面向多平臺的井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)

張 偉，王 磊，宋 晨，趙春雪，陳軍杰

（新疆石油管理局有限公司新疆培訓中心，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

當前，我國石油行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進入了一個新的階段，并且油田的開采難度也在不斷提升，在開展井下生產作業(yè)的過程中會應用到多種復雜的工藝，石油開采質量也經(jīng)常受到工藝選擇、開采人員自身技術水平等多種因素的影響。對于現(xiàn)代化油田石油井下作業(yè)操作來說，在實際開展的過程中需要井下作業(yè)人員具有豐富的實踐工作經(jīng)驗，并且可以在工作過程中將理論知識與實踐進行有機結合。這就需要石油井下作業(yè)公司對相關工作團隊的成員進行定期培訓，通過這種方式來提升員工的綜合技術水平，使其在實際開展井下作業(yè)的過程中能夠對各個重點環(huán)節(jié)有清晰的認知。同時，石油井下作業(yè)公司還應該根據(jù)當前行業(yè)發(fā)展的實際情況構建一套高質量的培訓系統(tǒng)，通過培訓進一步提升工作人員石油井下作業(yè)能力。當前，計算機仿真技術是虛擬現(xiàn)實技術中的重要組成部分，用戶在使用過程中可以獲得身臨其境的交互式感受，從而更加有利于石油井下作業(yè)的開展。

1 面向多平臺的井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)整體構架

在正式展開石油井下作業(yè)之前，應該注意先確定井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)，將其作為后續(xù)井下作業(yè)施工的重要指導，在進行仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)建設的時候，需要應用到三維仿真技術，要利用三維仿真的方式來對井下工具使用情況以及工藝使用情況進行模擬，通過這種方式使培訓教學活動的開展更加真實、具象，這也有利于進一步提升培訓教學的效果。對于仿真培訓系統(tǒng)的構建來說，其主要是由試油、大修以及壓裂酸化三個部分組成，在實際運轉過程中可以將其功能分為工藝流程簡介、井場瀏覽、常用井下作業(yè)工具結構以及施工工藝模擬幾個部分。首先，工藝流程簡介。對于這一功能來說，其主要是利用文字與三維結構示意圖相結合的方式來對相關基礎知識進行介紹，是其整體構架中的重要組成部分。其次，井場瀏覽。對于井場瀏覽來說，其主要分為路徑瀏覽、自由瀏覽以及俯視瀏覽三種瀏覽方式，可以將施工現(xiàn)場的井場情況具體、生動地展示在學員面前，這也更加有利于相關教育教學活動的開展，有效集中了學員的注意力。再次，井下作業(yè)常用工具結構。對于井下常用工具結構原理演示來說，其主要涉及工具外觀展示、結構展示以及原理展示等幾個方面的內容，主要是通過三維仿真技術將其在培訓系統(tǒng)中具體地展示出來，從而使其更加直觀，這樣也更加有利于學員的理解。同時，利用三維模型來展示常用工具的結構原理還具有較為理想的靈活性，教師培訓以及學員瀏覽的過程中可以對其進行任意旋轉、縮放、擴放調整，通過這種方式來幫助學員更為直觀地觀察模型。最后，施工工藝模擬。對于這一部分來說，其具有較強的知識性以及邏輯性，在實際運轉的過程中，其主要是通過模擬的方式來確定接下來的施工過程，這也可以使學員對石油井下施工各個環(huán)節(jié)之間的關系有更為清晰具體的認知。這也使得其在實際展開井下作業(yè)操作的過程中出現(xiàn)失誤的可能性得到了有效控制，從而提升了井下施工效率。

2 面向多平臺的井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)各環(huán)節(jié)功能分析

首先，知識講解。“知識講解”部分所講知識以井外維修、油層改造中的基礎知識、常用設備以及常用工藝為主。對于油層改造來說，這一層面的知識講解內容主要為壓裂施工工藝，在這一環(huán)節(jié)，研發(fā)了120 余種井下作業(yè)工具以及30 多種典型井下作業(yè)的工藝動畫，實現(xiàn)了對井下作業(yè)過程的精準展示，同時，平臺還配備相應的語音與文字相結合的同步解說。對于井下作業(yè)工具來說，其具有種類豐富性和功能準確性的特征，以“卡瓦打撈筒”為例，在實際開展仿真培訓時，會先通過文字與圖片搭配的方式對卡瓦打撈筒的具體形狀以及功能特性進行簡要闡述，從而讓學員對這一工具的具體用途有基本認知，然后再利用動畫演示的方式對這一工具主要結構、工作原理等進行展示，通過這種方式可以使仿真培訓效果更為理想。

其次，仿真操作。對于“仿真操作”這一教學環(huán)節(jié)來說，其在實際開展的過程中往往會運用11 種典型的油氣井維修作業(yè)仿真項目，想要使其作用得到有效發(fā)揮，應該注意對仿真操作的初始圖進行展示與分析，在進行仿真項目展示時，會在右下角設備儀表區(qū)域的監(jiān)視區(qū)設定相應的控制臺，在控制臺中展示操作環(huán)節(jié)，教師要引導學生按照相應指示自己動手操作控制臺上的按鈕以及手柄，從而完成多種井下作業(yè)工藝仿真。例如，選擇“凹面磨鞋作業(yè)”，要先點擊進入仿真操作系統(tǒng)的初始界面，然后點擊左下方的“啟動”按鈕，這時候可以聽到機器啟動的聲音，并且儀表盤的指針會指向相應的位置。這時候要將“盤剎”推至“剎緊”位置，然后將液壓開關調節(jié)至“剎車鉗”位置。

最后，知識考核。對于“知識考核”這一環(huán)節(jié)來說，其不僅具有理論考核功能，同時還可以以此為基礎開展相應的實操考核。在進行理論考核操作時，其主要是對選擇題以及判斷題進行設定，當學生答題之后提交，系統(tǒng)會對學員的答題成績進行自動評判，并且?guī)椭鷮W員把錯誤的地方進行一一改正。而在進行實操考核操作時，需要學生先進行姓名、學號登記，然后進入到實操環(huán)境中，系統(tǒng)會對學生當前的實操熟練程度進行評分，這一環(huán)節(jié)的設定更加有利于學生對長期學習方案和學習目標進行規(guī)劃。

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 建立系統(tǒng)模型

對于面向多平臺的石油井下作業(yè)仿真培訓來說，在實際展開工作的時候，應該注意先進性系統(tǒng)模型建設，其主要會涉及幾何建模以及物理建模兩個方面。對于幾何建模來說，其主要是對可見的3D 空間形狀進行描述；而對于物理建模來說，其主要包括實體空間中對象的重量、硬度以及密度等形式的改變。在進行油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)設計的時候，應該注意對三維建模軟件進行針對性選擇，可以應用MultiGen Creator 進行仿真建模操作，在建模操作的過程中應該注意盡量減少其中多邊形應用的數(shù)量，從而使最終所構建的模型更為細膩、真實。同時，為了進一步提升模型的逼真程度，還應該注意為其選擇適合的紋路，從而使模型的細節(jié)得到有效處理。此外，想要實現(xiàn)對同一個模型中各個對象的有效控制，這就需要在進行建模的過程中加入一些物理特性，通過這種方式來保證模型部件的實際作用可以得到有效發(fā)揮。例如，要保證模型中的每個部件都有相應的自由度，有了自由度之后部件便可以根據(jù)實際需要來進行平移、旋轉等操作，更加有利于模型進行一些相對復雜的變換。

3.2 多數(shù)據(jù)源支持

在進行井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)的時候，是為了將其應用到多個不同的平臺，但是由于不同平臺的數(shù)據(jù)支持存在較大差別，因此，在進行系統(tǒng)研發(fā)設計的時候，要保證系統(tǒng)功能的完善性。為了更加方便對系統(tǒng)的信息進行增刪，應該注意將試題信息儲存于XML 文件中，通過這種方式不僅可以使信息數(shù)據(jù)的調用、操作更為簡便。手機版以及EXE 版采用的是相同的數(shù)據(jù)庫，應用的都是Sqllite 數(shù)據(jù)庫。而網(wǎng)頁版則采用的是Oracle 數(shù)據(jù)庫，通過上傳使用的方式為客戶提供保障。首先，文件的儲存以及解析。對于井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)來說，文件信息是其中的重要組成部分，會涉及試題編碼、選項內容、正確答案以及工具簡稱等方面的信息。在進行XML 文件解析的時候，應該注意對步驟進行梳理，其主要涉及以下環(huán)節(jié)步驟，即構造存放XML文件的結構體、加載文件、獲取子節(jié)點、取出子節(jié)點中的試題信息。

3.3 三維引擎設計

對于石油井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)設計工作來說，在實際開展的過程中應該注意對三維引擎進行準確設計，從而保證其功能性得以實現(xiàn)，這就需要編寫一個有利于用戶互動的程序，需要利用軟件包來進行三維引擎程序的開發(fā)，并且要注意在開發(fā)過程中確定相應的視景管理系統(tǒng)，通過這種方式來實現(xiàn)對不同模型文件格式的有效識別，同時也使得文件分類以及管理工作的開展更為順利。此外，在進行三維引擎設計以及實現(xiàn)的過程中，應該充分意識到引擎初始化設計是其中非常重要的環(huán)節(jié)，在實際開展設計操作的過程中，其具體流程如下所示：首先，設置三維圖形像素格式，并確定各個緩沖器位數(shù)；其次，對通道視口大小進行初始化調節(jié)，確定背景顏色以及視點坐標；再次，創(chuàng)建相機、通道以及光照模型；最后，創(chuàng)建場景，并且將光照模型加入場景中。

3.4 網(wǎng)格導航尋路

在進行仿真系統(tǒng)培訓的過程中，導航網(wǎng)格尋路是其中的重要組成部分，由于各個崗位的工作人員經(jīng)常在井場中的走動，這就需要對角色尋路的問題進行針對性解決。首先要對導航網(wǎng)格的生成情況進行確定，現(xiàn)階段來看，隨著3D 技術的不斷普及，手工設置路點法的應用越來越廣泛，并且在實際應用的過程中發(fā)揮出了較為理想的效果。當前，可以嘗試應用在三維環(huán)境條件下能夠自動建立起搜索空間的方法，即導航網(wǎng)格法，其是屬于一個凸多邊形的集合，并且其中的每個單元在各自路徑上處于高度獨立的狀態(tài)，也正是因為這種情況的存在使得此種方法在實際應用的過程中不會受到外界因素的影響，其信息傳遞效果更為理想。其次是網(wǎng)格尋路方法的確定，在進行網(wǎng)格尋路的過程中應該注意確定路徑搜索算法，當前來看，通常會考慮應用盲目搜索以及啟發(fā)式搜索的方式。盲目搜索是指在搜索過程中不考慮節(jié)點的任何信息，一般情況下此種搜索方式會被應用到求解較為簡單的問題中。而對于啟發(fā)式的搜索來說，則是先對一個規(guī)定空間中的搜索位置進行確定，然后按照選好的位置來進行規(guī)律性的搜索，直到發(fā)現(xiàn)最終目標。一般情況下，如果相鄰的兩點并不在開放列表中，應該注意將其添加到列表中，并且計算出相鄰節(jié)點的值。如果兩個相鄰節(jié)點在開發(fā)列表中，則應該對其原始值進行判斷，并且將相鄰節(jié)點的父節(jié)點設置為當前節(jié)點。

4 結語

綜上所述，現(xiàn)階段石油井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)在實際落實應用的過程中發(fā)揮出了理想效果，在進行培訓系統(tǒng)設計的過程中應該充分考慮到井場實際情況以及教學需求，將計算機仿真技術應用到井下作業(yè)培訓系統(tǒng)中可以在很大程度上促進油田培訓工作的開展，這對井下作業(yè)培訓工作來說是一次新的嘗試，同時也提升了教學培訓的效率，并且在整體上降低了培訓成本。從當前我國面向多平臺的石油井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)設計研發(fā)的實際情況來看，其在技術方面仍有待提升，還需要進一步引進先進的仿真培訓理念，并對以往的培訓方式進行積極優(yōu)化轉變。隨著我國科技水平的不斷提升，計算機仿真技術與石油井下作業(yè)培訓系統(tǒng)之間的融合會越來越深入，從而進一步提升仿真培訓系統(tǒng)的完善性，使其成為一種更為先進的培訓方式，有利于提升新學員自身的綜合素質，同時也促進了我國石油井下作業(yè)公司的健康穩(wěn)定發(fā)展。