基于虛擬仿真技術(shù)的鉆探工藝實(shí)驗(yàn)平臺研究

陳 晨, 孫友宏， 趙富章， 陳寶義， 王清巖， 趙 研， 馬銀龍

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，國家級地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 長春 130021)

基于虛擬仿真技術(shù)的鉆探工藝實(shí)驗(yàn)平臺研究

陳 晨, 孫友宏， 趙富章， 陳寶義， 王清巖， 趙 研， 馬銀龍

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，國家級地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 長春 130021)

介紹了虛擬仿真技術(shù)在吉林大學(xué)鉆探工藝實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)中應(yīng)用，提出了鉆探工藝平臺的建設(shè)目標(biāo)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)；論述了教學(xué)平臺的特色和實(shí)踐。鉆探工藝實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信以及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，改善了教學(xué)環(huán)境；將復(fù)雜的鉆探過程變?yōu)槭覂?nèi)常態(tài)化的教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合的目標(biāo)，代表了現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)平臺未來發(fā)展的趨勢。

鉆探工藝； 虛擬仿真技術(shù)； 地質(zhì)工程； 實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

0 引 言

鉆探工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是多專業(yè)、多工種利用多種設(shè)備、工具、材料進(jìn)行的聯(lián)合作業(yè)。具有看不到、摸不著的特點(diǎn)，而且施工過程具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，往往受到現(xiàn)場環(huán)境和安全條件的制約。所以，對于鉆探這樣一個(gè)復(fù)雜的施工過程，開發(fā)出一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的鉆探工藝實(shí)驗(yàn)平臺對于地質(zhì)工程類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生的教學(xué)以及培訓(xùn)鉆井人員來說是一項(xiàng)迫在眉睫、尤為重要的需求。

隨著高校對本科教學(xué)改革教學(xué)要求的不斷提高，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺逐漸成為世界教學(xué)實(shí)踐發(fā)展的一種趨勢。在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》[1]、《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》[2]和教育部“關(guān)于組織開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”[3]精神指導(dǎo)下，在國家級地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心資助下，建設(shè)工程學(xué)院建設(shè)了具有一套完整的鉆探工藝虛擬仿真教學(xué)演示平臺(下稱平臺)，平臺運(yùn)用現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)，把工程現(xiàn)場情景化，能夠很好地解決當(dāng)前地質(zhì)工程類專業(yè)的傳統(tǒng)難題。平臺能夠以低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的方式完成高效率的教學(xué)實(shí)踐。更可以提高學(xué)生實(shí)踐操作能力，增強(qiáng)對鉆探工藝的理解和認(rèn)知。

1 鉆探工藝平臺的虛擬仿真教學(xué)改革

地質(zhì)工程專業(yè)具有很強(qiáng)的特殊性，很難進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)教學(xué)。作為學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科，地質(zhì)工程專業(yè)的教師將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于地質(zhì)工程、石油工程專業(yè)本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將復(fù)雜的地質(zhì)工程及鉆探工藝相關(guān)知識運(yùn)用形象直觀的三維圖形表現(xiàn)出來，建立人機(jī)交互界面，把工程現(xiàn)場情景化，加強(qiáng)了對所學(xué)知識的了解。

平臺的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感、交互性和構(gòu)想性的特性，對鉆井過程進(jìn)行模擬的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對正常鉆井、取下鉆具以及處理孔內(nèi)事故等過程的模擬教學(xué)。同時(shí)借鑒了國內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和鉆探工程模擬建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)和建設(shè)了與真實(shí)環(huán)境一致的虛擬三維鉆探作業(yè)環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過該系統(tǒng)能夠交互的查看鉆機(jī)、鉆頭、動(dòng)力機(jī)等設(shè)備，可以動(dòng)態(tài)的查看鉆機(jī)的主要組成部分，使學(xué)生能夠區(qū)分不同型號間鉆機(jī)的區(qū)別，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的查看鉆探過程。平臺運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生動(dòng)真實(shí)的模擬三維鉆探作業(yè)環(huán)境，包括進(jìn)行鉆探作業(yè)時(shí)，地上與地下設(shè)備運(yùn)行及發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)。平臺建立了鉆井工藝數(shù)據(jù)庫和鉆具組合數(shù)據(jù)庫，針對不同的鉆井工藝流程設(shè)計(jì)不同的操作步驟和鉆具組合。建立操作臺與虛擬樣機(jī)間的控制指令及反饋信號通信系統(tǒng)，同時(shí)可以基于多媒體動(dòng)力學(xué)軟件對模型的結(jié)構(gòu)、貼圖、場景優(yōu)化；使其具有二次開發(fā)和實(shí)時(shí)檢測的能力[4-6]。

該系統(tǒng)還可以方便教師隨時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，教師在系統(tǒng)中設(shè)置場景參數(shù)，學(xué)生根據(jù)教師配置的參數(shù)場景，在系統(tǒng)中進(jìn)行判斷及操作，并進(jìn)行自動(dòng)評分，教師可以直觀地實(shí)時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2 虛擬仿真技術(shù)的建設(shè)目標(biāo)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)

平臺的研發(fā)和建成克服了實(shí)踐過程中的設(shè)備及環(huán)境的限制，真實(shí)模擬了現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備和場景狀況，模擬真實(shí)的鉆探工作流程。通過虛擬仿真教學(xué)平臺可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和操作技能得到更大提升。

平臺能夠模擬整個(gè)鉆探過程中的設(shè)備選擇、孔深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)變化等內(nèi)容，該平臺具有鉆探裝備整套三維實(shí)體模型，教師和學(xué)生可以司鉆的身份在電腦前操縱鉆機(jī)，鉆機(jī)虛擬樣機(jī)可根據(jù)指令完成各個(gè)動(dòng)作，進(jìn)行鉆探過程的動(dòng)態(tài)模擬演示，具有界面直觀友好，交互體驗(yàn)感強(qiáng)，數(shù)據(jù)、信息量大等特點(diǎn)。

平臺建設(shè)圍繞著虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互等特點(diǎn)進(jìn)行虛擬仿真開發(fā)，并及能夠?qū)崟r(shí)模擬出鉆探過程中工藝參數(shù)的變化，平臺在表現(xiàn)手法上采用強(qiáng)大的交互互動(dòng)手段來增加軟件的智能化、現(xiàn)代化水平。

綜合采用了三維動(dòng)畫技術(shù)、平面動(dòng)畫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及媒體交互技術(shù)等當(dāng)今世界上多種最新的高科技媒體技術(shù)[7-9]。平臺的設(shè)計(jì)理念上還融入了一些虛擬現(xiàn)實(shí)的思想，建立了具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像的模擬環(huán)境，具有可擴(kuò)展的功能。

采用模塊化的設(shè)計(jì)，整個(gè)教學(xué)平臺由多個(gè)模塊組成，在模塊化的教學(xué)平臺建設(shè)過程中，可以明確區(qū)分出學(xué)生在實(shí)踐操作過程中的各個(gè)進(jìn)程和各個(gè)模塊的完成情況增加，因此能夠更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和實(shí)踐水平。每個(gè)教學(xué)模塊都有相對的獨(dú)立性，都有各自的教學(xué)要求和教學(xué)目標(biāo)，而各個(gè)模塊內(nèi)容之間又存在著密切聯(lián)系，方便維護(hù)。

平臺開發(fā)采用了當(dāng)今領(lǐng)先的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和頗為流行的互動(dòng)交互技術(shù)，具有簡單、自然、直觀地操作。

平臺具有靈活的開放性，系統(tǒng)采用了具有開放性和標(biāo)準(zhǔn)化的接口技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，在應(yīng)用范圍的擴(kuò)展能力上具有很大的潛力。

基于C/S模式可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行在線教學(xué)；實(shí)現(xiàn)多人、多機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行同步操作，在特定的網(wǎng)絡(luò)帶寬下，運(yùn)行流暢穩(wěn)定，具有良好的畫面渲染效果[10-12]。

2.2技術(shù)實(shí)現(xiàn)

以國土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室硬件平臺為基礎(chǔ)，并且得到了學(xué)校985平臺、教育部地球信息探測儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持，學(xué)院承擔(dān)的國土資源部《深部探測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)》子課題“深部大陸科學(xué)鉆探裝備研制”，對“地殼一號”萬米鉆機(jī)的整機(jī)系統(tǒng)包括頂驅(qū)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和擺管等系統(tǒng)的性能試驗(yàn)以及關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了虛擬仿真設(shè)計(jì)，因此萬米鉆機(jī)的聯(lián)合仿真虛擬技術(shù)的成功實(shí)施也對本項(xiàng)目的建設(shè)思路和軟硬件條件提供了較大支持。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)目前采用了多種的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括三維動(dòng)畫、平面動(dòng)畫以及媒體交互技術(shù)等。開發(fā)中使用了目前我?？辈榧夹g(shù)與工程實(shí)驗(yàn)室既有的Autodesk公司的Inventor建模軟件，能過完成鉆探設(shè)備的建模、裝配和演示等功能；以及CAXA、ADAMS和ANSYS等分析軟件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用3Ds Max 軟件構(gòu)建鉆塔、 鉆機(jī)、 泥漿系統(tǒng)、 動(dòng)力機(jī)、鉆具等實(shí)體三維模型，運(yùn)用Virtools 軟件制作了交互式的動(dòng)態(tài)效果，全方位展示鉆探設(shè)備結(jié)構(gòu)、模擬鉆井過程以及事故處理等內(nèi)容。結(jié)合各種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括Adobe Flash、 LabVIEW 等開發(fā)平臺及多種主流的專業(yè)仿真計(jì)算軟件展開了了虛擬仿真建設(shè)。綜合利用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、C/S網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)平臺的網(wǎng)絡(luò)化管理[13]。

3 虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中可以通過該平臺使學(xué)生了解整個(gè)鉆探過程的工藝和步驟：包括實(shí)際鉆巖過程，根據(jù)地層特征選擇適合的鉆井方法、鉆頭類型及鉆井工藝參數(shù)等；掌握鉆井工藝參數(shù)的測量方法及對鉆速的影響規(guī)律。通過對鉆井全過程的掌握，可以通過實(shí)時(shí)地改變鉆井工藝參數(shù)來觀察鉆速和鉆井效果的變化情況，更加合理地選擇鉆具組合和鉆探工藝參數(shù)。

該平臺有教師機(jī)和學(xué)生機(jī)兩大部分，學(xué)生機(jī)又包括操作界面和狀態(tài)界面兩部分。教師機(jī)主要分為3個(gè)模塊，分別是演示模式、訓(xùn)練模式和考核模式。教師機(jī)可以通過交互訓(xùn)練模塊和考核模塊指令學(xué)生機(jī)完成鉆探訓(xùn)練和考核。學(xué)生機(jī)主要由工程概況、場地準(zhǔn)備、鉆機(jī)操作和鉆井參數(shù)交互4個(gè)模塊組成。學(xué)生可以根據(jù)教師的題目進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備選擇，鉆塔搭建，鉆機(jī)操作等內(nèi)容。狀態(tài)機(jī)也是只有連接教師機(jī)的狀態(tài)，完成交互訓(xùn)練和考核。

其中演示模式包含下鉆、正常鉆井、換層演示、起鉆桿、起立根、繩索取心、斷桿事故、卡鉆事故、公錐打撈落物、母錐打撈落物10個(gè)演示動(dòng)畫。模擬演示教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以完全取代野外的現(xiàn)場實(shí)踐操作，如圖1所示為野外鉆探現(xiàn)場，工作環(huán)境較為惡劣，虛擬仿真技術(shù)將復(fù)雜的鉆探過程變?yōu)槭覂?nèi)常態(tài)化的教學(xué)，大大提高了安全性和實(shí)驗(yàn)效果。如圖2～4所示為演示模式中的取心過程和事故處理演示以及井下狀態(tài)顯示。

圖1 野外鉆探現(xiàn)場

圖2 繩索取心動(dòng)畫演示

圖4 井下狀態(tài)演示

平臺采用虛擬鉆具使學(xué)生掌握常用巖心鉆探工具的名稱、用途、規(guī)格、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)?？梢粤私鈳r心鉆探各主要設(shè)備(鉆機(jī)、水泵、動(dòng)力機(jī))的名稱、型號、性能及特點(diǎn)；可以掌握巖心鉆探的鉆井程序、工程施工鉆探的基本程序；了解鉆具、鉆機(jī)、泥漿泵、動(dòng)力機(jī)、鉆塔的功能。圖5所示為鉆探設(shè)備的查看和選擇界面，平臺的數(shù)據(jù)庫中提供了多種可選的鉆具如圖6所示。

圖5 鉆探設(shè)備的查看和選擇

學(xué)生機(jī)可以根據(jù)工程概況了解所需鉆井地層的特點(diǎn)選擇孔位進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖7所示，從而根據(jù)鉆井方法和機(jī)具選擇合理的設(shè)計(jì)鉆井參數(shù)進(jìn)行鉆井。通過鉆機(jī)操作模塊可以讓學(xué)生對鉆機(jī)的操作有更直觀認(rèn)識，對鉆探過程有更深入的了解，如圖8所示，可以完成操作鉆機(jī)，連接鉆具等操作。

圖6 多種可選鉆頭

圖7 指定地層的鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 鉆機(jī)操作訓(xùn)練模式

狀態(tài)機(jī)的主要任務(wù)是通過鉆井參數(shù)交互模塊讓學(xué)生主要學(xué)習(xí)P、N、Q對于地下鉆井狀態(tài)的影響，如圖9所示可以實(shí)現(xiàn)對地下狀態(tài)的剖面實(shí)時(shí)顯示，包括鉆頭和鉆桿的狀態(tài)，同時(shí)可以定量的觀察P、N、Q、R鉆井過程是否達(dá)到設(shè)計(jì)值，對鉆速(R)和成本有實(shí)時(shí)的曲線可以顯示，通過控制鉆井參數(shù)達(dá)到最大的鉆井效率和經(jīng)濟(jì)性。

圖9 地下狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示

圖10 鉆井參數(shù)交互界面

4 基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺特色

學(xué)院通過與北京曼恒數(shù)字計(jì)算有限公司的合作開發(fā)保證了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)水平。學(xué)院提供了相關(guān)的各類技術(shù)資料、工藝參數(shù)，企業(yè)提供了平臺的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、軟件維護(hù)和升級管理等方面的支持。確保了平臺具有較高的專業(yè)水平的同時(shí)也保證了軟件運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。 平臺建設(shè)具有以下特色：

(1) 開發(fā)技術(shù)先進(jìn)。系統(tǒng)分析階段，選用適用于鉆探工程現(xiàn)場的設(shè)備及場景；系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中采用業(yè)界先進(jìn)、成熟的系統(tǒng)分析方法和系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，保證系統(tǒng)整體的先進(jìn)性。

(2) 開放性。為保證系統(tǒng)后續(xù)維護(hù)及功能添加的方便，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施階段遵循開放性、可擴(kuò)展性的原則，采用了標(biāo)準(zhǔn)化的軟件接口和數(shù)據(jù)庫接口，提供了功能擴(kuò)展的能力。

(3) 功能強(qiáng)大、界面美觀。平臺的各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)遵循方便實(shí)用，操作簡單的原則，也可以滿足用戶的個(gè)性化要求；平臺的用戶界面設(shè)計(jì)合理、美觀，便于操作。

(4) 虛擬場景美觀、運(yùn)行流暢，系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)。系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)渲染、動(dòng)態(tài)貼圖、角色動(dòng)畫、粒子系統(tǒng)等技術(shù)提高虛擬場景的畫質(zhì)，另一方面，通過采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式，降低系統(tǒng)資源需求、提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和用戶操作響應(yīng)速度。

(5) 安全性、可靠性。系統(tǒng)實(shí)時(shí)過程中采用終端安全認(rèn)證、終端加密、授權(quán)登陸、權(quán)限控制等必要的安全保障機(jī)制，確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全、完整。

5 結(jié) 語

基于國家教育改革的大背景下，虛擬仿真技術(shù)在鉆探工藝實(shí)驗(yàn)平臺研發(fā)過程中充分發(fā)揮了其網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化的信息技術(shù)特點(diǎn)，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法的現(xiàn)代化和教學(xué)手段的多樣化的發(fā)展，挖掘出了鉆探工藝這門學(xué)科在信息化、智能化時(shí)代中的潛力。學(xué)生可以通過平臺認(rèn)識鉆探裝備集成技術(shù)、熟悉鉆探工藝方法及步驟，同時(shí)平臺建設(shè)過程中探索了校企合作方式，構(gòu)建開放的共育共享機(jī)制，逐步實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)實(shí)踐型高素質(zhì)創(chuàng)新人才模式的新常態(tài)，使其在學(xué)科人才培養(yǎng)和教學(xué)科研中發(fā)揮更大作用。

[1] 中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(教[2013] 4號) [Z].2012.

[2] 中華人民共和國教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃( 2011-2020年)( 教技[2012] 號) [Z].2012.

[3] 中華人民共和國教育部. 關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(教高司函[2013] 94號) [Z].2013.8.

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ResearchonExperimentPlatformofDrillingTechnologyBasedonVirtualSimulationTechnology

CHENChen，SUNYouhong,ZHAOFuzhang，CHENBaoyi，WANGQingyan，ZHAOYan，MAYinlong

(College of Construction Engineering, Virtual Simulation Experiment Teaching Centers of Four-Dimensional Geological Resources Probe, Jilin University, Changchun 130021, China)

Virtual simulation technology is applied in the drilling technology experiment platform construction in Jilin University. The target and implementation of the drilling technology teaching platform are proposed. The characteristics and application practice of the teaching platform are discussed. The construction of drilling technology experiment platform is a combination of virtual reality, network communication and database technology. The improves the teaching environment, the complex drilling process has become a normalized teaching process indoor. It achieves the goal of combining theory with practice, and represents the trend for the future development of modern experimental and practice platform.

drilling technology; virtual simulation technology; geological engineering; experiment platform construction

TP 391.9; G 482

A

1006-7167(2017)09-0132-04

2016-12-25

陳 晨(1965-)，男，四川資中人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地下資源鉆采技術(shù)研究。Tel.: 13578675055; E-mail: chenchen@jlu.edu.cn