黃魯蒙，齊明俠，張彥廷，2，唐甫世

（1.中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島 266555；2.浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室，浙江杭州 310058）

高校石油鉆井作業(yè)實習(xí)受到教學(xué)資源、人身安全等方面的限制，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。進行鉆井可視化教學(xué)軟件的開發(fā)可以為鉆井行業(yè)提供規(guī)范化、科學(xué)化的培訓(xùn)、教學(xué)手段，是虛擬實驗室教學(xué)的發(fā)展趨勢［1－3］。傳統(tǒng)的鉆井模擬器圖形開發(fā)采用3D MAX、MAYA 等工具進行，但畫面固定，不能根據(jù)外部的操作而實時變化［4］。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有實時交互、渲染的能力，可以在實驗室內(nèi)營造一個逼真的鉆井現(xiàn)場環(huán)境。

VRML（虛擬現(xiàn)實建模語言）具有創(chuàng)建三維造型與場景的能力，并可嵌入JAVA、JavaScript等語言，實現(xiàn)復(fù)雜的人機交互，形成更為逼真的虛擬世界［5－7］。針對傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，提出一種新型鉆井可視化軟件開發(fā)方案，降低了開發(fā)及教學(xué)成本，提高了建模效率，尤其適合于機械設(shè)備復(fù)雜、裝配要求精度高的系統(tǒng)。

1 技術(shù)流程

海洋鉆井可視化教學(xué)軟件主要采用了結(jié)構(gòu)分析與建模（Solidworks）、虛擬現(xiàn)實運動仿真（VRML）、瀏覽器ActiveX 控件二次開發(fā)的技術(shù)流程。首先對各種鉆井設(shè)備進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，利用三維軟件進行建模、裝配，并將3D 模型輸出到VRML 文件中，同時在程序詞法分析的基礎(chǔ)上，利用多種手段進行模型優(yōu)化；其次利用VRML內(nèi)部及外部節(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計；最后利用VB.net語言對VRML 瀏覽器控件進行二次開發(fā)。這樣不僅增強了整個系統(tǒng)的仿真和交互功能，并且界面更加簡潔，有利于用戶使用和學(xué)習(xí)，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 仿真軟件開發(fā)技術(shù)流程圖

2 VRML環(huán)境下CAD實體模型的優(yōu)化

Solidworks導(dǎo)出的VRML 文件雖然可以直接載入VRML器使用，但分析該文件的語法結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)其中存在著一些無用節(jié)點、默認(rèn)域值、空格以及過于精確的數(shù)據(jù)。因此有必要對其進行優(yōu)化預(yù)處理，在盡量不影響其顯示質(zhì)量的前提下，減少文件體積。采用的VRML文件優(yōu)化方法包括:

（1）基于面片數(shù)的優(yōu)化。在構(gòu)造虛擬場景模型時，其構(gòu)成的多邊形面片數(shù)越多，則曲面過渡越光滑，其真實感也就越強，但是一旦面片數(shù)過大，就造成虛擬場景實時渲染困難。所以創(chuàng)建模型時，在保證一定模型品質(zhì)的情況下，盡可能地減少模型的面片數(shù)，以提高虛擬場景的實時渲染速度。

（2）基于節(jié)點復(fù)用的優(yōu)化。在虛擬場景中經(jīng)常有部分節(jié)點有著相同或相近的特點，比如石油鉆機中的立根，1個立根由完整的3個單根連接而成，它們的外形是完全相同的，僅有位置上的區(qū)別。可以使用DEF和USE對單根的模型進行節(jié)點復(fù)用。

（3）基于數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化。Solidworks導(dǎo)出的VRML文件中，頂點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精度很高，精確到微米，因此在不影響視覺效果的前提下，進行精度修正。

（4）基于文件壓縮的優(yōu)化。由于VRML 文件屬于純文本文件，其壓縮空間是相當(dāng)大的。目前主流的VRML瀏覽器都支持直接瀏覽壓縮的VRML 文件，因此該方法是切實可行的。該方法屬于文件無損壓縮，只會減少文件的占用空間，但對于文件的載入、渲染速度沒有影響。

以鉆機大鉤的VRML 模型優(yōu)化為例（如表1 所示），通過優(yōu)化，文件體積是原文件的3.3%，面片數(shù)減少70%，而模型品質(zhì)僅稍有下降，如圖2所示。

表1 大鉤VRML模型優(yōu)化結(jié)果

圖2 大鉤文件優(yōu)化效果對比

3 VRML虛擬井場建模

3.1 鉆井井場靜態(tài)建模

對半潛式深水鉆井平臺結(jié)構(gòu)進行分析，以實際某型號深水鉆井平臺為參考，在Solidworks中，嚴(yán)格按照1∶1的比例建立平臺零部件，然后裝配出鉆井平臺系統(tǒng)模型（如圖3 所示）。海洋鉆井平臺總裝配體包括:半潛式鉆井平臺、鉆井起升系統(tǒng)、天車升沉補償系統(tǒng)、鉆桿自動排放系統(tǒng)、鉆井循環(huán)系統(tǒng)及其他平臺相關(guān)設(shè)備［8］，該總裝配體共擁有零部件5 500余個。通過干涉檢查工具對鉆井平臺系統(tǒng)模型進行檢查，得出干涉率為0，符合建模要求。

此外，采用VRML 中Background（空間背景）節(jié)點、ElevationGrid（高程網(wǎng)格）節(jié)點來分別實現(xiàn)天空與海洋的仿真效果，并利用紋理貼圖與紋理變換模擬一個運動的大海。

圖3 半潛式深水鉆井平臺模型圖

3.2 虛擬場景建模

鉆井運動建模。石油鉆機的運動部件如大鉤、游車、鉆桿等均可視為剛體，任何剛體運動都可以分為平動與轉(zhuǎn)動，或是平動與轉(zhuǎn)動的合成。因此對虛擬場景中運動對象的平動和轉(zhuǎn)動分別通過虛擬現(xiàn)實建模語言中自帶的Translation與Rotation 2個節(jié)點進行控制，從而實現(xiàn)鉆機的復(fù)雜運動［9－10］。此外，石油鉆機中還有2種特殊的運動部件:鋼絲繩運動與泥漿流動，這2種運動是需要解決的難題。

（1）鋼絲繩運動建模。鋼絲繩是彈性件，在拉升過程中其長度與方向會發(fā)生實時變化，為了實現(xiàn)鋼絲繩的特殊運動，設(shè)計了一個基于三維坐標(biāo)系的Line原型節(jié)點，通過調(diào)用該節(jié)點并對起點坐標(biāo)、終點坐標(biāo)及鋼絲繩直徑賦值，即可實現(xiàn)六自由度鋼絲繩建模。其語法定義如下:

（2）泥漿流動建模。相對于剛體運動，流體的運動過程非常復(fù)雜。利用流體紋理的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放來實現(xiàn)流體效果，結(jié)果證明該方法實現(xiàn)簡單、效果逼真。其語法定義如下:

按照以上方法，完成了鉆井系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)建模（如圖4所示）。

圖4 鋼絲繩、鉆井泥漿、鉆井系統(tǒng)模型圖

4 VRML瀏覽器控件的二次開發(fā)

4.1 開發(fā)方案

海洋鉆井教學(xué)仿真系統(tǒng)是一個擁有大型場景和復(fù)雜交互能力的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。VRML 自帶的Script節(jié)點和VRMLScript、JavaScript腳本語言功能滿足不了較大系統(tǒng)設(shè)計的要求，因此必須借助其他編程語言。目前常用的有JSAI、EAI和瀏覽器ActiveX 控件2次開發(fā)等3種方案［11－12］。通過對比，第3種方案無論在交互能力、軟件界面，還是在開發(fā)環(huán)境、可移植性方面都具有較大的優(yōu)勢。

所謂的瀏覽器控件二次開發(fā)就是在Visual Basic、Visual C＋＋、Delphi 等可視化編程環(huán)境中導(dǎo)入VRML瀏覽器的相關(guān)控件，通過VB、VC 等語言編程實現(xiàn)控件與VRML 場景的交互，在此基礎(chǔ)進行選單（菜單）、圖形界面等部分的定制修改，開發(fā)出滿足自己需求的新軟件。因此，在 Windows XP SP3 系統(tǒng)VB2005開發(fā)環(huán)境中導(dǎo)入Blaxxun Contact瀏覽器的blaxxuncc3d.ocx控件，進行二次開發(fā)。在VB2005中通過blaxxun CC3D 特有的屬性、事件與方法來實現(xiàn)其與VRML場景的交互功能。一些常用的重要方法見表2。

表2 blaxxunCC3D組件部分常用方法

4.2 軟件結(jié)構(gòu)

為了便于實現(xiàn)后續(xù)軟件的模塊化設(shè)計，海洋鉆井可視化教學(xué)軟件包括海洋平臺鉆井過程的鉆進、起鉆、下鉆、循環(huán)系統(tǒng)和升沉補償5個模塊，考慮了海洋平臺的震動與升沉補償作用，可以較好地演示深水鉆井平臺的相關(guān)鉆井過程和設(shè)備結(jié)構(gòu)。圖5為軟件部分模塊截圖。

圖5 深水鉆井仿真軟件部分模塊圖

經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明:當(dāng)運動畫面的幀率不低于15時，運行流暢，軟件運行計算機配置需求見表3。

硬件配置需求表

表3

5 結(jié)束語

（1）采用三維CAD 軟件加VRML的開發(fā)方法簡單、方便、技術(shù)難度小，大大增強了建模與轉(zhuǎn)換的效率，尤其適合于大型復(fù)雜機械場景的仿真。

（2）Solidworks導(dǎo)出的VRML文件必須經(jīng)過優(yōu)化才有實用價值，否則會造成顯示不連貫的現(xiàn)象。經(jīng)過多種方法的優(yōu)化，達到了理想的效果，文件體積是原文件的3.3%，面片數(shù)減少70%，而模型品質(zhì)僅稍有下降。

（3）利用VB 語言數(shù)據(jù)處理和通信能力，以及VRML瀏覽器ActiveX 控件二次開發(fā)的方式實現(xiàn)了復(fù)雜運動數(shù)據(jù)的處理、軟件的編制。深水鉆井可視化教學(xué)軟件界面友好、安裝方便，三維場景的動態(tài)交互及靈活變化可以較好地演示深水鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)和鉆井作業(yè)相關(guān)過程，使學(xué)生或用戶對石油鉆機及其作業(yè)流程有一個整體、直觀的了解。

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