1　引言

    我国海岸线长达1.8万公里，居世界第四位。按照《联合国海洋公约》的有关规定，我国主张的管辖面积达300多万平方公里，接近陆地面积的1/3，拥有广阔的勘探面积。包括南海南部在内的300多万平方公里的蓝色国土中，石油地质资源量约250亿吨，可见我国海域油气资源潜力大，勘探前景良好。

    随着世界范围内海洋石油勘探开发向深水方向进军，世界各国都在竞相研究开发适应于深水的石油钻机。由于深水海洋石油钻井的特殊性与复杂性，深水石油钻机无论从结构配置、功能及操作复杂性和安全性诸多方面都面临着巨大的挑战。这对深水钻机的操作者和管理者的素质提出了更高的要求，深水钻机虚拟操作系统便应运而生。计算机数字仿真技术和虚拟现实技术的迅速发展和广泛应用，为研制上述系统提供了基础的技术保障。

    2　系统设计的总体思路与研发目标

    早期的陆上石油钻井模拟器视景仿真系统大多采用3DS Max建模，应用VC++与OpenGL图形编程技术对三维模型进行控制。

    该方案技术难度高、编程工作量大、系统开发周期长，加之海上钻井设备和工艺流程的复杂性，使得此种开发方案对系统的实时性及场景的可控性都不能有效的给予保证，因此，必须寻找一种有效地系统开发方法。

    虚拟现实（Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真）是一种先进的计算机仿真技术，它利用计算机生成三维的、基于感知信息的模拟环境，并可使用户与虚拟环境进行交互。目前，虚拟现实技术已经广泛应用于虚拟漫游、视景仿真培训以及科学可视化等领域，这为研发深水石油钻机虚拟操作系统（钻机虚拟培训器）提供了技术应用。

    系统的总体架构采用桌面式VR系统，利用三维建模技术构建环境场景、钻井平台、钻机系统的三维仿真环境，利用虚拟现实技术、通讯接口技术和工业自动化控制技术实现虚拟钻井设备的实时交互。依据深水石油钻机虚拟操作系统研制的总体思路，确定虚拟操作系统的研发目标包括三方面内容：

    （1）实时模拟培训

    深水钻机司钻实时虚拟操作培训系统应能具备模拟海洋钻井平台三维环境与司钻三维工作场景、虚拟钻井设备操作与运行控制、模拟基本钻井工艺过程与钻柱处理工艺过程、实际控制器与虚拟钻井设备实时交互、主副司钻同时进行培训之功能。

    （2）虚拟漫游

    深水钻机司钻实时虚拟操作培训系统应能具有虚拟漫游之功能，自主或受控展现深水钻机与钻柱自动化处理系统。

    （3）系统功能验证

    深水钻机司钻实时虚拟操作培训系统应能部分实现钻井及管柱处理系统功能验证、通讯接口功能验证等功能。

    3　系统方案设计

    深水钻机司钻实时虚拟操作培训系统开发是一项复杂的系统工程，这里涉及到建模、模型表现、自动控制、通讯等诸多技术，需要不同领域专业技术人员协同配合、不同资源的有效整合。依据上述总体思路与研发目标，系统的总体架构为基于工业以太网，采用C/S模式，借助基于OPC通讯技术，实现实际控制设备对虚拟设备的控制与数字通讯。系统在功能上可具体分为三个子系统：三维仿真子系统、司钻控制子系统、通讯子系统。其中交互式虚拟仿真系统主要由：设备运行管理系统、司钻操作台系统、图像生成与显示系统、计算机及网络系统、音响系统、接口采集系统、电源电路系统、系统软件组成，详细的系统构建图，如图1交互式虚拟仿真系统结构组织图所示：
 

    图1 虚拟仿真系统结构组织图

    按照图1虚拟仿真系统结构组织图的框架结构，深水钻机虚拟仿真系统效果图，如图2司钻虚拟操作培训系统效果图所示。
 

    图2 司钻虚拟操作培训系统效果图

    3.1　三维仿真子系统

    该子系统采用目前成熟且成本较低的桌面虚拟现实技术，利用三维建模技术、虚拟现实技术，实现司钻操作三维虚拟设备。

    该子系统是体现虚拟操作系统开发水平的关键所在，包括硬件系统与软件系统。

    硬件应具有较强的图形处理能力，应选择高性能图形工作站；为增加沉浸感，应模拟实际司钻视角选择并布置相应液晶显示设备。

    软件主要包括三维建模软件及VR平台软件。三维建模软件用于构建场景及设备的三维模型，选择三维建模软件既要考虑软件本身的方便易用性及建模效率，又要考虑与VR平台软件的兼容性，较为流行的建模软件如3DS Max、MAYA、SOLIDWORKS等。VR平台软件大多本身不具备三维建模能力，其功能主要表现在对导入的三维模型的再处理上，目前较成熟的VR软件有Unity3D、Quest3D、3DVIA Virtools、3DVIA studio、EONStudio、Cult3D、VR-Platform等。

    3.2　司钻控制子系统

    司钻控制子系统采用实际的工控系统，包括司钻台、司钻椅、PLC、IPC、工控软件等实际设备，实现实际控制器对虚拟钻机设备的控制。司钻椅和手柄按钮等发送控制指令，经由PLC采集后，根据PLC里的控制算法和程序运行，输出的控制指令经过以太网传给虚拟仿真样机的图形计算机，控制虚拟样机动作。同时运行的状态、参数等信息也可通过以太网在WinCC界面上显示。司钻控制子系统控制方案图如图3所示。
 

    图3 司钻虚拟仿真控制系统方案图

    3.3　通讯子系统

    通讯子系统基于以太网络，采用OPC通信技术，通过接口开发，实现虚拟设备与PLC控制器的通信。临界真实场景与深水钻机自动化操作系统硬件的实时通讯、同步、互动，支持实物操作台操作虚拟设备，开放系统接口和代码，可自己进行后续功能开发。

    4　结语

    交互式深水钻机司钻虚拟操作系统改变了目前钻机司钻操作培训模式，成为提高司钻培训效率、降低培训成本的有效方式之一。实现钻机虚拟操作的关键在于仿真子系统与通讯子系统的生成质量，应用三维建模软件和VR平台软件可有效地解决交互式深水钻机虚拟操作仿真子系统的开发效率和开发质量。同时，本文针对半潜式钻井平台司钻虚拟操作系统从设计基本思路、原理、预期目标等方向做了简要的概述，为后期进一步开发钻井平台司钻虚拟操作系统奠定了一定的理论基础。必须明确在实现深水钻机钻井平台司钻虚拟操作系统开发的过程中还有很多的工作需要进行。例如：研究科学合理的系统硬件配置以降低成本；探究高效的交互式界面实现手段，可考虑加入声音、反馈力、昼夜光线等真实环境因素，进一步提高虚拟操作系统的浸入感，实现真正意义上操作人员的身临其境；进一步研究如何将虚拟操作系统的研究成果科学合理的移植到现实的钻井装备中，从根本上提高钻井装备的安全、高效运行。

    ★国家863计划海洋技术领域研究课题《深水钻机与钻柱自动化处理关键技术研究》，课题编号2012AA09A203。

    参考文献：

    [1] 郑巧, 胡卫东. 绞车模拟操作台设计[J]. 石油机械, 2010, 38(7) : 33 - 35.

    [2] 王武礼, 李瑞民, 王延江. 基于Virtools技术的钻井三维场景动态仿真[J].科学技术与工程, 2010, 10(30) : 54 - 58.

    [3] 王武礼, 王延江, 杨华. 三维可视化技术在钻井仿真中的应用[J]. 工程图形学报, 2006, 28(6) : 47 - 51.

    [4] 李杰, 翟芳芳, 侯树刚, 袁骐骥. 欠平衡钻井虚拟培训系统的研制与应用[J]. 天然气技术, 2010, 4(1) : 45 - 48.

    [5] 胡小强. 虚拟现实技术与应用[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004. 8 - 12.

    [6] 付志勇, 高鸣. 三维游戏设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008. 187 - 194.

    作者简介

    胡楠（1982- ），男，陕西蓝田人，工程师，硕士，现就职于宝鸡石油机械有限责任公司，主要从事钻机及其相关产品的设计开发工作。

    王维旭（1978- ），男，青海乐都人，高级工程师，硕士，现就职于宝鸡石油机械有限责任公司，主要从事钻机及其相关产品的设计开发工作。

    贺环庆（1975- ），男，陕西神木人，工程师，本科，现就职于宝鸡石油机械有限责任公司，主要从事钻机及其相关产品的设计开发工作。

    王兰（1986- ），女，四川大邑人，助理工程师，本科，现就职于宝鸡石油机械有限责任公司，主要从事钻机及其相关产品的设计开发工作。

    摘自《自动化博览》1月刊