油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)研究

賽孜古爾·阿巴拜克力，王 磊，張 偉，陳軍杰，程 澎

（新疆石油管理局有限公司新疆培訓(xùn)中心，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

如今，在我國新媒體信息時代的大背景下，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。計算機仿真技術(shù)作為推動我國智能發(fā)展的重要技術(shù)之一，其主要作用是將現(xiàn)實轉(zhuǎn)換為虛擬，并呈現(xiàn)出來。這種技術(shù)能夠給用戶帶來身臨其境的體驗，達到用戶與虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境的自然交互的效果。計算機仿真主要使用的是圖形成像技術(shù)和顯示技術(shù)，通過信息綜合數(shù)據(jù)運行構(gòu)建出仿真對象的立體模型或者構(gòu)建出一個近乎真實的現(xiàn)實環(huán)境。油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)便充分應(yīng)用了計算機技術(shù)，通過綜合信息技術(shù)、顯示技術(shù)、圖像圖形技術(shù)構(gòu)建一個虛擬的、三維的油田井下作業(yè)工具的結(jié)構(gòu)，將井下作業(yè)的工作原理及運用的工藝更加直觀地展現(xiàn)在學(xué)員的面前，這樣可以使學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中對相關(guān)知識點有更為具體的認知，也有利于學(xué)員掌握整個作業(yè)過程的各個環(huán)節(jié)。

1 油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的總體設(shè)計

開發(fā)油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)旨在對新入職學(xué)員進行相關(guān)業(yè)務(wù)能力的培訓(xùn)，以確保其后期投入工作中能夠提高工作準確性、質(zhì)量和效率。這一培訓(xùn)系統(tǒng)主要運用計算機技術(shù)進行三維模擬環(huán)境的構(gòu)建，是對現(xiàn)實環(huán)境的一種近乎真實的模擬。通過油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)更能夠激發(fā)學(xué)員們的學(xué)習(xí)興趣，確保良好的教學(xué)效果，以此提高教學(xué)的效率。學(xué)員們通過身臨其境的體驗，能夠更深刻地掌握油田井下作業(yè)的具體工具和采用的施工工藝。油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要由三個部分組成，一是試油，二是大修，三是壓裂酸化。從具體的功能上來看，油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括工藝流程簡述、施工井場瀏覽以及施工工藝模擬。對于上述幾項功能特性來說，其是仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的重要組成部分，也正是因為系統(tǒng)具備上述特性，才使得自身價值得到有效體現(xiàn)。所謂的工藝流程簡述是通過文字和三維結(jié)構(gòu)示意簡圖向?qū)W員們展示一些油田井下作業(yè)工藝及操作的基本理論知識。施工井場瀏覽的作用是將油田井下作業(yè)的各個角度全方位地展示給學(xué)員，在培訓(xùn)的過程中，學(xué)員可以選擇路徑瀏覽、自由瀏覽、俯視瀏覽等三種不同的瀏覽方式，以便更準確形象地掌握油田井下作業(yè)的各項工藝及工具，清晰地認識到油田井下作業(yè)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。所謂工具結(jié)構(gòu)及原理演示主要分為三部分：第一部分是油田井下作業(yè)工具外觀的展示，第二部分是油田井下作業(yè)工具結(jié)構(gòu)的展示，第三部分也是最重要的一部分，是對油田井下作業(yè)工具原理的演示。傳統(tǒng)的培訓(xùn)學(xué)院僅僅是通過培訓(xùn)教師口頭講述或者圖片演示，學(xué)員自行在腦海中構(gòu)建三維立體的模式，這種形式難免會出現(xiàn)或大或小的誤差，而通過將三維仿真技術(shù)運用到油田井下作業(yè)的培訓(xùn)之中，以往學(xué)員們難以理解的技術(shù)技巧、基礎(chǔ)知識和工作原理也能夠更直觀地掌握。同時在演示的過程中，學(xué)員們可以通過自行操作對構(gòu)建的虛擬環(huán)境中的各個部位和角度進行任意的調(diào)整，無論是旋轉(zhuǎn)，還是放大縮小，甚至是平移，油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)都能夠得以實現(xiàn)，讓學(xué)員從任意角度觀察油田井下作業(yè)虛擬環(huán)境。施工工藝模擬作為油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的重中之重，該部分具有其他部分都不可比擬的強大功能，具有較強的知識邏輯性，它能夠?qū)崿F(xiàn)模擬油田井下作業(yè)的全過程施工，使學(xué)員能夠更加直觀和全面地學(xué)習(xí)施工工藝，從而使學(xué)員在真正進行設(shè)計操作時能夠更加熟練，大幅度提高工作的質(zhì)量和效率，也能夠有效減少經(jīng)濟損失，降低成本。

2 油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)特點

首先，仿真性。井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的最大特點體現(xiàn)為其具備仿真特性，可以通過硬件模擬以及軟件效果仿真等手段來為學(xué)員學(xué)習(xí)提供操作平臺以及考核平臺、故障演習(xí)平臺等。同時，在借助系統(tǒng)開展仿真培訓(xùn)時，其所涉及的內(nèi)容更為豐富，往往不會像傳統(tǒng)的課堂教學(xué)那樣枯燥，可以活躍課堂氛圍，通過計算機模擬技術(shù)的應(yīng)用促使受培訓(xùn)的學(xué)員適應(yīng)多種復(fù)雜操作環(huán)境。其次，自主性。對于這一培訓(xùn)系統(tǒng)來說，在實際開展培訓(xùn)工作時，往往可以引導(dǎo)學(xué)員自主進行知識探索以及學(xué)習(xí)，使理論與實踐的銜接更為流暢，不會使學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中感到枯燥，更為強調(diào)學(xué)員自身的學(xué)習(xí)感受。最后，開放性。開放性是油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的重要特征之一，其告別了傳統(tǒng)單一的項目培訓(xùn)環(huán)境，其以數(shù)字化技術(shù)打造了促使學(xué)員置身于培訓(xùn)項目的逼真環(huán)境，使學(xué)員在實操過程中獲得身臨其境的感受。同時，井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的運用也使學(xué)員可以突破時間以及空間的限制，不必拘泥于特定地點或者時間段，這也使得學(xué)員的實踐操作自由程度明顯提升，更加有利于其不斷完善自身技能體系。如果在培訓(xùn)過程中沒有掌握一些重要的操作技術(shù)，則可以重復(fù)多次操作，直到掌握操作要點為止，這也使學(xué)員在接受培訓(xùn)過程中充分掌握了自主權(quán)。

3 油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

對于傳統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)來說，在實際運轉(zhuǎn)的過程中往往會面臨技術(shù)培訓(xùn)資源較為有限、培訓(xùn)方向較為單一、培訓(xùn)形式較為固定等情況，這也使得其培訓(xùn)針對性較差，不能夠很好地適應(yīng)當前較為復(fù)雜的技術(shù)理念變動、設(shè)備更換、工藝更新等情況的實際需求，也導(dǎo)致了其在耗費人力以及資源的同時并沒有取得理想的技術(shù)培訓(xùn)效果。而隨著我國計算機技術(shù)水平的不斷提升，逐漸衍生出電子系統(tǒng)工程與仿真技術(shù)，將仿真技術(shù)應(yīng)用到油田作業(yè)數(shù)字化培訓(xùn)中之后，可以實現(xiàn)對井下作業(yè)全過程的有效設(shè)定以及監(jiān)督，并且構(gòu)建起相應(yīng)的工藝模板，其具體包括應(yīng)知理論課程、操作課程以及素材庫等，這也使培訓(xùn)工作所涉及的內(nèi)容更為豐富，有利于對接受培訓(xùn)的學(xué)員知識體系進行完善，對提升其綜合工作能力也起到了重要促進作用。目前，油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)包括系統(tǒng)模型的建立和三維引擎設(shè)計與實現(xiàn)兩個部分。以下具體介紹這兩個部分的具體操作步驟。

3.1 系統(tǒng)模型的建立

系統(tǒng)模型的建立主要包括兩個方面，分別是物理模型的建立和幾何模型的建立。物理模型的建立也可以稱之為物理建模，其主要創(chuàng)建油田井下作業(yè)內(nèi)部的質(zhì)量、重量、形狀的改變模型等。幾何模型的建立即幾何建模，不同于物理建模，幾何建模主要是對三維空間的創(chuàng)建，形成一個立體的空間形狀，兩者相互結(jié)合最終形成一個幾近真實的虛擬三維物理模型。油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要依靠仿真支撐軟件運行，仿真支撐軟件必須滿足超強的運行能力，現(xiàn)如今，大部分的油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)大部分使用實時三維建模軟件進行模擬建模。需要注意的是在建模的過程中要十分注重多邊形數(shù)量的減少，以此提高程序的使用性能。除此之外，系統(tǒng)模型要極具逼真度，這就要求仿真系統(tǒng)要使用合適的紋理，以此保證圖像處理的良好效果。油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在建模的過程中還需要加入相應(yīng)的物理特性，例如，在系統(tǒng)中建立井下作業(yè)工具及結(jié)構(gòu)部件的自由度，確保其能夠自由的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)，除此之外，也可以在基礎(chǔ)之上添加較為復(fù)雜的變換。

3.2 三維引擎的設(shè)計與實現(xiàn)

油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的主要目的是為了實現(xiàn)用戶之間的互動，因此三維引擎的初始過程要進行十分具體的過程設(shè)計，主要有以下幾點：首先，在進行三維圖形像素設(shè)計的時候，應(yīng)該注意將其與當前的實際情況進行結(jié)合，要保證各緩沖器的位數(shù)達到標準要求；其次，要注意對系統(tǒng)進行初始化操作，在這一過程中對光照模型的大小以及背景顏色等進行確定；最后，要注意對光照模型進行具體賦值，保證其在實際應(yīng)用的過程中可以有效發(fā)揮自身功能性。此外，油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)還有另一個比較重要的特點，其主要體現(xiàn)為可以將整個計算機屏幕分為不同的視口，并且每一個視口有自身較為獨特的功能特性，可以根據(jù)不同時間以及不同角度來顯示出相應(yīng)的模型，這也使得原來占據(jù)屏幕的主通道口只占據(jù)了一小部分屏幕的面積，而將更多的空余屏幕留給了其他子通道，這也使子通道的各項功能得到了有效展示以及利用，從而能夠確保更好的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效果，這種功能就是通過多通道顯示實現(xiàn)的。油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是通過將整個計算機屏幕分成了幾個不同的通道視口，然后用以顯示模型同一時間的不同角度或者是顯示不同的模型，原來的主通道占據(jù)整個屏幕，而次通道只占據(jù)屏幕的一小部分區(qū)域，并作為主通道的子通道。計算機的幀緩沖區(qū)為主要通道，用于顯示其他的三維模型，而右通道則是主要顯示系統(tǒng)中的主要三維場景，通過程序控制，當主通道的顯示內(nèi)容發(fā)生變化時，右通道的顯示內(nèi)容也隨即發(fā)生變化，二者之間實現(xiàn)同步改變。在進行開窗演示時，對于主通道視口來說，其所展示的內(nèi)容是處在開窗過程中的三維模型，新入職的學(xué)員在學(xué)習(xí)的過程中可以實現(xiàn)對多個通道口的有效利用，可以實現(xiàn)以主通道口為基礎(chǔ)來對其他通道口所展示的內(nèi)容進行觀察，同時，還可以通過控制右下角按鈕的方式來對模型角度進行調(diào)換。

4 油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的前景應(yīng)用

目前，把計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于油田井下作業(yè)的培訓(xùn)系統(tǒng)就目前的實際情況而言，油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)點多于弊端，在一定程度上能夠確保培訓(xùn)的效果和質(zhì)量，降低經(jīng)濟成本，減少經(jīng)濟損失。油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)作為一種全新的培訓(xùn)模式，充分將計算機技術(shù)與油田井下作業(yè)工作進行有效結(jié)合，在當今新媒體時代的大背景下，此種培訓(xùn)模式的應(yīng)用取得了較為理想的效果，受到了行業(yè)內(nèi)部專家學(xué)者的一致認可，同時也使油田培訓(xùn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以及應(yīng)用前景更加明朗，在很大程度上提升了整體培訓(xùn)教學(xué)效果。此外，也降低了培訓(xùn)的成本費用，具有十分廣闊的發(fā)展前景，未來，油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)將會廣泛應(yīng)用于油田企業(yè)，促進油田企業(yè)的進一步蓬勃發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過闡述油田井下作業(yè)仿真系統(tǒng)的設(shè)計原理，并從物理模型的建立和幾何模型的建立兩方面剖析了油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要應(yīng)用計算機操作技術(shù)進行三維立體建模，構(gòu)建幾近現(xiàn)實的自然虛擬環(huán)境，完美還原了油田井下作業(yè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作工具，再現(xiàn)真實的井下操作環(huán)境。如今，油田井下作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在多媒體技術(shù)與計算機技術(shù)的支持下，能夠準確生動地將施工工藝和工作操作步驟展示給新入職學(xué)員，大大減少了工作的成本，并且提升了工作效能。