VRM L虛擬現實技術在油井監控中應用

周英 達州職業技術學院

VRML（Virtual Reality Modeling Language） 是一種用于建立真實世界的場景模型或虛構的三維世界的場景建模語言，具有平臺無關性。其涉及計算機圖形學、精密傳感機構、人機接口及實時圖像處理等領域，被譽為21世紀最有前途的應用技術，目前已經廣泛地應用于各個領域。隨著智能油井監控系統概念的提出，虛擬現實技術已經成為實現油井監控的重要手段之一，為油氣田開發和設計等提供了新的技術平臺[1]。

1 技術應用現狀

虛擬現實技術最大的優勢是交互性和沉浸性，它的實現基于信息快速交互和數據處理的能力。通過數據交互反饋與三維圖形仿真技術完成實時信息交互，快速建立起逼真的虛擬環境，實現虛擬與現實的完美結合。由于虛擬環境建立所需成本較低且可進行重復性試驗，目前該技術已經涉足航天、軍事、通信、建筑和油田生產等各個領域科學研究與生產實踐。例如，可以虛擬地理環境，在不承擔任何風險和代價的情況下，分析規劃水庫并模擬其對周圍生態環境的影響。

2 油井監控系統的發展和需求

現代井下控制涉及地面裝備、井下工具、井眼軌道控制、鉆井液與儲層保護、測量與測試、完井與固井等一切與井下作業有關的施工作業技術。

近年來各種數據采集系統、監控系統在油田生產中得到了廣泛應用。油井遠程監控系統采集數據的準確性、可靠性和便于維護性成為整個系統正常運行的關鍵。目前抽油機井數據監測普遍選用載荷傳感器、角位移傳感器（或脈沖發生器）、RTU監控器、電參量傳感器等設備，分別安裝于懸繩器、游梁及控制柜上，各個信號采用有線方式匯集到RTU監控器上，成本高，安裝工藝復雜，線纜易損壞，不易防盜，維護工作量大，且很難長期可靠地工作[2]。

基于以上情況，結合當今自控技術的發展水平，提出并研發了以無線和嵌入式技術為基礎，將微處理器嵌入到傳感器和轉發器中，使各種傳感器與RTU之間形成無線數據傳輸的設計方案，來實現油井工況的測量、轉換、數據處理、無線通信等功能。

3 3D模擬及虛擬技術

虛擬井下監控裝置能模擬各種惡劣環境，可以對油井現場的外部設備和工作環境建模，可根據鉆井工藝對起下鉆、鉆進、井控等工作流程和可能出現的井噴、火焰、氣泡等現象，進行圖形、圖像和聲音模擬。在對油井監控技術人員進行培訓以及考核方面具有低成本、浸入性強和可重復訓練的特點，從根本上解決了現場培訓考核帶來的種種弊端。它能提高技術人員對油井監控設備的認識，增強對操作規程的熟練程度，實現工作科學化、管理規范化。但沒能將實時井控及監測數據在3D虛擬場景中再現，無法將井下工況形象地再現，在油井監控過程中無法實現有效的人機互動[3]。而且這類模擬器大多都是采用基于Open GL圖形庫，應用3DMAX建模，以C++語言開發的方法，在網絡上傳輸速度慢，無法滿足多用戶異地、實時協作的要求，不能在現場實時有效地監控。

在對油井監控過程進行數學建模的基礎上，設計了3D模擬及虛擬技術模型計算軟件，該軟件逼真地再現了油井現場參數的變化情況。利用3D MAX建模軟件構建了復雜的油井下設備模型，并在Virtools平臺下利用行為模塊控制各模型獨立的運動，開發了動態的油井監控虛擬場景。

4 基于VRML技術的井控模擬裝置

除了上述虛擬現實技術，還有一種基于VRML的虛擬現實技術——井控模擬仿真。它最初是作為應用于Internet上獨立于計算機平臺的多用戶交互式3D網絡語言標準而確立，其具有編程簡單、交互能力較強、低帶寬運行等特點，在遠程系統仿真、網絡教育培訓以及工業生產等領域得到了廣泛應用。

基于VRML的虛擬技術可以有效克服網絡帶寬造成的瓶頸，其生成的三維圖形字節數相當小（一幅三維圖形的字節數相當于用其他軟件繪制的字節數的1/1 000），非常適合網絡傳輸[4]。

井控模擬仿真培訓系統是針對石油行業防井噴作業設計的專業、易用、高效的培訓系統。

在對石油行業從業人員進行井控(防井噴作業)培訓時，不易找到場地，也不易重建溢流、井噴現象。為了解決這個問題，推出了井控模擬仿真培訓系統。系統利用三維場景重建技術真實復現溢流現象，在三維場景中由相應的虛擬人物來代替學員進行操作。為了使學員對井控設備有較為感性的認識，系統中設計有半實物設備（設備外形與真實設備高度一致，其內部電路數字化，可傳送各種信號），學員對半實物設備進行操作時虛擬場景中的虛擬設備也會有相應的動作。井控模擬裝置如圖1所示。

圖1 井控模擬裝置

VRML使用Open Inventor3D場景圖數據結構來建立3D實境，可以很好的與其他三維繪圖工具兼容，直接利用本地計算機便可把接收的指令性文件轉換成極富感染力的3D可視化虛擬環境。而且VRML最具特色和代表性的的特征是具有動態感知節點（如能見度傳感器節點及碰撞傳感器節點等），可以很好地感知用戶和虛擬環境之間的動態交互。這些特點都十分有利于實現具有初步人工智能的、交互式的實時油井監控系統，從而建立虛擬油井3D全息監控系統。

[1]孟永東，田斌．基于Java和My SQL的虛擬現實動態場景構建方法[J]．系統仿真學報，2005，17（9）：2 287-2 290．

[2]周萍萍．基于無線傳感器網絡的油井監控系統設計[J]．油氣田地面工程，2013，32（7）：71-72.

[3]趙慶國，趙華，湛林福，等．虛擬現實技術在石油勘探中的應用[J]．石油大學學報：自然科學版，2005，29（1）：30-33.

[4]鄒紅，包競生，陸津．虛擬現實技術在油田生產建設中的應用[J]．油氣田地面工程，2012，31（9）：81.