胡楠，王維旭，賀環(huán)慶，王蘭（寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002）

半潛式鉆井平臺司鉆虛擬操作系統(tǒng)設(shè)計

胡楠，王維旭，賀環(huán)慶，王蘭（寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002）

1　引言

我國海岸線長達1.8萬公里，居世界第四位。按照《聯(lián)合國海洋公約》的有關(guān)規(guī)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(nèi)的300多萬平方公里的藍色國土中，石油地質(zhì)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(nèi)海洋石油勘探開發(fā)向深水方向進軍，世界各國都在競相研究開發(fā)適應(yīng)于深水的石油鉆機。由于深水海洋石油鉆井的特殊性與復(fù)雜性，深水石油鉆機無論從結(jié)構(gòu)配置、功能及操作復(fù)雜性和安全性諸多方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這對深水鉆機的操作者和管理者的素質(zhì)提出了更高的要求，深水鉆機虛擬操作系統(tǒng)便應(yīng)運而生。計算機數(shù)字仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為研制上述系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的技術(shù)保障。

2　系統(tǒng)設(shè)計的總體思路與研發(fā)目標(biāo)

早期的陸上石油鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)大多采用3DS Max建模，應(yīng)用VC++與OpenGL圖形編程技術(shù)對三維模型進行控制。該方案技術(shù)難度高、編程工作量大、系統(tǒng)開發(fā)周期長，加之海上鉆井設(shè)備和工藝流程的復(fù)雜性，使得此種開發(fā)方案對系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)方法。

虛擬現(xiàn)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(shù)，它利用計算機生成三維的、基于感知信息的模擬環(huán)境，并可使用戶與虛擬環(huán)境進行交互。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于虛擬漫游、視景仿真培訓(xùn)以及科學(xué)可視化等領(lǐng)域，這為研發(fā)深水石油鉆機虛擬操作系統(tǒng)（鉆機虛擬培訓(xùn)器）提供了技術(shù)應(yīng)用。

系統(tǒng)的總體架構(gòu)采用桌面式VR系統(tǒng)，利用三維建模技術(shù)構(gòu)建環(huán)境場景、鉆井平臺、鉆機系統(tǒng)的三維仿真環(huán)境，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、通訊接口技術(shù)和工業(yè)自動化控制技術(shù)實現(xiàn)虛擬鉆井設(shè)備的實時交互。

依據(jù)深水石油鉆機虛擬操作系統(tǒng)研制的總體思路，確定虛擬操作系統(tǒng)的研發(fā)目標(biāo)包括三方面內(nèi)容：

（1）實時模擬培訓(xùn)

深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)能具備模擬海洋鉆井平臺三維環(huán)境與司鉆三維工作場景、虛擬鉆井設(shè)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(shè)備實時交互、主副司鉆同時進行培訓(xùn)之功能。

（2）虛擬漫游

深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)能具有虛擬漫游之功能，自主或受控展現(xiàn)深水鉆機與鉆柱自動化處理系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)功能驗證

深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)能部分實現(xiàn)鉆井及管柱處理系統(tǒng)功能驗證、通訊接口功能驗證等功能。

3　系統(tǒng)方案設(shè)計

深水鉆機司鉆實時虛擬操作培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，這里涉及到建模、模型表現(xiàn)、自動控制、通訊等諸多技術(shù)，需要不同領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員協(xié)同配合、不同資源的有效整合。依據(jù)上述總體思路與研發(fā)目標(biāo)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)為基于工業(yè)以太網(wǎng)，采用C/S模式，借助基于OPC通訊技術(shù)，實現(xiàn)實際控制設(shè)備對虛擬設(shè)備的控制與數(shù)字通訊。系統(tǒng)在功能上可具體分為三個子系統(tǒng)：三維仿真子系統(tǒng)、司鉆控制子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)。其中交互式虛擬仿真系統(tǒng)主要由：設(shè)備運行管理系統(tǒng)、司鉆操作臺系統(tǒng)、圖像生成與顯示系統(tǒng)、計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、接口采集系統(tǒng)、電源電路系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件組成，詳細的系統(tǒng)構(gòu)建圖，如圖1交互式虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織圖所示：

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織圖

按照圖1虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織圖的框架結(jié)構(gòu)，深水鉆機虛擬仿真系統(tǒng)效果圖，如圖2司鉆虛擬操作培訓(xùn)系統(tǒng)效果圖所示。

圖2 司鉆虛擬操作培訓(xùn)系統(tǒng)效果圖

3.1三維仿真子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)采用目前成熟且成本較低的桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)司鉆操作三維虛擬設(shè)備。

該子系統(tǒng)是體現(xiàn)虛擬操作系統(tǒng)開發(fā)水平的關(guān)鍵所在，包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。

硬件應(yīng)具有較強的圖形處理能力，應(yīng)選擇高性能圖形工作站；為增加沉浸感，應(yīng)模擬實際司鉆視角選擇并布置相應(yīng)液晶顯示設(shè)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(gòu)建場景及設(shè)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(xiàn)在對導(dǎo)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、EON Studio、Cult3D、VR-Platform等。

3.2司鉆控制子系統(tǒng)

司鉆控制子系統(tǒng)采用實際的工控系統(tǒng)，包括司鉆臺、司鉆椅、PLC、IPC、工控軟件等實際設(shè)備，實現(xiàn)實際控制器對虛擬鉆機設(shè)備的控制。司鉆椅和手柄按鈕等發(fā)送控制指令，經(jīng)由PLC采集后，根據(jù)PLC里的控制算法和程序運行，輸出的控制指令經(jīng)過以太網(wǎng)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(tài)、參數(shù)等信息也可通過以太網(wǎng)在WinCC界面上顯示。司鉆控制子系統(tǒng)控制方案圖如圖3所示。

圖3 司鉆虛擬仿真控制系統(tǒng)方案圖

3.3通訊子系統(tǒng)

通訊子系統(tǒng)基于以太網(wǎng)絡(luò)，采用OPC通信技術(shù)，通過接口開發(fā)，實現(xiàn)虛擬設(shè)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(tǒng)硬件的實時通訊、同步、互動，支持實物操作臺操作虛擬設(shè)備，開放系統(tǒng)接口和代碼，可自己進行后續(xù)功能開發(fā)。

4　結(jié)語

交互式深水鉆機司鉆虛擬操作系統(tǒng)改變了目前鉆機司鉆操作培訓(xùn)模式，成為提高司鉆培訓(xùn)效率、降低培訓(xùn)成本的有效方式之一。實現(xiàn)鉆機虛擬操作的關(guān)鍵在于仿真子系統(tǒng)與通訊子系統(tǒng)的生成質(zhì)量，應(yīng)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(tǒng)的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量。同時，本文針對半潛式鉆井平臺司鉆虛擬操作系統(tǒng)從設(shè)計基本思路、原理、預(yù)期目標(biāo)等方向做了簡要的概述，為后期進一步開發(fā)鉆井平臺司鉆虛擬操作系統(tǒng)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。必須明確在實現(xiàn)深水鉆機鉆井平臺司鉆虛擬操作系統(tǒng)開發(fā)的過程中還有很多的工作需要進行。例如：研究科學(xué)合理的系統(tǒng)硬件配置以降低成本；探究高效的交互式界面實現(xiàn)手段，可考慮加入聲音、反饋力、晝夜光線等真實環(huán)境因素，進一步提高虛擬操作系統(tǒng)的浸入感，實現(xiàn)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(tǒng)的研究成果科學(xué)合理的移植到現(xiàn)實的鉆井裝備中，從根本上提高鉆井裝備的安全、高效運行。

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Design of Virtual Driller’s Operating System on Semi-submersible Drilling Platform

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為在虛擬的數(shù)字世界中給人類營造真實的自然場景、生成人類想要表現(xiàn)和操作的對象提供了極為有效的技術(shù)手段和方法，由于其在經(jīng)濟性和安全性方面突出的表現(xiàn)，使其成為目前處理高端復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)難題的有效解決方案。本文提出的半潛式鉆井平臺司鉆虛擬操作系統(tǒng)設(shè)計的主要目標(biāo)是設(shè)計用于深水鉆機司鉆操作培訓(xùn)的虛擬操作培訓(xùn)系統(tǒng)，以解決深水半潛式鉆井平臺司鉆操作的培訓(xùn)難題。

虛擬現(xiàn)實；深水鉆機；鉆井平臺；司鉆操作系統(tǒng)

In virtual digital world, the VR can construct real natural scene and produce the objects which humans want to show and operate. Due to the outstanding superiorities, such as safety and economic efficiency, the VR becomes an effective solution in processing the high-end complex system. The purpose of this paper is to design a virtual operating system which can be used to train deep water drilling rig ‘drillers in order to solve the drillers’ training problems of semi-submersible drilling platform on deep water.

Virtual reality; Deep water drilling rig; Drilling platform; Driller's operating system

B 文章編號：1003-0492(2015)01-0082-02 中圖分類號：TP273

胡楠（1982- ），男，陜西藍田人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于寶雞石油機械有限責(zé)任公司，主要從事鉆機及其相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)工作。

王維旭（1978- ），男，青海樂都人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于寶雞石油機械有限責(zé)任公司，主要從事鉆機及其相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)工作。

賀環(huán)慶（1975- ），男，陜西神木人，工程師，本科，現(xiàn)就職于寶雞石油機械有限責(zé)任公司，主要從事鉆機及其相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)工作。

王蘭（1986- ），女，四川大邑人，助理工程師，本科，現(xiàn)就職于寶雞石油機械有限責(zé)任公司，主要從事鉆機及其相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)工作。

★國家863計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域研究課題《深水鉆機與鉆柱自動化處理關(guān)鍵技術(shù)研究》，課題編號2012AA09A203。