊子系統

    通訊子系統基于以太網絡，采用OPC通信技術，通過接口開發，實現虛擬設備與PLC控制器的通信。臨界真實場景與深水鉆機自動化操作系統硬件的實時通訊、同步、互動，支持實物操作臺操作虛擬設備，開放系統接口和代碼，可自己進行后續功能開發。

    4　結語

    交互式深水鉆機司鉆虛擬操作系統改變了目前鉆機司鉆操作培訓模式，成為提高司鉆培訓效率、降低培訓成本的有效方式之一。實現鉆機虛擬操作的關鍵在于仿真子系統與通訊子系統的生成質量，應用三維建模軟件和VR平臺軟件可有效地解決交互式深水鉆機虛擬操作仿真子系統的開發效率和開發質量。同時，本文針對半潛式鉆井平臺司鉆虛擬操作系統從設計基本思路、原理、預期目標等方向做了簡要的概述，為后期進一步開發鉆井平臺司鉆虛擬操作系統奠定了一定的理論基礎。必須明確在實現深水鉆機鉆井平臺司鉆虛擬操作系統開發的過程中還有很多的工作需要進行。例如：研究科學合理的系統硬件配置以降低成本；探究高效的交互式界面實現手段，可考慮加入聲音、反饋力、晝夜光線等真實環境因素，進一步提高虛擬操作系統的浸入感，實現真正意義上操作人員的身臨其境；進一步研究如何將虛擬操作系統的研究成果科學合理的移植到現實的鉆井裝備中，從根本上提高鉆井裝備的安全、高效運行。

    ★國家863計劃海洋技術領域研究課題《深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究》，課題編號2012AA09A203。

    參考文獻：

    [1] 鄭巧, 胡衛東. 絞車模擬操作臺設計[J]. 石油機械, 2010, 38(7) : 33 - 35.

    [2] 王武禮, 李瑞民, 王延江. 基于Virtools技術的鉆井三維場景動態仿真[J].科學技術與工程, 2010, 10(30) : 54 - 58.

    [3] 王武禮, 王延江, 楊華. 三維可視化技術在鉆井仿真中的應用[J]. 工程圖形學報, 2006, 28(6) : 47 - 51.

    [4] 李杰, 翟芳芳, 侯樹剛, 袁騏驥. 欠平衡鉆井虛擬培訓系統的研制與應用[J]. 天然氣技術, 2010, 4(1) : 45 - 48.

    [5] 胡小強. 虛擬現實技術與應用[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004. 8 - 12.

    [6] 付志勇, 高鳴. 三維游戲設計[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008. 187 - 194.

    作者簡介

    胡楠（1982- ），男，陜西藍田人，工程師，碩士，現就職于寶雞石油機械有限責任公司，主要從事鉆機及其相關產品的設計開發工作。

    王維旭（1978- ），男，青海樂都人，高級工程師，碩士，現就職于寶雞石油機械有限責任公司，主要從事鉆機及其相關產品的設計開發工作。

    賀環慶（1975- ），男，陜西神木人，工程師，本科，現就職于寶雞石油機械有限責任公司，主要從事鉆機及其相關產品的設計開發工作。

    王蘭（1986- ），女，四川大邑人，助理工程師，本科，現就職于寶雞石油機械有限責任公司，主要從事鉆機及其相關產品的設計開發工作。

    摘自《自動化博覽》1月刊