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的日益繁重和專業(yè)技術人員新老交替，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，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習和經(jīng)常性的實裝訓練。但經(jīng)常性的實裝訓練卻不能與理論學習同步展開，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)常性的實裝訓練不切合部隊實際。二是實裝訓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，實裝訓練的經(jīng)費數(shù)額更大。因此實裝訓練經(jīng)費缺口很大，難以保障經(jīng)常性的訓練。

基于上述現(xiàn)實問題，如何才能不間斷地進行實裝操作訓練使進口鉆機盡快形成戰(zhàn)斗力，同時節(jié)約訓練經(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，為訓練提供高仿真平臺。

受訓人員通過模擬臺上的操作面板進行仿真訓練，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)采集設備

數(shù)據(jù)采集設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、訓練能力。

1.2 軟件構(gòu)成及功能

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

圖1 仿真訓練軟件組成

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 仿真訓練

仿真訓練系統(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練，這種運行模式能方便對操作員進行專項培訓，適用于不同工作崗位上的技術人員培訓，也適用于對于某項操作不熟練的技術人員培訓。操作培訓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)嘤枴?/p>

(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 主要技術參數(shù)

2.1 訓練模擬系統(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)︺@機訓練操作進行模擬，并具有訓練科目、內(nèi)容、條件等設置功能；(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 設計構(gòu)想

利用鉆井機輔助操作平臺進行模擬訓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。因此訓練模擬臺操作面板設置了與實裝控制裝置布局完全一致的開關、指示燈及手柄，訓練人員通過對主控機模擬操作平臺各種開關、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，將模擬出的設備運行狀態(tài)通過視聽設備展示出來，完成整個鉆機操作模擬。而且，可以通過軟件對訓練科目、內(nèi)容、條件等進行設置，從而有針對性的進行訓練。在設計中，始終遵循仿真原則，使訓練模擬器材的操作與實裝的操作一致，保證模擬訓練的擬實性，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備反饋給受訓人員。操作臺完成操作控制、指令輸入，實時仿真設備完成指令控制和效果顯示，采集設備完成數(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進行復制。操作桿、按鈕、儀表盤采用市場采購與設計加工相結(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，再為這些開關配置電源驅(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)域顯示仿真設備的目前運行狀態(tài)，動力設備啟動狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)等仿真設備的內(nèi)部參數(shù)。

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

(3)設備參數(shù)欄。提供仿真設備的所有面板儀表，顯示按比例繪制設備的操作面板，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備的動作影響及設備實際動作狀況。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 仿真訓練

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

圖5 訓練、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練模擬臺故障，通過測試仿真機與數(shù)據(jù)采集設備間的通訊狀態(tài)，可以顯示操作面板上的操縱設備(搖桿、按鈕)是否正常連接，并可以控制模擬臺相關指示燈的動作。

3.3.3 環(huán)境設置

環(huán)境設置模塊主要用于設置仿真訓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 關鍵技術問題及解決措施

4.1 關鍵技術問題分析

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。而用仿真設備去實際模擬一個大型、復雜的鉆井設備，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、行程開關或者電位器編碼器等傳感設備，在數(shù)據(jù)采集端采用PLC作為采集系統(tǒng)核心設備，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，將大大節(jié)約開發(fā)的技術成本、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備，利用大尺寸顯示設備的高分辨率優(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)的復雜變化，設計同時顯示圖形、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)代仿真技術近年來的長足發(fā)展為本項目的研制提供了良好的技術基礎。鉆機訓練模擬器基本上采用成熟技術，硬件基于成熟的PC平臺和總線網(wǎng)絡平臺，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 應用效果

該項課題研制成功后，針對給水工程保障任務的日益繁重和專業(yè)技術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，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、石油等工程施工領域同類型鉆井機的操作使用培訓，因此，該設備具有較高的軍事、經(jīng)濟效益和廣闊的推廣應用前景，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練環(huán)境，遵循仿真原則，充分利用仿真計算機技術和虛擬仿真技術，使訓練模擬器材的操作與實裝的操作一致，保證模擬訓練的擬實性。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，受訓人員進入訓練工位便可以模擬完成鉆機作業(yè)的訓練。在訓練模式下，還能夠提供相應的操作向?qū)崾?、錯誤提示，能夠使受訓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，全面掌握裝備的性能和提高訓練效果與水平，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。在方案設計中，吸取相似產(chǎn)品的先進技術，充分利用仿真計算機技術和虛擬仿真技術，進行系統(tǒng)優(yōu)化設計，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。在設計中認真貫徹執(zhí)行《武器裝備研制的標準化工作規(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)品具有較高的標準化程度。盡量采用成熟技術和成熟工藝，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，其中組態(tài)軟件更是具有延續(xù)性、可擴充性和封裝性(易學易用)。

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