面向多平台的井下作业仿真培训系统

张 伟，王 磊，宋 晨，赵春雪，陈军杰

（新疆石油管理局有限公司新疆培训中心，新疆 克拉玛依 834000）

0 引言

当前，我国石油行业的发展已经进入了一个新的阶段，并且油田的开采难度也在不断提升，在开展井下生产作业的过程中会应用到多种复杂的工艺，石油开采质量也经常受到工艺选择、开采人员自身技术水平等多种因素的影响。对于现代化油田石油井下作业操作来说，在实际开展的过程中需要井下作业人员具有丰富的实践工作经验，并且可以在工作过程中将理论知识与实践进行有机结合。这就需要石油井下作业公司对相关工作团队的成员进行定期培训，通过这种方式来提升员工的综合技术水平，使其在实际开展井下作业的过程中能够对各个重点环节有清晰的认知。同时，石油井下作业公司还应该根据当前行业发展的实际情况构建一套高质量的培训系统，通过培训进一步提升工作人员石油井下作业能力。当前，计算机仿真技术是虚拟现实技术中的重要组成部分，用户在使用过程中可以获得身临其境的交互式感受，从而更加有利于石油井下作业的开展。

1 面向多平台的井下作业仿真培训系统整体构架

在正式展开石油井下作业之前，应该注意先确定井下作业仿真培训系统，将其作为后续井下作业施工的重要指导，在进行仿真培训系统开发建设的时候，需要应用到三维仿真技术，要利用三维仿真的方式来对井下工具使用情况以及工艺使用情况进行模拟，通过这种方式使培训教学活动的开展更加真实、具象，这也有利于进一步提升培训教学的效果。对于仿真培训系统的构建来说，其主要是由试油、大修以及压裂酸化三个部分组成，在实际运转过程中可以将其功能分为工艺流程简介、井场浏览、常用井下作业工具结构以及施工工艺模拟几个部分。首先，工艺流程简介。对于这一功能来说，其主要是利用文字与三维结构示意图相结合的方式来对相关基础知识进行介绍，是其整体构架中的重要组成部分。其次，井场浏览。对于井场浏览来说，其主要分为路径浏览、自由浏览以及俯视浏览三种浏览方式，可以将施工现场的井场情况具体、生动地展示在学员面前，这也更加有利于相关教育教学活动的开展，有效集中了学员的注意力。再次，井下作业常用工具结构。对于井下常用工具结构原理演示来说，其主要涉及工具外观展示、结构展示以及原理展示等几个方面的内容，主要是通过三维仿真技术将其在培训系统中具体地展示出来，从而使其更加直观，这样也更加有利于学员的理解。同时，利用三维模型来展示常用工具的结构原理还具有较为理想的灵活性，教师培训以及学员浏览的过程中可以对其进行任意旋转、缩放、扩放调整，通过这种方式来帮助学员更为直观地观察模型。最后，施工工艺模拟。对于这一部分来说，其具有较强的知识性以及逻辑性，在实际运转的过程中，其主要是通过模拟的方式来确定接下来的施工过程，这也可以使学员对石油井下施工各个环节之间的关系有更为清晰具体的认知。这也使得其在实际展开井下作业操作的过程中出现失误的可能性得到了有效控制，从而提升了井下施工效率。

2 面向多平台的井下作业仿真培训系统各环节功能分析

首先，知识讲解。“知识讲解”部分所讲知识以井外维修、油层改造中的基础知识、常用设备以及常用工艺为主。对于油层改造来说，这一层面的知识讲解内容主要为压裂施工工艺，在这一环节，研发了120 余种井下作业工具以及30 多种典型井下作业的工艺动画，实现了对井下作业过程的精准展示，同时，平台还配备相应的语音与文字相结合的同步解说。对于井下作业工具来说，其具有种类丰富性和功能准确性的特征，以“卡瓦打捞筒”为例，在实际开展仿真培训时，会先通过文字与图片搭配的方式对卡瓦打捞筒的具体形状以及功能特性进行简要阐述，从而让学员对这一工具的具体用途有基本认知，然后再利用动画演示的方式对这一工具主要结构、工作原理等进行展示，通过这种方式可以使仿真培训效果更为理想。

其次，仿真操作。对于“仿真操作”这一教学环节来说，其在实际开展的过程中往往会运用11 种典型的油气井维修作业仿真项目，想要使其作用得到有效发挥，应该注意对仿真操作的初始图进行展示与分析，在进行仿真项目展示时，会在右下角设备仪表区域的监视区设定相应的控制台，在控制台中展示操作环节，教师要引导学生按照相应指示自己动手操作控制台上的按钮以及手柄，从而完成多种井下作业工艺仿真。例如，选择“凹面磨鞋作业”，要先点击进入仿真操作系统的初始界面，然后点击左下方的“启动”按钮，这时候可以听到机器启动的声音，并且仪表盘的指针会指向相应的位置。这时候要将“盘刹”推至“刹紧”位置，然后将液压开关调节至“刹车钳”位置。

最后，知识考核。对于“知识考核”这一环节来说，其不仅具有理论考核功能，同时还可以以此为基础开展相应的实操考核。在进行理论考核操作时，其主要是对选择题以及判断题进行设定，当学生答题之后提交，系统会对学员的答题成绩进行自动评判，并且帮助学员把错误的地方进行一一改正。而在进行实操考核操作时，需要学生先进行姓名、学号登记，然后进入到实操环境中，系统会对学生当前的实操熟练程度进行评分，这一环节的设定更加有利于学生对长期学习方案和学习目标进行规划。

3 系统关键技术

3.1 建立系统模型

对于面向多平台的石油井下作业仿真培训来说，在实际展开工作的时候，应该注意先进性系统模型建设，其主要会涉及几何建模以及物理建模两个方面。对于几何建模来说，其主要是对可见的3D 空间形状进行描述；而对于物理建模来说，其主要包括实体空间中对象的重量、硬度以及密度等形式的改变。在进行油田井下作业仿真培训系统设计的时候，应该注意对三维建模软件进行针对性选择，可以应用MultiGen Creator 进行仿真建模操作，在建模操作的过程中应该注意尽量减少其中多边形应用的数量，从而使最终所构建的模型更为细腻、真实。同时，为了进一步提升模型的逼真程度，还应该注意为其选择适合的纹路，从而使模型的细节得到有效处理。此外，想要实现对同一个模型中各个对象的有效控制，这就需要在进行建模的过程中加入一些物理特性，通过这种方式来保证模型部件的实际作用可以得到有效发挥。例如，要保证模型中的每个部件都有相应的自由度，有了自由度之后部件便可以根据实际需要来进行平移、旋转等操作，更加有利于模型进行一些相对复杂的变换。

3.2 多数据源支持

在进行井下作业仿真培训系统开发的时候，是为了将其应用到多个不同的平台，但是由于不同平台的数据支持存在较大差别，因此，在进行系统研发设计的时候，要保证系统功能的完善性。为了更加方便对系统的信息进行增删，应该注意将试题信息储存于XML 文件中，通过这种方式不仅可以使信息数据的调用、操作更为简便。手机版以及EXE 版采用的是相同的数据库，应用的都是Sqllite 数据库。而网页版则采用的是Oracle 数据库，通过上传使用的方式为客户提供保障。首先，文件的储存以及解析。对于井下作业仿真培训系统来说，文件信息是其中的重要组成部分，会涉及试题编码、选项内容、正确答案以及工具简称等方面的信息。在进行XML 文件解析的时候，应该注意对步骤进行梳理，其主要涉及以下环节步骤，即构造存放XML文件的结构体、加载文件、获取子节点、取出子节点中的试题信息。

3.3 三维引擎设计

对于石油井下作业仿真培训系统设计工作来说，在实际开展的过程中应该注意对三维引擎进行准确设计，从而保证其功能性得以实现，这就需要编写一个有利于用户互动的程序，需要利用软件包来进行三维引擎程序的开发，并且要注意在开发过程中确定相应的视景管理系统，通过这种方式来实现对不同模型文件格式的有效识别，同时也使得文件分类以及管理工作的开展更为顺利。此外，在进行三维引擎设计以及实现的过程中，应该充分意识到引擎初始化设计是其中非常重要的环节，在实际开展设计操作的过程中，其具体流程如下所示：首先，设置三维图形像素格式，并确定各个缓冲器位数；其次，对通道视口大小进行初始化调节，确定背景颜色以及视点坐标；再次，创建相机、通道以及光照模型；最后，创建场景，并且将光照模型加入场景中。

3.4 网格导航寻路

在进行仿真系统培训的过程中，导航网格寻路是其中的重要组成部分，由于各个岗位的工作人员经常在井场中的走动，这就需要对角色寻路的问题进行针对性解决。首先要对导航网格的生成情况进行确定，现阶段来看，随着3D 技术的不断普及，手工设置路点法的应用越来越广泛，并且在实际应用的过程中发挥出了较为理想的效果。当前，可以尝试应用在三维环境条件下能够自动建立起搜索空间的方法，即导航网格法，其是属于一个凸多边形的集合，并且其中的每个单元在各自路径上处于高度独立的状态，也正是因为这种情况的存在使得此种方法在实际应用的过程中不会受到外界因素的影响，其信息传递效果更为理想。其次是网格寻路方法的确定，在进行网格寻路的过程中应该注意确定路径搜索算法，当前来看，通常会考虑应用盲目搜索以及启发式搜索的方式。盲目搜索是指在搜索过程中不考虑节点的任何信息，一般情况下此种搜索方式会被应用到求解较为简单的问题中。而对于启发式的搜索来说，则是先对一个规定空间中的搜索位置进行确定，然后按照选好的位置来进行规律性的搜索，直到发现最终目标。一般情况下，如果相邻的两点并不在开放列表中，应该注意将其添加到列表中，并且计算出相邻节点的值。如果两个相邻节点在开发列表中，则应该对其原始值进行判断，并且将相邻节点的父节点设置为当前节点。

4 结语

综上所述，现阶段石油井下作业仿真培训系统在实际落实应用的过程中发挥出了理想效果，在进行培训系统设计的过程中应该充分考虑到井场实际情况以及教学需求，将计算机仿真技术应用到井下作业培训系统中可以在很大程度上促进油田培训工作的开展，这对井下作业培训工作来说是一次新的尝试，同时也提升了教学培训的效率，并且在整体上降低了培训成本。从当前我国面向多平台的石油井下作业仿真培训系统设计研发的实际情况来看，其在技术方面仍有待提升，还需要进一步引进先进的仿真培训理念，并对以往的培训方式进行积极优化转变。随着我国科技水平的不断提升，计算机仿真技术与石油井下作业培训系统之间的融合会越来越深入，从而进一步提升仿真培训系统的完善性，使其成为一种更为先进的培训方式，有利于提升新学员自身的综合素质，同时也促进了我国石油井下作业公司的健康稳定发展。