敖春來，呂光輝，柳銳濤，張凱祥

(1.中國人民解放軍68612部隊，寧夏 銀川 750021； 2.中國人民解放軍66259部隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.寧夏機械研究院股份有限公司，寧夏 銀川 750021)

0 引言

鉆井機作為水文水井鉆探施工中的核心設(shè)備，也是給水工程保障的主要裝備。隨著近年來部隊給水工程保障任務(wù)的日益繁重和專業(yè)技術(shù)人員新老交替，新一代鉆井機裝備部隊后，如何使廣大官兵快速掌握先進鉆井機操作要領(lǐng)，使新裝備盡快形成戰(zhàn)斗力，同步提高給水部隊遂行野戰(zhàn)給水工程保障能力，成為困擾給水部隊的重、難點問題。

戰(zhàn)斗力的生成離不開扎實的理論學(xué)習(xí)和經(jīng)常性的實裝訓(xùn)練。但經(jīng)常性的實裝訓(xùn)練卻不能與理論學(xué)習(xí)同步展開，主要原因有以下幾點：一是鉆井作業(yè)展開要求高、難度大。如使用新一代進口鉆機鉆進一眼上千米的水井，需要花費幾百萬甚至上千萬元的經(jīng)費，即使是只組裝裝備，不進行實際鉆井施工，也需要動用運輸車、吊車、平拖、挖掘機、推土機、空壓機、發(fā)電機、泥漿泵站等近百臺(部)裝備，還要考慮鉆井機對道路、施工場地的諸多方面要求。因此使用鉆機進行經(jīng)常性的實裝訓(xùn)練不切合部隊實際。二是實裝訓(xùn)練與裝備保障矛盾突出。新裝備操作與保障要求高，一旦損壞不僅維修費用高，更重要的是零配件維修保障困難。三是實裝訓(xùn)練經(jīng)費需求量與缺口大。國外引進鉆井機每年的正常維護保養(yǎng)經(jīng)費數(shù)額大，實裝訓(xùn)練的經(jīng)費數(shù)額更大。因此實裝訓(xùn)練經(jīng)費缺口很大，難以保障經(jīng)常性的訓(xùn)練。

基于上述現(xiàn)實問題，如何才能不間斷地進行實裝操作訓(xùn)練使進口鉆機盡快形成戰(zhàn)斗力，同時節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費，降低裝備保障難度就成為擺在我們面前的刻不容緩的現(xiàn)實問題。經(jīng)多方深入研究和詳細論證，結(jié)合部隊訓(xùn)練實際，我們研制了鉆井機輔助操作平臺。

該平臺主要用于對操作人員進行鉆機裝備的模擬訓(xùn)練，使操作員迅速熟悉鉆機的操作和使用方法，全面掌握裝備的性能和提高訓(xùn)練效果與水平。

1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件構(gòu)成及功能

1.1.1 操作臺

操作臺主要由1∶1仿真操作面板和操控元件組成，主要完成以下功能：

(1)輸入訓(xùn)練操控信號(含人工作業(yè)信號模擬)；

(2)模擬鉆機操作平臺，為訓(xùn)練提供高仿真平臺。

受訓(xùn)人員通過模擬臺上的操作面板進行仿真訓(xùn)練，進行鉆機裝備的仿真作業(yè)控制?？刂泼姘宓耐庥^尺寸、手柄按鈕布局及操控邏輯與實裝相同。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備是操縱面板和仿真機進行數(shù)據(jù)交換的主要手段，負責(zé)將操縱面板控制電信號轉(zhuǎn)換為仿真機可以識別的數(shù)據(jù)幀，并將仿真機生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為操縱面板的聲、光信號。

1.1.3 仿真機

在仿真機上裝有鉆機的虛擬模擬器系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)采集裝置實時采集各操作面板的控制信息，利用事件觸發(fā)實時反饋操作動作，播放真實動作畫面，提高教學(xué)、訓(xùn)練能力。

1.2 軟件構(gòu)成及功能

如圖1所示，鉆機訓(xùn)練模擬器系統(tǒng)軟件包括信號接受處理模塊、模擬動作反饋模塊、仿真訓(xùn)練和系統(tǒng)幫助四大部分。

圖1 仿真訓(xùn)練軟件組成

1.2.1 信號接受處理模塊

本模塊將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的信號接收處理，使得鉆井仿真訓(xùn)練模擬器有可操作的接入控制信號。

1.2.2 模擬動作反饋模塊

動作反饋處理模塊將生成場景及設(shè)備動作影音效果，根據(jù)工作現(xiàn)場錄制的視頻、拍攝的照片、采訪資料等材料整理成格式化文件，利用多媒體資料數(shù)據(jù)庫集中處理管理，及時為操作人員和在場觀摩人員提供操作模擬情況，將信息文件反饋給展示系統(tǒng)。

1.2.3 仿真訓(xùn)練

仿真訓(xùn)練系統(tǒng)有操作和考試兩種運行模式。

(1)操作模式。操作聯(lián)系模式提供模塊化的向?qū)铰?lián)系，將鉆機整個作業(yè)流程分解成若干動作步驟，操作員可以根據(jù)自己的需求選擇進行專項訓(xùn)練，這種運行模式能方便對操作員進行專項培訓(xùn)，適用于不同工作崗位上的技術(shù)人員培訓(xùn)，也適用于對于某項操作不熟練的技術(shù)人員培訓(xùn)。操作培訓(xùn)模式提供了鉆機整個生產(chǎn)作業(yè)流程分步完成打井作業(yè)過程的向?qū)嘤?xùn)。

(2)考試模式。對操作員每一步操作步驟是否合格，軟件提供考核評判?？己四Ｊ娇梢蕴峁┪淖中畔⒁部梢栽O(shè)置成視頻信息反饋，為考試人員提供有限的幫助或者完全無幫助操作。為技能訓(xùn)練考核提供一系列手段。

1.2.4 系統(tǒng)幫助

通過系統(tǒng)幫助模塊，受訓(xùn)人員可以閱讀實裝和模擬器的構(gòu)造、工作原理和使用維護說明。

2 主要技術(shù)參數(shù)

2.1 訓(xùn)練模擬系統(tǒng)

(1)模擬器操作平臺的面板布置、操縱桿的操作方式和特性與實際裝備保持一致；(2)能夠?qū)︺@機訓(xùn)練操作進行模擬，并具有訓(xùn)練科目、內(nèi)容、條件等設(shè)置功能；(3)具有鉆機作業(yè)場景模擬顯示功能，提供逼真的臨場感；(4)在訓(xùn)練過程中具有提示向?qū)Чδ?，提示以文字、動態(tài)圖片的方式在系統(tǒng)畫面出現(xiàn)。

2.2 視窗系統(tǒng)

(1)提供場景模擬；(2)提供操作細致化動作視頻展示。

2.3 仿真計算系統(tǒng)

(1)雙核CPU、主頻2.5 GHz以上，硬盤1 T以上，內(nèi)存2 G以上；(2)采用Windows操作系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)可靠性

(1)連續(xù)工作時間≥4 h；(2)平均故障間隔時間≥100 h；(3)工作溫度0～40 ℃；(4)相對濕度≤85%；(5)電源AC220 V±10%。

3 原理和功能

3.1 設(shè)計構(gòu)想

利用鉆井機輔助操作平臺進行模擬訓(xùn)練的目的是使操作員熟悉掌握鉆機裝備的實際作業(yè)步驟和操控方法。鉆井機實裝操作中，操作人員通過操縱手柄、按鈕等經(jīng)過機械、液壓或電控裝置直接對鉆機作業(yè)機構(gòu)施加動作控制。因此訓(xùn)練模擬臺操作面板設(shè)置了與實裝控制裝置布局完全一致的開關(guān)、指示燈及手柄，訓(xùn)練人員通過對主控機模擬操作平臺各種開關(guān)、手柄的控制，通過軟、硬件接口將實際的操縱信息轉(zhuǎn)化為三維動畫或視頻，將模擬出的設(shè)備運行狀態(tài)通過視聽設(shè)備展示出來，完成整個鉆機操作模擬。而且，可以通過軟件對訓(xùn)練科目、內(nèi)容、條件等進行設(shè)置，從而有針對性的進行訓(xùn)練。在設(shè)計中，始終遵循仿真原則，使訓(xùn)練模擬器材的操作與實裝的操作一致，保證模擬訓(xùn)練的擬實性，實現(xiàn)作業(yè)動作和功能的模擬以及作業(yè)環(huán)境、噪聲的模擬。

3.2 設(shè)計原理

針對鉆機操作的特點，采用半實物仿真模擬開展項目研制，即采用仿實方案，操作結(jié)果通過電視或投影顯示設(shè)備反饋給受訓(xùn)人員。操作臺完成操作控制、指令輸入，實時仿真設(shè)備完成指令控制和效果顯示，采集設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集和通訊，仿真機實現(xiàn)虛擬鉆機模擬訓(xùn)練等后臺操作數(shù)據(jù)處理。整套系統(tǒng)依托西門子工業(yè)PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集匯總，交由工控計算機配合組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)處理，最后輸出給顯示平臺做人機交互(見圖2)。

圖2 半實物仿真原理框圖

3.2.1 操作臺

測繪鉆機實際操作臺，1∶1進行復(fù)制。操作桿、按鈕、儀表盤采用市場采購與設(shè)計加工相結(jié)合的方式，操作桿及按鈕需要改造，為信號采集提供接口及測量設(shè)備的安裝。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

操作臺的操作輸入分為數(shù)字量型輸入和模擬量型輸入兩種類型。

(1)數(shù)字量型輸入，包括發(fā)動機離合器掛擋、慢給進啟動閥、減壓鉆進旁通閥、輔助卷揚支臂伸縮手柄、主卷揚手柄等，將這類按鈕、操作桿背后連接微動開關(guān)，再為這些開關(guān)配置電源驅(qū)動放大，使其轉(zhuǎn)換為仿真機的數(shù)字量采集卡能夠識別的電壓信號。

(2)模擬量型輸入信號，包括鉆壓調(diào)節(jié)閥、慢給進調(diào)節(jié)閥、泥漿泵調(diào)節(jié)閥、給進壓力控制閥等。這些信號采集配合一定的傳感器設(shè)備將其放大信號變?yōu)榉抡鏅C模擬量采集卡能接收的電壓信號，或者通過檢測設(shè)備的通信模塊與計算機通信接口進行通信，使得仿真機能得到所有需要的數(shù)據(jù)。

采集系統(tǒng)使用西門子工業(yè)PLC，可以可靠準(zhǔn)確的判斷出操作動作，并通過工業(yè)總線與仿真機連接，傳輸仿真機可以直接識別使用的數(shù)據(jù)。所有信號采集可以控制在4 ms之內(nèi)，保證數(shù)據(jù)實時性和操作動作的精確性(見圖3)。

圖3 信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 仿真機

仿真機以Windows為開發(fā)系統(tǒng)平臺，以研華工業(yè)計算機提供硬件平臺，由WinCC組態(tài)工程軟件完成開發(fā)設(shè)計。工業(yè)計算機提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，WinCC組態(tài)工程軟件是西門子公司為工業(yè)軟件開發(fā)設(shè)計的工程開發(fā)軟件，具有安全、穩(wěn)定的特點。采集系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)平臺采用PROFIBUS總線通信，也是由西門子公司開發(fā)的世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為成功廣泛的工業(yè)現(xiàn)場總線之一，數(shù)據(jù)傳輸速度為12 kbps，具有高可靠性高實時性等特點(見圖4)。

圖4 仿真機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

仿真機的人機交互方式選用視頻、圖片和文字提醒方式展示，根據(jù)采集來的操作信號，實時反饋。顯示輸出使用80 in LED顯示屏幕或投影屏幕，輸出的屏幕分4部分。

(1)狀態(tài)參數(shù)欄。該欄在屏幕的最上方，該區(qū)域顯示仿真設(shè)備的目前運行狀態(tài)，動力設(shè)備啟動狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)等仿真設(shè)備的內(nèi)部參數(shù)。

(2)操作指導(dǎo)欄。該欄在屏幕左側(cè)，提供設(shè)備操作提示步驟，可以回顧操作者操作過程。

(3)設(shè)備參數(shù)欄。提供仿真設(shè)備的所有面板儀表，顯示按比例繪制設(shè)備的操作面板，仿真系統(tǒng)的模擬表都將出現(xiàn)在面板上，會根據(jù)系統(tǒng)計算出的數(shù)值，完全模擬實現(xiàn)儀表顯示。

(4)提示欄。該欄在屏幕右側(cè)，分為動作演示窗口和報警、提示信息窗口。

動作演示窗口會根據(jù)操作者的操作動作，經(jīng)過計算模擬播放錄制好的動作錄像，使操作者能直觀地看到在實操時對設(shè)備的動作影響及設(shè)備實際動作狀況。報警、提示信息窗口會提供出錯報警及危險提示。

3.3 主要功能

3.3.1 仿真訓(xùn)練

系統(tǒng)建立訓(xùn)練過程模塊和考試模塊并配備數(shù)據(jù)庫，用以滿足兩種訓(xùn)練模式實現(xiàn)(見圖5)。

圖5 訓(xùn)練、考核模塊結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 系統(tǒng)檢測

系統(tǒng)檢測主要用于診斷訓(xùn)練模擬臺故障，通過測試仿真機與數(shù)據(jù)采集設(shè)備間的通訊狀態(tài)，可以顯示操作面板上的操縱設(shè)備(搖桿、按鈕)是否正常連接，并可以控制模擬臺相關(guān)指示燈的動作。

3.3.3 環(huán)境設(shè)置

環(huán)境設(shè)置模塊主要用于設(shè)置仿真訓(xùn)練時的虛擬場景參數(shù)，包括背景音效、工況選擇、視角參數(shù)設(shè)置等。

3.3.4 圖形、影像計算

圖形、影像輸出，依靠組態(tài)軟件的控件工具實現(xiàn)，將采集好的視頻錄像、圖形、音像以及部分三維立體展示模型轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)可直接利用的文檔形式。系統(tǒng)運行中需要輸出圖形、影像等展示、顯示多媒體信息時，通過組態(tài)軟件內(nèi)嵌控件，實現(xiàn)調(diào)用?？丶峁┒喾N調(diào)用參數(shù)，可控制多媒體的播放進度、時間、循環(huán)、速度、大小和縮放等功能。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決措施

4.1 關(guān)鍵技術(shù)問題分析

4.1.1 操作臺操作元件的信號轉(zhuǎn)換

仿真操作臺是按照真實鉆井操作臺仿制，操作臺上布滿的操作元件在實際中均是有動作含義的，而且實裝設(shè)備操作臺背后的連桿、按鈕、旋鈕等元件均有執(zhí)行機構(gòu)、連桿機構(gòu)。而仿真操作臺則沒有，信號的采集是一個很大的挑戰(zhàn)。

4.1.2 程序編輯

由于仿真設(shè)備是自主研制，因此沒有成熟的直接可以使用的軟件，必須使用計算機軟件開發(fā)，因此開發(fā)成本、人才、時間成為制約方案成功率的不確定性因素。

4.1.3 人機交互

仿真系統(tǒng)是否能起到訓(xùn)練效果，是否能真正模仿鉆機的現(xiàn)場操作，是否有臨場感，這些都需要輔助操作平臺具有良好人機交互能力。而用仿真設(shè)備去實際模擬一個大型、復(fù)雜的鉆井設(shè)備，是非常困難的。尤其操作時的動作反饋，既要對操作動作及時響應(yīng)還要正確模擬和展示操作結(jié)果。

4.2 解決措施

4.2.1 操作臺操作元件的信號轉(zhuǎn)換

仿真設(shè)備要將這些操作元器件的信號全部采集起來，需要可靠的信號采集系統(tǒng)。針對信號的采集和轉(zhuǎn)換，在操作端改造操作元件，在操作桿、按鈕、旋鈕等操作元件背后，加裝用以采集信號的接近開關(guān)、行程開關(guān)或者電位器編碼器等傳感設(shè)備，在數(shù)據(jù)采集端采用PLC作為采集系統(tǒng)核心設(shè)備，配備專門的模擬量輸入輸出模塊，穩(wěn)定可靠的解決信號的采集問題。

4.2.2 程序編輯

采用西門子WinCC組態(tài)軟件，WinCC能為工業(yè)領(lǐng)域提供完備的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)功能。具有良好的開放性和靈活性。其最大的優(yōu)勢就是開發(fā)程序只需集中組態(tài)軟件的編程技術(shù)，將大大節(jié)約開發(fā)的技術(shù)成本、人力成本和時間成本。

4.2.3 人機交互

為仿真系統(tǒng)的交互性，采用了兩個解決方案相輔相成：

一是在硬件上采用大尺寸液晶電視或投影屏幕作為展示設(shè)備，利用大尺寸顯示設(shè)備的高分辨率優(yōu)勢，同窗口多欄目，完成操作臺指示、步驟提示、操作結(jié)果演示和系統(tǒng)狀態(tài)顯示，全面完整的信息展示更好的模仿了實操訓(xùn)練。

二是多效果顯示操作結(jié)果，針對操作過程中出現(xiàn)的復(fù)雜變化，設(shè)計同時顯示圖形、錄像、文字、動畫等提示信息，并附有聲像模擬。例如某動作執(zhí)行時，畫面將同時播放實拍的視頻信息、現(xiàn)場錄制的音頻資料并根據(jù)設(shè)置可選操作向?qū)?。全方位的現(xiàn)場信息提供了良好的臨場感。

現(xiàn)代仿真技術(shù)近年來的長足發(fā)展為本項目的研制提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。鉆機訓(xùn)練模擬器基本上采用成熟技術(shù)，硬件基于成熟的PC平臺和總線網(wǎng)絡(luò)平臺，操作臺等人機接口器件采用與實裝相同的方案；軟件開放度好，便于進行二次開發(fā)。

5 應(yīng)用效果

該項課題研制成功后，針對給水工程保障任務(wù)的日益繁重和專業(yè)技術(shù)人員新老交替的實際，能夠使廣大官兵快速掌握先進鉆機操作要領(lǐng)，使新裝備盡快形成戰(zhàn)斗力，大幅提高了給水部隊遂行野戰(zhàn)給水工程保障能力，符合未來高技術(shù)條件下給水部隊快速構(gòu)筑給水站的要求。通過近兩年的實際運用，得到了參訓(xùn)者的一致好評。該成果也得到了兄弟單位的青睞，正在積極洽談合作事宜。該鉆井機輔助操作平臺也適用于水利、礦山、石油等工程施工領(lǐng)域同類型鉆井機的操作使用培訓(xùn)，因此，該設(shè)備具有較高的軍事、經(jīng)濟效益和廣闊的推廣應(yīng)用前景，社會、經(jīng)濟效益顯著。

6 結(jié)語

(1)鉆井機輔助操作平臺主要是用于為操作人員提供模擬操作訓(xùn)練環(huán)境，遵循仿真原則，充分利用仿真計算機技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，使訓(xùn)練模擬器材的操作與實裝的操作一致，保證模擬訓(xùn)練的擬實性。鉆井機輔助操作平臺與實裝相同的操作界面，仿真作業(yè)時的視覺、聽覺操作環(huán)境，操作邏輯與實裝基本相同，受訓(xùn)人員進入訓(xùn)練工位便可以模擬完成鉆機作業(yè)的訓(xùn)練。在訓(xùn)練模式下，還能夠提供相應(yīng)的操作向?qū)崾?、錯誤提示，能夠使受訓(xùn)人員更快更全面的掌握操作步驟和方法。

(2)鉆井機輔助操作平臺能夠使廣大官兵不間斷進行實裝操作訓(xùn)練，使操作員迅速熟悉鉆機的操作和使用方法，快速掌握進口鉆機操作要領(lǐng)，全面掌握裝備的性能和提高訓(xùn)練效果與水平，使新裝備盡快形成戰(zhàn)斗力，同步提高給水部隊遂行野戰(zhàn)給水工程保障能力和非戰(zhàn)行動中礦難救援能力。

(3)鉆井機輔助操可解決目前給水部隊實裝訓(xùn)練中的多個難題，比如克服了使用進口鉆機鉆井作業(yè)展開要求高、難度大，以及進行經(jīng)常性的實裝訓(xùn)練維修費用高、零配件維修保障難、經(jīng)費需求缺口大等實際困難，確保了實裝訓(xùn)練安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗。

(4)整機性能優(yōu)越，性價比高，實用性強。在方案設(shè)計中，吸取相似產(chǎn)品的先進技術(shù)，充分利用仿真計算機技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，保證產(chǎn)品具有先進性。此外，還充分考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性，在滿足使用要求的前提下，提高產(chǎn)品的性價比。在設(shè)計中認真貫徹執(zhí)行《武器裝備研制的標(biāo)準(zhǔn)化工作規(guī)定》的要求，提高產(chǎn)品的通用化、系列化、模塊化水平，使產(chǎn)品具有較高的標(biāo)準(zhǔn)化程度。盡量采用成熟技術(shù)和成熟工藝，使產(chǎn)品具有較好的工藝性。

(5)采用多媒體文件進行動畫演示，臨場效果好，直觀。

(6)使用PLC完成控制臺的操作信號采集，匯集操作數(shù)據(jù)，采集速度高，響應(yīng)快。

(7)使用工業(yè)計算機、PLC、組態(tài)軟件進行開發(fā)，立足于成熟工業(yè)技術(shù)，其中組態(tài)軟件更是具有延續(xù)性、可擴充性和封裝性(易學(xué)易用)。

總之，鉆井機輔助操作平臺的研發(fā)，為給水部隊?wèi)?zhàn)斗力提升、為鉆探行業(yè)的人才培養(yǎng)、技術(shù)革新帶來了新的手段和嘗試，具有廣闊的應(yīng)用前景。