一种981钻井平台互动展示装置的设计

王明旭 朱云龙 石爱军 吴少明 秦承运

摘要：“海洋石油981”深水钻井平台是我国开发深海油气资源的战略装备，但对该钻井平台已有的科普展示，以缩小比例仿真模型为主，展示形式单调。现通过设计AR互动工作台，展示钻井平台锚链定位、直升机降落、油轮衔接、火灾逃生的工作过程;通过设计钻井平台机电模型、三自由度运动系统、大尺寸弧面投影展示钻井平台DP3动力定位过程。该机电装置互动趣味性好，展示效果佳，可推广应用于其他类似科普展示场合。

关键词：海洋石油981;AR技术;机电模型;多媒体投影

0    引言

“海洋石油981”深水钻井平台（以下简称“981钻井平台”）主要由壳体、各类模块（导航、定位等）、水下作业系统（生产系统、采油树、集油器等）等组成，最大作业水深3 050 m，甲板面积相当于一个标准足球场，高度相当于45层楼，采用了DP3动力定位和锚泊定位的组合定位系统。981钻井平台标志着中国油气资源的勘探开发挺进深海，对于保障我国能源安全和维护领海主权具有重要意义[1]。

针对981钻井平台，中国国际船舶工业博览会上曾展出过该平台模型，但模型展示单调枯燥，知识内容少。借助国家科技支撑计划“高新技术互动体验系列展品展示关键技术研发”课题，本文设计了981钻井平台机电模型，应用AR技术和大屏幕投影，综合展示了钻井平台锚链定位、直升机降落、油轮衔接、火灾逃生的工作过程以及钻井平台DP3动力定位过程。

1    装置总体结构

装置主要由981钻井平台机电模型、三自由度运动系统、AR互动工作台、DP3定位体验工作台、弧面展墙、投影仪等组成。装置总成结构如图1所示。

机电模型仿照981钻井平台缩小制作，通过三自由度运动系统实现模拟运动。DP3定位体验工作台设置3个风浪模式选择按钮、1个“确定”按钮和1个“DP3定位”按钮，按下按钮，投影仪在弧面展墙播放相关多媒体内容，机电模型进行模拟运动。AR互动工作台包含摄像头和15英寸触摸屏，可以观看AR多媒体演示内容。

2    装置展示工作流程

2.1    平台动力定位互动展示

DP3动力定位系统是世界上最先进的技术，可以不借助锚泊定位，不断检测出平台实际位置与目标位置偏差，根据风、浪、流等外界干扰力，计算出平台恢复到目标位置所需推力大小，控制推进系统动作，维持平台位置在符合作业要求的范围内[2-3]。

DP3定位体验工作台上有大风、波浪、洋流3个风浪模式选择按钮，可以单一选择或组合选择。选择后按下“确定”按钮，投影仪在弧面展墙上播放相应的模拟海况画面，同时机电模型会根据相应的海况做出运动反馈。按下“DP3定位”按钮，投影仪在弧面展墙上播放DP3动力定位过程多媒体视频，机电模型做出相应运动;若不按“DP3定位”按钮，投影多媒体演示不启动DP3动力定位导致的后果。

2.2    平台工作过程互动展示

AR互动工作台上的触摸屏可以选择锚链定位、直升机降落、油轮衔接、火灾逃生、钻井流程5个互动演示内容。选择后，转动屏幕，摄像头识别机电模型的特定位置，触摸屏画面中AR多媒体内容演示相应工作过程。

3    装置主要设计内容

3.1    三自由度运动系统设计

三自由度运动系统用于带动981钻井平台机电模型进行X轴、Y轴水平移动和绕Z轴旋转运动。系统由X轴驱动系统、Y轴驱动系统、Z轴驱动系统、坦克链、模型安装架、支撑滑轨等零部件组成。

X轴驱动系统是通过伺服电机带动丝杆转动，从而带动装在丝杆上的丝杆螺母沿X轴方向移动。Y轴驱动系统整体安装在X轴驱动系统上方，与X轴驱动系统中的丝杆螺母连接，带动Y轴驱动系统整体沿X轴方向移动。Y轴驱动系统同样是通过伺服电机带动丝杆转动，从而带动装在丝杆上的丝杆螺母沿Y轴方向移动。Z轴驱动系统整体安装在Y轴驱动系统上方，与Y轴驱动系统中的丝杆螺母连接，由Y轴驱动系统带动沿Y轴方向移动。Z轴驱动系统由大小齿轮、旋转轴、伺服电机等零部件组成，伺服电机带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮转动，从而带动模型安装架以及安装架上的981钻井平台机电模型转动，以此实现981钻井平台机电模型的三自由度运动。系统结构总成图如图2所示。

3.2    AR互动工作台设计

AR互动工作台主要实现触摸屏两个自由度的运动：触摸屏的旋转运动和触摸屏的翻转运动。屏幕转动运动机构由转轴、轴承座、深沟球轴承、摩擦块、小圆螺母等零件组成，转轴通过深沟球轴承和小圆螺母固定在轴承座上，然后整体固定在台面上，触摸屏框安装在转轴上，从而实现触摸屏的转动。屏幕翻转运动机构由调心轴承、限位槽、小圆螺母、限位块、转轴、手柄、安装支架等零件组成，转轴一端装有手柄，中间部位通过调心轴承和小圆螺母固定在安装支架上，另一端固定安装在触摸屏框上。转动手柄带动触摸屏实现翻转运动。工作台总成结构如图3所示。

展品采用了基于模型追踪技术的AR互动技术，并基于Vuforia SDK较好地实现了PC端的AR应用开发，文献[4]中对AR互动软件的具体开发进行了详细阐述。

3.3    电控系统设计

电控系统主要实现钻井平台机电模型的三自由度运动、AR互动多媒体播放、投影多媒体播放等功能。两台AR互动工作台的摄像头和触摸屏各连接一台电脑，地面投影仪连接一台电脑，一台电脑连接正面投影（弧形投影墙）和运动控制卡，运动控制卡连接机电模型的运动驱动系统。4台电脑通过网络交换机连接进行通信，装置电气系统如图4所示。

4    结语

通过AR互动、机电模型与大屏幕投影相融合，本文设计的装置以较为趣味的方式展示了981钻井平台锚链定位、直升机降落、油轮衔接、火灾逃生的工作过程以及钻井平台DP3动力定位过程。该装置已由课题组织单位捐赠给国内某科技馆，装置目前运行良好。相较于常见的静态模型或纯多媒体影片，本文设计的装置展示内容丰富，可多人同时操作体验，科普展示效果有了较大提升。该装置展示形式也可拓展应用于其他的展示场合。

[参考文献]

[1] 史三東.走近“海洋石油981”深水钻井平台[J].国防科技工业，2012（6）：52-54.

[2] 窦培林，袁洪涛，宋金扬，等.深水半潜式钻井平台DP3动力定位系统设计和应用[J].海洋工程，2010，28（4）：117-121.

[3] 王芳，万磊，姜大鹏，等.DP-3级动力定位控制系统的体系结构[J].应用基础与工程科学学报，2012，20（1）：130-138.

[4] 秦承运，朱云龙，戴海波，等.基于Vuforia SDK与模型追踪技术的PC端AR技术开发[J].信息与电脑（理论版），2018（3）：35-37.

收稿日期：2020-05-18

作者简介：王明旭（1962—），男，安徽合肥人，工程师，从事企业管理、科普展品创意研发、智能化产品研发工作。