基于虛擬仿真技術的鉆探工藝實驗平臺研究

陳 晨, 孫友宏， 趙富章， 陳寶義， 王清巖， 趙 研， 馬銀龍

(吉林大學 建設工程學院，國家級地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心, 長春 130021)

基于虛擬仿真技術的鉆探工藝實驗平臺研究

陳 晨, 孫友宏， 趙富章， 陳寶義， 王清巖， 趙 研， 馬銀龍

(吉林大學 建設工程學院，國家級地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心, 長春 130021)

介紹了虛擬仿真技術在吉林大學鉆探工藝實驗平臺建設中應用，提出了鉆探工藝平臺的建設目標和技術實現；論述了教學平臺的特色和實踐。鉆探工藝實驗平臺的建設結合了虛擬現實、網絡通信以及數據庫等技術，改善了教學環境；將復雜的鉆探過程變為室內常態化的教學過程，實現了理論與實踐相結合的目標，代表了現代化實驗與實踐教學平臺未來發展的趨勢。

鉆探工藝； 虛擬仿真技術； 地質工程； 實驗平臺建設

0 引 言

鉆探工程是一項系統工程，是多專業、多工種利用多種設備、工具、材料進行的聯合作業。具有看不到、摸不著的特點，而且施工過程具有相當的復雜性，往往受到現場環境和安全條件的制約。所以，對于鉆探這樣一個復雜的施工過程，開發出一套基于虛擬現實技術的鉆探工藝實驗平臺對于地質工程類相關專業的學生的教學以及培訓鉆井人員來說是一項迫在眉睫、尤為重要的需求。

隨著高校對本科教學改革教學要求的不斷提高，以信息技術為基礎的各種實驗教學平臺逐漸成為世界教學實踐發展的一種趨勢。在《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》[1]、《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》[2]和教育部“關于組織開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知”[3]精神指導下，在國家級地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心資助下，建設工程學院建設了具有一套完整的鉆探工藝虛擬仿真教學演示平臺(下稱平臺)，平臺運用現代虛擬仿真技術，把工程現場情景化，能夠很好地解決當前地質工程類專業的傳統難題。平臺能夠以低成本、低風險的方式完成高效率的教學實踐。更可以提高學生實踐操作能力，增強對鉆探工藝的理解和認知。

1 鉆探工藝平臺的虛擬仿真教學改革

地質工程專業具有很強的特殊性，很難進行實地實驗教學。作為學校重點學科，地質工程專業的教師將虛擬現實技術用于地質工程、石油工程專業本科生和研究生的實驗教學。將復雜的地質工程及鉆探工藝相關知識運用形象直觀的三維圖形表現出來，建立人機交互界面，把工程現場情景化，加強了對所學知識的了解。

平臺的虛擬現實技術具有沉浸感、交互性和構想性的特性，對鉆井過程進行模擬的動態仿真系統，能夠實現對正常鉆井、取下鉆具以及處理孔內事故等過程的模擬教學。同時借鑒了國內外虛擬仿真實驗室和鉆探工程模擬建設的實踐經驗，設計和建設了與真實環境一致的虛擬三維鉆探作業環境及設備運行狀態，通過該系統能夠交互的查看鉆機、鉆頭、動力機等設備，可以動態的查看鉆機的主要組成部分，使學生能夠區分不同型號間鉆機的區別，實時動態的查看鉆探過程。平臺運用虛擬現實技術，生動真實的模擬三維鉆探作業環境，包括進行鉆探作業時，地上與地下設備運行及發生故障時的狀態。平臺建立了鉆井工藝數據庫和鉆具組合數據庫，針對不同的鉆井工藝流程設計不同的操作步驟和鉆具組合。建立操作臺與虛擬樣機間的控制指令及反饋信號通信系統，同時可以基于多媒體動力學軟件對模型的結構、貼圖、場景優化；使其具有二次開發和實時檢測的能力[4-6]。

該系統還可以方便教師隨時掌握學生的學習成果，教師在系統中設置場景參數，學生根據教師配置的參數場景，在系統中進行判斷及操作，并進行自動評分，教師可以直觀地實時了解學生的學習效果。

2 虛擬仿真技術的建設目標和技術實現

2.1項目建設目標

平臺的研發和建成克服了實踐過程中的設備及環境的限制，真實模擬了現實中的設備和場景狀況，模擬真實的鉆探工作流程。通過虛擬仿真教學平臺可以使學生的學習效率和操作技能得到更大提升。

平臺能夠模擬整個鉆探過程中的設備選擇、孔深結構設計和工藝參數變化等內容，該平臺具有鉆探裝備整套三維實體模型，教師和學生可以司鉆的身份在電腦前操縱鉆機，鉆機虛擬樣機可根據指令完成各個動作，進行鉆探過程的動態模擬演示，具有界面直觀友好，交互體驗感強，數據、信息量大等特點。

平臺建設圍繞著虛擬現實、多媒體、人機交互等特點進行虛擬仿真開發，并及能夠實時模擬出鉆探過程中工藝參數的變化，平臺在表現手法上采用強大的交互互動手段來增加軟件的智能化、現代化水平。

綜合采用了三維動畫技術、平面動畫技術、虛擬現實技術以及媒體交互技術等當今世界上多種最新的高科技媒體技術[7-9]。平臺的設計理念上還融入了一些虛擬現實的思想，建立了具有實時動態的三維立體逼真圖像的模擬環境，具有可擴展的功能。

采用模塊化的設計，整個教學平臺由多個模塊組成，在模塊化的教學平臺建設過程中，可以明確區分出學生在實踐操作過程中的各個進程和各個模塊的完成情況增加，因此能夠更好地掌握學生的學習狀態和實踐水平。每個教學模塊都有相對的獨立性，都有各自的教學要求和教學目標，而各個模塊內容之間又存在著密切聯系，方便維護。

平臺開發采用了當今領先的虛擬現實技術和頗為流行的互動交互技術，具有簡單、自然、直觀地操作。

平臺具有靈活的開放性，系統采用了具有開放性和標準化的接口技術進行開發，在應用范圍的擴展能力上具有很大的潛力。

基于C/S模式可以通過網絡實現大規模并行在線教學；實現多人、多機在局域網內進行同步操作，在特定的網絡帶寬下，運行流暢穩定，具有良好的畫面渲染效果[10-12]。

2.2技術實現

以國土資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室硬件平臺為基礎，并且得到了學校985平臺、教育部地球信息探測儀器重點實驗室的大力支持，學院承擔的國土資源部《深部探測技術與實驗研究專項》子課題“深部大陸科學鉆探裝備研制”，對“地殼一號”萬米鉆機的整機系統包括頂驅系統、提升系統和擺管等系統的性能試驗以及關鍵零部件的結構進行了虛擬仿真設計，因此萬米鉆機的聯合仿真虛擬技術的成功實施也對本項目的建設思路和軟硬件條件提供了較大支持。

虛擬仿真實驗教學平臺建設目前采用了多種的虛擬現實技術包括三維動畫、平面動畫以及媒體交互技術等。開發中使用了目前我校勘查技術與工程實驗室既有的Autodesk公司的Inventor建模軟件，能過完成鉆探設備的建模、裝配和演示等功能；以及CAXA、ADAMS和ANSYS等分析軟件。虛擬現實技術利用3Ds Max 軟件構建鉆塔、 鉆機、 泥漿系統、 動力機、鉆具等實體三維模型，運用Virtools 軟件制作了交互式的動態效果，全方位展示鉆探設備結構、模擬鉆井過程以及事故處理等內容。結合各種虛擬現實技術包括Adobe Flash、 LabVIEW 等開發平臺及多種主流的專業仿真計算軟件展開了了虛擬仿真建設。綜合利用了數據庫技術、C/S網絡技術，實現了實驗平臺的網絡化管理[13]。

3 虛擬仿真技術在實踐中的應用

實驗教學過程中可以通過該平臺使學生了解整個鉆探過程的工藝和步驟：包括實際鉆巖過程，根據地層特征選擇適合的鉆井方法、鉆頭類型及鉆井工藝參數等；掌握鉆井工藝參數的測量方法及對鉆速的影響規律。通過對鉆井全過程的掌握，可以通過實時地改變鉆井工藝參數來觀察鉆速和鉆井效果的變化情況，更加合理地選擇鉆具組合和鉆探工藝參數。

該平臺有教師機和學生機兩大部分，學生機又包括操作界面和狀態界面兩部分。教師機主要分為3個模塊，分別是演示模式、訓練模式和考核模式。教師機可以通過交互訓練模塊和考核模塊指令學生機完成鉆探訓練和考核。學生機主要由工程概況、場地準備、鉆機操作和鉆井參數交互4個模塊組成。學生可以根據教師的題目進行鉆孔結構設計，設備選擇，鉆塔搭建，鉆機操作等內容。狀態機也是只有連接教師機的狀態，完成交互訓練和考核。

其中演示模式包含下鉆、正常鉆井、換層演示、起鉆桿、起立根、繩索取心、斷桿事故、卡鉆事故、公錐打撈落物、母錐打撈落物10個演示動畫。模擬演示教學實驗可以完全取代野外的現場實踐操作，如圖1所示為野外鉆探現場，工作環境較為惡劣，虛擬仿真技術將復雜的鉆探過程變為室內常態化的教學，大大提高了安全性和實驗效果。如圖2～4所示為演示模式中的取心過程和事故處理演示以及井下狀態顯示。

圖1 野外鉆探現場

圖2 繩索取心動畫演示

圖4 井下狀態演示

平臺采用虛擬鉆具使學生掌握常用巖心鉆探工具的名稱、用途、規格、結構及特點。可以了解巖心鉆探各主要設備(鉆機、水泵、動力機)的名稱、型號、性能及特點；可以掌握巖心鉆探的鉆井程序、工程施工鉆探的基本程序；了解鉆具、鉆機、泥漿泵、動力機、鉆塔的功能。圖5所示為鉆探設備的查看和選擇界面，平臺的數據庫中提供了多種可選的鉆具如圖6所示。

圖5 鉆探設備的查看和選擇

學生機可以根據工程概況了解所需鉆井地層的特點選擇孔位進行鉆孔結構設計，如圖7所示，從而根據鉆井方法和機具選擇合理的設計鉆井參數進行鉆井。通過鉆機操作模塊可以讓學生對鉆機的操作有更直觀認識，對鉆探過程有更深入的了解，如圖8所示，可以完成操作鉆機，連接鉆具等操作。

圖6 多種可選鉆頭

圖7 指定地層的鉆孔結構設計

圖8 鉆機操作訓練模式

狀態機的主要任務是通過鉆井參數交互模塊讓學生主要學習P、N、Q對于地下鉆井狀態的影響，如圖9所示可以實現對地下狀態的剖面實時顯示，包括鉆頭和鉆桿的狀態，同時可以定量的觀察P、N、Q、R鉆井過程是否達到設計值，對鉆速(R)和成本有實時的曲線可以顯示，通過控制鉆井參數達到最大的鉆井效率和經濟性。

圖9 地下狀態實時顯示

圖10 鉆井參數交互界面

4 基于虛擬仿真技術的實驗平臺特色

學院通過與北京曼恒數字計算有限公司的合作開發保證了虛擬仿真實驗實驗平臺的建設水平。學院提供了相關的各類技術資料、工藝參數，企業提供了平臺的虛擬現實技術、軟件維護和升級管理等方面的支持。確保了平臺具有較高的專業水平的同時也保證了軟件運行狀態穩定。 平臺建設具有以下特色：

(1) 開發技術先進。系統分析階段，選用適用于鉆探工程現場的設備及場景；系統設計和建設過程中采用業界先進、成熟的系統分析方法和系統開發技術，保證系統整體的先進性。

(2) 開放性。為保證系統后續維護及功能添加的方便，在系統設計、開發和實施階段遵循開放性、可擴展性的原則，采用了標準化的軟件接口和數據庫接口，提供了功能擴展的能力。

(3) 功能強大、界面美觀。平臺的各項功能設計遵循方便實用，操作簡單的原則，也可以滿足用戶的個性化要求；平臺的用戶界面設計合理、美觀，便于操作。

(4) 虛擬場景美觀、運行流暢，系統響應及時。系統采用實時渲染、動態貼圖、角色動畫、粒子系統等技術提高虛擬場景的畫質，另一方面，通過采用優化設計的方式，降低系統資源需求、提高系統運行效率和用戶操作響應速度。

(5) 安全性、可靠性。系統實時過程中采用終端安全認證、終端加密、授權登陸、權限控制等必要的安全保障機制，確保系統和數據的安全、完整。

5 結 語

基于國家教育改革的大背景下，虛擬仿真技術在鉆探工藝實驗平臺研發過程中充分發揮了其網絡化、協同化的信息技術特點，促進了實驗方法的現代化和教學手段的多樣化的發展，挖掘出了鉆探工藝這門學科在信息化、智能化時代中的潛力。學生可以通過平臺認識鉆探裝備集成技術、熟悉鉆探工藝方法及步驟，同時平臺建設過程中探索了校企合作方式，構建開放的共育共享機制，逐步實現培訓實踐型高素質創新人才模式的新常態，使其在學科人才培養和教學科研中發揮更大作用。

[1] 中華人民共和國教育部.教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見(教[2013] 4號) [Z].2012.

[2] 中華人民共和國教育部.教育信息化十年發展規劃( 2011-2020年)( 教技[2012] 號) [Z].2012.

[3] 中華人民共和國教育部. 關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知(教高司函[2013] 94號) [Z].2013.8.

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[15] 房 昕. “地殼一號”萬米鉆機自動送鉆模擬研究[D].長春：吉林大學，2014.

ResearchonExperimentPlatformofDrillingTechnologyBasedonVirtualSimulationTechnology

CHENChen，SUNYouhong,ZHAOFuzhang，CHENBaoyi，WANGQingyan，ZHAOYan，MAYinlong

(College of Construction Engineering, Virtual Simulation Experiment Teaching Centers of Four-Dimensional Geological Resources Probe, Jilin University, Changchun 130021, China)

Virtual simulation technology is applied in the drilling technology experiment platform construction in Jilin University. The target and implementation of the drilling technology teaching platform are proposed. The characteristics and application practice of the teaching platform are discussed. The construction of drilling technology experiment platform is a combination of virtual reality, network communication and database technology. The improves the teaching environment, the complex drilling process has become a normalized teaching process indoor. It achieves the goal of combining theory with practice, and represents the trend for the future development of modern experimental and practice platform.

drilling technology; virtual simulation technology; geological engineering; experiment platform construction

TP 391.9; G 482

A

1006-7167(2017)09-0132-04

2016-12-25

陳 晨(1965-)，男，四川資中人，博士，教授，博士生導師，主要從事地下資源鉆采技術研究。Tel.: 13578675055; E-mail: chenchen@jlu.edu.cn