油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的設計與開發(fā)研究

賽孜古爾·阿巴拜克力，王 磊，張 偉，陳軍杰，程 澎

（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

如今，在我國新媒體信息時代的大背景下，計算機仿真技術已經(jīng)廣泛應用于各個行業(yè)。計算機仿真技術作為推動我國智能發(fā)展的重要技術之一，其主要作用是將現(xiàn)實轉換為虛擬，并呈現(xiàn)出來。這種技術能夠給用戶帶來身臨其境的體驗，達到用戶與虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境的自然交互的效果。計算機仿真主要使用的是圖形成像技術和顯示技術，通過信息綜合數(shù)據(jù)運行構建出仿真對象的立體模型或者構建出一個近乎真實的現(xiàn)實環(huán)境。油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)便充分應用了計算機技術，通過綜合信息技術、顯示技術、圖像圖形技術構建一個虛擬的、三維的油田井下作業(yè)工具的結構，將井下作業(yè)的工作原理及運用的工藝更加直觀地展現(xiàn)在學員的面前，這樣可以使學員在學習過程中對相關知識點有更為具體的認知，也有利于學員掌握整個作業(yè)過程的各個環(huán)節(jié)。

1 油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的總體設計

開發(fā)油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)旨在對新入職學員進行相關業(yè)務能力的培訓，以確保其后期投入工作中能夠提高工作準確性、質量和效率。這一培訓系統(tǒng)主要運用計算機技術進行三維模擬環(huán)境的構建，是對現(xiàn)實環(huán)境的一種近乎真實的模擬。通過油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)的培訓更能夠激發(fā)學員們的學習興趣，確保良好的教學效果，以此提高教學的效率。學員們通過身臨其境的體驗，能夠更深刻地掌握油田井下作業(yè)的具體工具和采用的施工工藝。油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)主要由三個部分組成，一是試油，二是大修，三是壓裂酸化。從具體的功能上來看，油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)主要包括工藝流程簡述、施工井場瀏覽以及施工工藝模擬。對于上述幾項功能特性來說，其是仿真培訓系統(tǒng)的重要組成部分，也正是因為系統(tǒng)具備上述特性，才使得自身價值得到有效體現(xiàn)。所謂的工藝流程簡述是通過文字和三維結構示意簡圖向學員們展示一些油田井下作業(yè)工藝及操作的基本理論知識。施工井場瀏覽的作用是將油田井下作業(yè)的各個角度全方位地展示給學員，在培訓的過程中，學員可以選擇路徑瀏覽、自由瀏覽、俯視瀏覽等三種不同的瀏覽方式，以便更準確形象地掌握油田井下作業(yè)的各項工藝及工具，清晰地認識到油田井下作業(yè)的內在結構。所謂工具結構及原理演示主要分為三部分：第一部分是油田井下作業(yè)工具外觀的展示，第二部分是油田井下作業(yè)工具結構的展示，第三部分也是最重要的一部分，是對油田井下作業(yè)工具原理的演示。傳統(tǒng)的培訓學院僅僅是通過培訓教師口頭講述或者圖片演示，學員自行在腦海中構建三維立體的模式，這種形式難免會出現(xiàn)或大或小的誤差，而通過將三維仿真技術運用到油田井下作業(yè)的培訓之中，以往學員們難以理解的技術技巧、基礎知識和工作原理也能夠更直觀地掌握。同時在演示的過程中，學員們可以通過自行操作對構建的虛擬環(huán)境中的各個部位和角度進行任意的調整，無論是旋轉，還是放大縮小，甚至是平移，油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)都能夠得以實現(xiàn)，讓學員從任意角度觀察油田井下作業(yè)虛擬環(huán)境。施工工藝模擬作為油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的重中之重，該部分具有其他部分都不可比擬的強大功能，具有較強的知識邏輯性，它能夠實現(xiàn)模擬油田井下作業(yè)的全過程施工，使學員能夠更加直觀和全面地學習施工工藝，從而使學員在真正進行設計操作時能夠更加熟練，大幅度提高工作的質量和效率，也能夠有效減少經(jīng)濟損失，降低成本。

2 油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)特點

首先，仿真性。井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的最大特點體現(xiàn)為其具備仿真特性，可以通過硬件模擬以及軟件效果仿真等手段來為學員學習提供操作平臺以及考核平臺、故障演習平臺等。同時，在借助系統(tǒng)開展仿真培訓時，其所涉及的內容更為豐富，往往不會像傳統(tǒng)的課堂教學那樣枯燥，可以活躍課堂氛圍，通過計算機模擬技術的應用促使受培訓的學員適應多種復雜操作環(huán)境。其次，自主性。對于這一培訓系統(tǒng)來說，在實際開展培訓工作時，往往可以引導學員自主進行知識探索以及學習，使理論與實踐的銜接更為流暢，不會使學員在學習過程中感到枯燥，更為強調學員自身的學習感受。最后，開放性。開放性是油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的重要特征之一，其告別了傳統(tǒng)單一的項目培訓環(huán)境，其以數(shù)字化技術打造了促使學員置身于培訓項目的逼真環(huán)境，使學員在實操過程中獲得身臨其境的感受。同時，井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的運用也使學員可以突破時間以及空間的限制，不必拘泥于特定地點或者時間段，這也使得學員的實踐操作自由程度明顯提升，更加有利于其不斷完善自身技能體系。如果在培訓過程中沒有掌握一些重要的操作技術，則可以重復多次操作，直到掌握操作要點為止，這也使學員在接受培訓過程中充分掌握了自主權。

3 油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)

對于傳統(tǒng)的技術培訓系統(tǒng)來說，在實際運轉的過程中往往會面臨技術培訓資源較為有限、培訓方向較為單一、培訓形式較為固定等情況，這也使得其培訓針對性較差，不能夠很好地適應當前較為復雜的技術理念變動、設備更換、工藝更新等情況的實際需求，也導致了其在耗費人力以及資源的同時并沒有取得理想的技術培訓效果。而隨著我國計算機技術水平的不斷提升，逐漸衍生出電子系統(tǒng)工程與仿真技術，將仿真技術應用到油田作業(yè)數(shù)字化培訓中之后，可以實現(xiàn)對井下作業(yè)全過程的有效設定以及監(jiān)督，并且構建起相應的工藝模板，其具體包括應知理論課程、操作課程以及素材庫等，這也使培訓工作所涉及的內容更為豐富，有利于對接受培訓的學員知識體系進行完善，對提升其綜合工作能力也起到了重要促進作用。目前，油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)包括系統(tǒng)模型的建立和三維引擎設計與實現(xiàn)兩個部分。以下具體介紹這兩個部分的具體操作步驟。

3.1 系統(tǒng)模型的建立

系統(tǒng)模型的建立主要包括兩個方面，分別是物理模型的建立和幾何模型的建立。物理模型的建立也可以稱之為物理建模，其主要創(chuàng)建油田井下作業(yè)內部的質量、重量、形狀的改變模型等。幾何模型的建立即幾何建模，不同于物理建模，幾何建模主要是對三維空間的創(chuàng)建，形成一個立體的空間形狀，兩者相互結合最終形成一個幾近真實的虛擬三維物理模型。油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)主要依靠仿真支撐軟件運行，仿真支撐軟件必須滿足超強的運行能力，現(xiàn)如今，大部分的油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)大部分使用實時三維建模軟件進行模擬建模。需要注意的是在建模的過程中要十分注重多邊形數(shù)量的減少，以此提高程序的使用性能。除此之外，系統(tǒng)模型要極具逼真度，這就要求仿真系統(tǒng)要使用合適的紋理，以此保證圖像處理的良好效果。油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)在建模的過程中還需要加入相應的物理特性，例如，在系統(tǒng)中建立井下作業(yè)工具及結構部件的自由度，確保其能夠自由的平移、縮放和旋轉，除此之外，也可以在基礎之上添加較為復雜的變換。

3.2 三維引擎的設計與實現(xiàn)

油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的主要目的是為了實現(xiàn)用戶之間的互動，因此三維引擎的初始過程要進行十分具體的過程設計，主要有以下幾點：首先，在進行三維圖形像素設計的時候，應該注意將其與當前的實際情況進行結合，要保證各緩沖器的位數(shù)達到標準要求；其次，要注意對系統(tǒng)進行初始化操作，在這一過程中對光照模型的大小以及背景顏色等進行確定；最后，要注意對光照模型進行具體賦值，保證其在實際應用的過程中可以有效發(fā)揮自身功能性。此外，油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)還有另一個比較重要的特點，其主要體現(xiàn)為可以將整個計算機屏幕分為不同的視口，并且每一個視口有自身較為獨特的功能特性，可以根據(jù)不同時間以及不同角度來顯示出相應的模型，這也使得原來占據(jù)屏幕的主通道口只占據(jù)了一小部分屏幕的面積，而將更多的空余屏幕留給了其他子通道，這也使子通道的各項功能得到了有效展示以及利用，從而能夠確保更好的培訓質量和培訓效果，這種功能就是通過多通道顯示實現(xiàn)的。油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)是通過將整個計算機屏幕分成了幾個不同的通道視口，然后用以顯示模型同一時間的不同角度或者是顯示不同的模型，原來的主通道占據(jù)整個屏幕，而次通道只占據(jù)屏幕的一小部分區(qū)域，并作為主通道的子通道。計算機的幀緩沖區(qū)為主要通道，用于顯示其他的三維模型，而右通道則是主要顯示系統(tǒng)中的主要三維場景，通過程序控制，當主通道的顯示內容發(fā)生變化時，右通道的顯示內容也隨即發(fā)生變化，二者之間實現(xiàn)同步改變。在進行開窗演示時，對于主通道視口來說，其所展示的內容是處在開窗過程中的三維模型，新入職的學員在學習的過程中可以實現(xiàn)對多個通道口的有效利用，可以實現(xiàn)以主通道口為基礎來對其他通道口所展示的內容進行觀察，同時，還可以通過控制右下角按鈕的方式來對模型角度進行調換。

4 油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的前景應用

目前，把計算機仿真技術應用于油田井下作業(yè)的培訓系統(tǒng)就目前的實際情況而言，油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的優(yōu)點多于弊端，在一定程度上能夠確保培訓的效果和質量，降低經(jīng)濟成本，減少經(jīng)濟損失。油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)作為一種全新的培訓模式，充分將計算機技術與油田井下作業(yè)工作進行有效結合，在當今新媒體時代的大背景下，此種培訓模式的應用取得了較為理想的效果，受到了行業(yè)內部專家學者的一致認可，同時也使油田培訓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以及應用前景更加明朗，在很大程度上提升了整體培訓教學效果。此外，也降低了培訓的成本費用，具有十分廣闊的發(fā)展前景，未來，油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)將會廣泛應用于油田企業(yè)，促進油田企業(yè)的進一步蓬勃發(fā)展。

5 結語

綜上所述，本文通過闡述油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)的設計原理，并從物理模型的建立和幾何模型的建立兩方面剖析了油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)主要應用計算機操作技術進行三維立體建模，構建幾近現(xiàn)實的自然虛擬環(huán)境，完美還原了油田井下作業(yè)的內部結構和操作工具，再現(xiàn)真實的井下操作環(huán)境。如今，油田井下作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)在多媒體技術與計算機技術的支持下，能夠準確生動地將施工工藝和工作操作步驟展示給新入職學員，大大減少了工作的成本，并且提升了工作效能。