海洋钻井可视化教学软件开发

黄鲁蒙，齐明侠，张彦廷，2，唐甫世

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266555；2.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭州 310058）

高校石油钻井作业实习受到教学资源、人身安全等方面的限制，严重影响了教学质量。进行钻井可视化教学软件的开发可以为钻井行业提供规范化、科学化的培训、教学手段，是虚拟实验室教学的发展趋势［1－3］。传统的钻井模拟器图形开发采用3D MAX、MAYA 等工具进行，但画面固定，不能根据外部的操作而实时变化［4］。虚拟现实技术具有实时交互、渲染的能力，可以在实验室内营造一个逼真的钻井现场环境。

VRML（虚拟现实建模语言）具有创建三维造型与场景的能力，并可嵌入JAVA、JavaScript等语言，实现复杂的人机交互，形成更为逼真的虚拟世界［5－7］。针对传统教学方法的不足，提出一种新型钻井可视化软件开发方案，降低了开发及教学成本，提高了建模效率，尤其适合于机械设备复杂、装配要求精度高的系统。

1 技术流程

海洋钻井可视化教学软件主要采用了结构分析与建模（Solidworks）、虚拟现实运动仿真（VRML）、浏览器ActiveX 控件二次开发的技术流程。首先对各种钻井设备进行结构分析与设计，利用三维软件进行建模、装配，并将3D 模型输出到VRML 文件中，同时在程序词法分析的基础上，利用多种手段进行模型优化；其次利用VRML内部及外部节点实现系统动态设计；最后利用VB.net语言对VRML 浏览器控件进行二次开发。这样不仅增强了整个系统的仿真和交互功能，并且界面更加简洁，有利于用户使用和学习，技术路线如图1所示。

图1 仿真软件开发技术流程图

2 VRML环境下CAD实体模型的优化

Solidworks导出的VRML 文件虽然可以直接载入VRML器使用，但分析该文件的语法结构可以发现其中存在着一些无用节点、默认域值、空格以及过于精确的数据。因此有必要对其进行优化预处理，在尽量不影响其显示质量的前提下，减少文件体积。采用的VRML文件优化方法包括:

（1）基于面片数的优化。在构造虚拟场景模型时，其构成的多边形面片数越多，则曲面过渡越光滑，其真实感也就越强，但是一旦面片数过大，就造成虚拟场景实时渲染困难。所以创建模型时，在保证一定模型品质的情况下，尽可能地减少模型的面片数，以提高虚拟场景的实时渲染速度。

（2）基于节点复用的优化。在虚拟场景中经常有部分节点有着相同或相近的特点，比如石油钻机中的立根，1个立根由完整的3个单根连接而成，它们的外形是完全相同的，仅有位置上的区别。可以使用DEF和USE对单根的模型进行节点复用。

（3）基于数据精度的优化。Solidworks导出的VRML文件中，顶点三维坐标数据的精度很高，精确到微米，因此在不影响视觉效果的前提下，进行精度修正。

（4）基于文件压缩的优化。由于VRML 文件属于纯文本文件，其压缩空间是相当大的。目前主流的VRML浏览器都支持直接浏览压缩的VRML 文件，因此该方法是切实可行的。该方法属于文件无损压缩，只会减少文件的占用空间，但对于文件的载入、渲染速度没有影响。

以钻机大钩的VRML 模型优化为例（如表1 所示），通过优化，文件体积是原文件的3.3%，面片数减少70%，而模型品质仅稍有下降，如图2所示。

表1 大钩VRML模型优化结果

图2 大钩文件优化效果对比

3 VRML虚拟井场建模

3.1 钻井井场静态建模

对半潜式深水钻井平台结构进行分析，以实际某型号深水钻井平台为参考，在Solidworks中，严格按照1∶1的比例建立平台零部件，然后装配出钻井平台系统模型（如图3 所示）。海洋钻井平台总装配体包括:半潜式钻井平台、钻井起升系统、天车升沉补偿系统、钻杆自动排放系统、钻井循环系统及其他平台相关设备［8］，该总装配体共拥有零部件5 500余个。通过干涉检查工具对钻井平台系统模型进行检查，得出干涉率为0，符合建模要求。

此外，采用VRML 中Background（空间背景）节点、ElevationGrid（高程网格）节点来分别实现天空与海洋的仿真效果，并利用纹理贴图与纹理变换模拟一个运动的大海。

图3 半潜式深水钻井平台模型图

3.2 虚拟场景建模

钻井运动建模。石油钻机的运动部件如大钩、游车、钻杆等均可视为刚体，任何刚体运动都可以分为平动与转动，或是平动与转动的合成。因此对虚拟场景中运动对象的平动和转动分别通过虚拟现实建模语言中自带的Translation与Rotation 2个节点进行控制，从而实现钻机的复杂运动［9－10］。此外，石油钻机中还有2种特殊的运动部件:钢丝绳运动与泥浆流动，这2种运动是需要解决的难题。

（1）钢丝绳运动建模。钢丝绳是弹性件，在拉升过程中其长度与方向会发生实时变化，为了实现钢丝绳的特殊运动，设计了一个基于三维坐标系的Line原型节点，通过调用该节点并对起点坐标、终点坐标及钢丝绳直径赋值，即可实现六自由度钢丝绳建模。其语法定义如下:

（2）泥浆流动建模。相对于刚体运动，流体的运动过程非常复杂。利用流体纹理的旋转、平移、缩放来实现流体效果，结果证明该方法实现简单、效果逼真。其语法定义如下:

按照以上方法，完成了钻井系统的静态与动态建模（如图4所示）。

图4 钢丝绳、钻井泥浆、钻井系统模型图

4 VRML浏览器控件的二次开发

4.1 开发方案

海洋钻井教学仿真系统是一个拥有大型场景和复杂交互能力的虚拟现实系统。VRML 自带的Script节点和VRMLScript、JavaScript脚本语言功能满足不了较大系统设计的要求，因此必须借助其他编程语言。目前常用的有JSAI、EAI和浏览器ActiveX 控件2次开发等3种方案［11－12］。通过对比，第3种方案无论在交互能力、软件界面，还是在开发环境、可移植性方面都具有较大的优势。

所谓的浏览器控件二次开发就是在Visual Basic、Visual C＋＋、Delphi 等可视化编程环境中导入VRML浏览器的相关控件，通过VB、VC 等语言编程实现控件与VRML 场景的交互，在此基础进行选单（菜单）、图形界面等部分的定制修改，开发出满足自己需求的新软件。因此，在 Windows XP SP3 系统VB2005开发环境中导入Blaxxun Contact浏览器的blaxxuncc3d.ocx控件，进行二次开发。在VB2005中通过blaxxun CC3D 特有的属性、事件与方法来实现其与VRML场景的交互功能。一些常用的重要方法见表2。

表2 blaxxunCC3D组件部分常用方法

4.2 软件结构

为了便于实现后续软件的模块化设计，海洋钻井可视化教学软件包括海洋平台钻井过程的钻进、起钻、下钻、循环系统和升沉补偿5个模块，考虑了海洋平台的震动与升沉补偿作用，可以较好地演示深水钻井平台的相关钻井过程和设备结构。图5为软件部分模块截图。

图5 深水钻井仿真软件部分模块图

经验数据表明:当运动画面的帧率不低于15时，运行流畅，软件运行计算机配置需求见表3。

硬件配置需求表

表3

5 结束语

（1）采用三维CAD 软件加VRML的开发方法简单、方便、技术难度小，大大增强了建模与转换的效率，尤其适合于大型复杂机械场景的仿真。

（2）Solidworks导出的VRML文件必须经过优化才有实用价值，否则会造成显示不连贯的现象。经过多种方法的优化，达到了理想的效果，文件体积是原文件的3.3%，面片数减少70%，而模型品质仅稍有下降。

（3）利用VB 语言数据处理和通信能力，以及VRML浏览器ActiveX 控件二次开发的方式实现了复杂运动数据的处理、软件的编制。深水钻井可视化教学软件界面友好、安装方便，三维场景的动态交互及灵活变化可以较好地演示深水钻井平台主要结构和钻井作业相关过程，使学生或用户对石油钻机及其作业流程有一个整体、直观的了解。

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［1］张进海，潘丽华.浅谈钻井模拟器在行业培训中的作用［J］.钻采工艺，2000，23（5）:60－61.

［2］宁超，张世英，高巍然，等.网络虚拟实验的研究与开发［J］.实验技术与管理，2005，22（4）:76－78.

［3］宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景［J］.实验技术与管理，2005，22（1）:35－37.

［4］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）:7554－7557.

［5］Hodgson R，Hassard P.Advanced drilling simulators offer realistic models to reduce crews learning curve［J］.DRILLING CONTRACTOR，2006（8）:23－25.

［6］李占利，孙秀英.RP 软件中VRML模型的可视化研究［J］.计算机工程与设计，2007，28（5）:1185－1187.

［7］卢碧红，徐军，葛研军.VRML图形文件浏览器的开发［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2004，16（8）:1176－1178.

［8］孙松尧.钻井机械［M］.北京:高等教育出版社，2006:15－2.

［9］郭海新，周秋利.VRML 与Java交互技术在虚拟装配中的应用［J］.河北软件职业技术学院学报，2007，9（3）:60－62.

［10］那顺.VRML原理及应用探讨［J］.内蒙古民族大学学报，2009，15（2）:17－18.

［11］何圣华，袁清珂，曾挺潮.利用VRML及其EAI实现机械运动仿真与性能展示同步化［J］.机电工程技术，2004，33（3）:36－38.

［12］游万里，姚涵珍.VRML虚拟现实中EAI的研究及应用［J］.天津科技大学学报，2005，20（4）:73－76.