周英 達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

VRML（Virtual Reality Modeling Language） 是一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或虛構(gòu)的三維世界的場(chǎng)景建模語言，具有平臺(tái)無關(guān)性。其涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、精密傳感機(jī)構(gòu)、人機(jī)接口及實(shí)時(shí)圖像處理等領(lǐng)域，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的應(yīng)用技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著智能油井監(jiān)控系統(tǒng)概念的提出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)油井監(jiān)控的重要手段之一，為油氣田開發(fā)和設(shè)計(jì)等提供了新的技術(shù)平臺(tái)[1]。

1 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是交互性和沉浸性，它的實(shí)現(xiàn)基于信息快速交互和數(shù)據(jù)處理的能力。通過數(shù)據(jù)交互反饋與三維圖形仿真技術(shù)完成實(shí)時(shí)信息交互，快速建立起逼真的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的完美結(jié)合。由于虛擬環(huán)境建立所需成本較低且可進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，目前該技術(shù)已經(jīng)涉足航天、軍事、通信、建筑和油田生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐。例如，可以虛擬地理環(huán)境，在不承擔(dān)任何風(fēng)險(xiǎn)和代價(jià)的情況下，分析規(guī)劃水庫(kù)并模擬其對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的影響。

2 油井監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和需求

現(xiàn)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(chǔ)層保護(hù)、測(cè)量與測(cè)試、完井與固井等一切與井下作業(yè)有關(guān)的施工作業(yè)技術(shù)。

近年來各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和便于維護(hù)性成為整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。目前抽油機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)普遍選用載荷傳感器、角位移傳感器（或脈沖發(fā)生器）、RTU監(jiān)控器、電參量傳感器等設(shè)備，分別安裝于懸繩器、游梁及控制柜上，各個(gè)信號(hào)采用有線方式匯集到RTU監(jiān)控器上，成本高，安裝工藝復(fù)雜，線纜易損壞，不易防盜，維護(hù)工作量大，且很難長(zhǎng)期可靠地工作[2]。

基于以上情況，結(jié)合當(dāng)今自控技術(shù)的發(fā)展水平，提出并研發(fā)了以無線和嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，將微處理器嵌入到傳感器和轉(zhuǎn)發(fā)器中，使各種傳感器與RTU之間形成無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案，來實(shí)現(xiàn)油井工況的測(cè)量、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能。

3 3D模擬及虛擬技術(shù)

虛擬井下監(jiān)控裝置能模擬各種惡劣環(huán)境，可以對(duì)油井現(xiàn)場(chǎng)的外部設(shè)備和工作環(huán)境建模，可根據(jù)鉆井工藝對(duì)起下鉆、鉆進(jìn)、井控等工作流程和可能出現(xiàn)的井噴、火焰、氣泡等現(xiàn)象，進(jìn)行圖形、圖像和聲音模擬。在對(duì)油井監(jiān)控技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)以及考核方面具有低成本、浸入性強(qiáng)和可重復(fù)訓(xùn)練的特點(diǎn)，從根本上解決了現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)考核帶來的種種弊端。它能提高技術(shù)人員對(duì)油井監(jiān)控設(shè)備的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)對(duì)操作規(guī)程的熟練程度，實(shí)現(xiàn)工作科學(xué)化、管理規(guī)范化。但沒能將實(shí)時(shí)井控及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在3D虛擬場(chǎng)景中再現(xiàn)，無法將井下工況形象地再現(xiàn)，在油井監(jiān)控過程中無法實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)互動(dòng)[3]。而且這類模擬器大多都是采用基于Open GL圖形庫(kù)，應(yīng)用3DMAX建模，以C++語言開發(fā)的方法，在網(wǎng)絡(luò)上傳輸速度慢，無法滿足多用戶異地、實(shí)時(shí)協(xié)作的要求，不能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)有效地監(jiān)控。

在對(duì)油井監(jiān)控過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3D模擬及虛擬技術(shù)模型計(jì)算軟件，該軟件逼真地再現(xiàn)了油井現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的變化情況。利用3D MAX建模軟件構(gòu)建了復(fù)雜的油井下設(shè)備模型，并在Virtools平臺(tái)下利用行為模塊控制各模型獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，開發(fā)了動(dòng)態(tài)的油井監(jiān)控虛擬場(chǎng)景。

4 基于VRML技術(shù)的井控模擬裝置

除了上述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還有一種基于VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——井控模擬仿真。它最初是作為應(yīng)用于Internet上獨(dú)立于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的多用戶交互式3D網(wǎng)絡(luò)語言標(biāo)準(zhǔn)而確立，其具有編程簡(jiǎn)單、交互能力較強(qiáng)、低帶寬運(yùn)行等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)程系統(tǒng)仿真、網(wǎng)絡(luò)教育培訓(xùn)以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

基于VRML的虛擬技術(shù)可以有效克服網(wǎng)絡(luò)帶寬造成的瓶頸，其生成的三維圖形字節(jié)數(shù)相當(dāng)?。ㄒ环S圖形的字節(jié)數(shù)相當(dāng)于用其他軟件繪制的字節(jié)數(shù)的1/1 000），非常適合網(wǎng)絡(luò)傳輸[4]。

井控模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是針對(duì)石油行業(yè)防井噴作業(yè)設(shè)計(jì)的專業(yè)、易用、高效的培訓(xùn)系統(tǒng)。

在對(duì)石油行業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行井控(防井噴作業(yè))培訓(xùn)時(shí)，不易找到場(chǎng)地，也不易重建溢流、井噴現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，推出了井控模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用三維場(chǎng)景重建技術(shù)真實(shí)復(fù)現(xiàn)溢流現(xiàn)象，在三維場(chǎng)景中由相應(yīng)的虛擬人物來代替學(xué)員進(jìn)行操作。為了使學(xué)員對(duì)井控設(shè)備有較為感性的認(rèn)識(shí)，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有半實(shí)物設(shè)備（設(shè)備外形與真實(shí)設(shè)備高度一致，其內(nèi)部電路數(shù)字化，可傳送各種信號(hào)），學(xué)員對(duì)半實(shí)物設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)虛擬場(chǎng)景中的虛擬設(shè)備也會(huì)有相應(yīng)的動(dòng)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(chǎng)景圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來建立3D實(shí)境，可以很好的與其他三維繪圖工具兼容，直接利用本地計(jì)算機(jī)便可把接收的指令性文件轉(zhuǎn)換成極富感染力的3D可視化虛擬環(huán)境。而且VRML最具特色和代表性的的特征是具有動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)（如能見度傳感器節(jié)點(diǎn)及碰撞傳感器節(jié)點(diǎn)等），可以很好地感知用戶和虛擬環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)交互。這些特點(diǎn)都十分有利于實(shí)現(xiàn)具有初步人工智能的、交互式的實(shí)時(shí)油井監(jiān)控系統(tǒng)，從而建立虛擬油井3D全息監(jiān)控系統(tǒng)。

[1]孟永東，田斌．基于Java和My SQL的虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景構(gòu)建方法[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（9）：2 287-2 290．

[2]周萍萍．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油井監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．油氣田地面工程，2013，32（7）：71-72.

[3]趙慶國(guó)，趙華，湛林福，等．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在石油勘探中的應(yīng)用[J]．石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，29（1）：30-33.

[4]鄒紅，包競(jìng)生，陸津．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在油田生產(chǎn)建設(shè)中的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2012，31（9）：81.