井下作業(yè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

劉振東，馬建民，曲本全，陳 暉

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580）

井下作業(yè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

劉振東，馬建民，曲本全，陳 暉

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580）

文章簡(jiǎn)述了石油工業(yè)生產(chǎn)中井下作業(yè)技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了井下作業(yè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的四個(gè)組成部分：知識(shí)講解、仿真操作、知識(shí)考核和互動(dòng)交流，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了展示。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中引入虛擬仿真技術(shù)，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

虛擬仿真；井下作業(yè)；油氣井維修；油層改造

虛擬仿真技術(shù)，是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。目前已廣泛應(yīng)用于場(chǎng)館仿真［1］、文物古跡［2］、工業(yè)仿真、道路橋梁［3］、地質(zhì)災(zāi)害［4］和網(wǎng)上銷售等領(lǐng)域。

一、平臺(tái)研發(fā)的必要性

井下作業(yè)是石油工程技術(shù)的重要組成部分。由于在作業(yè)過(guò)程中施工管柱需要下入到幾千米深的井筒內(nèi)，具有不可視、不可及、高溫、高壓、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)［5］，采用常規(guī)教學(xué)方法難以達(dá)到教學(xué)目的。專業(yè)實(shí)習(xí)又面臨著耗費(fèi)資金大、外出時(shí)間長(zhǎng)、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等難題，實(shí)習(xí)效果較差［6］。

筆者結(jié)合中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心的井下作業(yè)實(shí)訓(xùn)課程，采用多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算仿真技術(shù)［7］，研發(fā)了基于C/S（客戶機(jī)服務(wù)器模式）與B/S（瀏覽器服務(wù)器模式）的井下作業(yè)模擬仿真教學(xué)平臺(tái)，并進(jìn)行了教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)手段等方面的改革研究與實(shí)踐探索，取得了良好的效果。

二、平臺(tái)的組成及功能

井下作業(yè)主要包括油氣井維修和油層改造等作業(yè)施工，其中油氣井維修主要包括檢泵、試注、堵水、打撈、解卡、套管修復(fù)和側(cè)鉆等作業(yè)；油層改造主要包括酸化和壓裂作業(yè)［8］。為便于講解和學(xué)生學(xué)習(xí)，將教學(xué)平臺(tái)分為知識(shí)講解、仿真操作、知識(shí)考核和互動(dòng)交流四部分。

1.知識(shí)講解

在“知識(shí)講解”教學(xué)環(huán)節(jié)，主要分為油氣井維修和油層改造兩部分，其中油氣井維修主要講解相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)、常用設(shè)備和工具、常用施工工藝等；油層改造主要講解酸化和壓裂施工的常用工具和常用施工工藝。本環(huán)節(jié)共研發(fā)了120種典型井下作業(yè)工具和34種典型井下作業(yè)工藝的仿真動(dòng)畫(huà)，時(shí)長(zhǎng)達(dá)32小時(shí)，所有仿真動(dòng)畫(huà)均配有文字和同步語(yǔ)音解說(shuō)。下面通過(guò)實(shí)例簡(jiǎn)要說(shuō)明一下井下作業(yè)工具和井下作業(yè)工藝的講解過(guò)程。

圖1 卡瓦打撈筒工作原理

井下作業(yè)工具以 “卡瓦打撈筒”為例，首先通過(guò)文字和圖片對(duì)卡瓦打撈筒進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，讓學(xué)生有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，然后通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)進(jìn)行詳細(xì)講解，動(dòng)畫(huà)內(nèi)容包括該工具的用途、主要結(jié)構(gòu)、操作方法和工作原理等。其中，講解工具結(jié)構(gòu)時(shí)常采用透視圖或剖視圖等方式，并輔以虛擬裝配過(guò)程介紹；在講解工作原理時(shí)，將地層和工具都通過(guò)剖視圖的方式進(jìn)行展示，工具內(nèi)部各部件的動(dòng)作過(guò)程、井內(nèi)液體的流動(dòng)形態(tài)以及對(duì)周圍油藏的影響等都能夠非常清晰地展現(xiàn)出來(lái)，如圖1所示。形象的動(dòng)畫(huà)使學(xué)生理解起來(lái)非常容易，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

井下作業(yè)工藝以 “套管刮削”為例，同樣先通過(guò)文字和圖片對(duì)套管刮削進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，然后通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)對(duì)施工工藝進(jìn)行詳細(xì)講解，動(dòng)畫(huà)內(nèi)容主要包括該工藝的功能、施工準(zhǔn)備、操作步驟和操作注意事項(xiàng)等，如圖2所示。其中，施工準(zhǔn)備部分主要講解實(shí)施本工藝需要提前準(zhǔn)備的設(shè)備、工具、量具和潤(rùn)滑液等；操作過(guò)程部分將實(shí)施該工藝所需要做的工作一步步地配合動(dòng)畫(huà)和語(yǔ)音進(jìn)行講解，動(dòng)畫(huà)內(nèi)容逼真形象，既可以看到地面上的井場(chǎng)布局和局部細(xì)節(jié)，也可以看到地下的工作場(chǎng)景和工作過(guò)程。這些都是學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)時(shí)不可能達(dá)到的效果。

圖2 套管刮削作業(yè)功能介紹

2.仿真操作

在“仿真操作”教學(xué)環(huán)節(jié)，共研發(fā)了11種典型的油氣井維修作業(yè)仿真項(xiàng)目和6種典型的油層改造作業(yè)仿真項(xiàng)目。仿真操作的初始界面如圖3-a所示，中間主界面為虛擬數(shù)字樣機(jī)工況顯示區(qū)，右邊為主要設(shè)備儀表監(jiān)視區(qū)，下方為控制臺(tái)。學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下自己動(dòng)手操作控制臺(tái)按鈕和手柄，完成各種井下作業(yè)工藝的仿真訓(xùn)練。下面以“凹面磨鞋作業(yè)”為例進(jìn)行說(shuō)明。

雙擊選擇“凹面磨鞋作業(yè)”項(xiàng)目后，仿真操作系統(tǒng)進(jìn)入初始界面。點(diǎn)擊界面左下方的“啟動(dòng)”按鈕，可以聽(tīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的聲音，同時(shí)儀表盤指針指向相應(yīng)位置，數(shù)字樣機(jī)視角發(fā)生變化。將“盤剎”手柄拖至“剎緊”位置，“液壓開(kāi)關(guān)”拖至“剎車鉗”位置，再將“液壓絞車”開(kāi)關(guān)撥至“下放”位置，小絞車吊鉤將下移并勾住一根鉆桿，如圖3-a所示。

將“液壓絞車”開(kāi)關(guān)撥至“上提”位置，剛才小絞車吊鉤勾住的鉆桿被提起，然后將“液壓絞車”開(kāi)關(guān)撥至“停止”位置。

將“盤剎”手柄拖至“釋放”位置，將“滾筒離合器”拖至中位，點(diǎn)擊“吊卡安裝”按鈕，小絞車吊鉤與鉆桿脫離，游車下行，吊卡卡住鉆桿接頭，如圖3-b所示。

圖3 凹面磨鞋作業(yè)過(guò)程

由于操作過(guò)程很長(zhǎng)，不能一一展現(xiàn)，僅通過(guò)以上幾步展示一下本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)仿真操作的具體形式。

本環(huán)節(jié)具有良好的人機(jī)交互功能，操作方便，運(yùn)行可靠，容錯(cuò)性好。通過(guò)本環(huán)節(jié)的培訓(xùn)，學(xué)生的動(dòng)手能力、工程實(shí)踐意識(shí)和對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力得到很大提高，能夠很好地與現(xiàn)場(chǎng)操作對(duì)接。

3.知識(shí)考核

在“知識(shí)考核”環(huán)節(jié)，不僅具有理論考核功能，還可以進(jìn)行實(shí)操考核。

理論考核主要為選擇題和判斷對(duì)錯(cuò)題。學(xué)生答題后提交，系統(tǒng)能夠自動(dòng)評(píng)出成績(jī)［9］，并在答錯(cuò)的題目處給出正確答案，便于學(xué)生檢查、改正。

實(shí)操考核時(shí)，學(xué)生須先登記姓名和學(xué)號(hào)，然后選擇實(shí)操項(xiàng)目，進(jìn)入實(shí)操考核環(huán)境，系統(tǒng)能夠根據(jù)考生操作的正確程度和熟練程度進(jìn)行評(píng)分。通過(guò)該環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)情況做出客觀評(píng)價(jià)，更好地規(guī)劃學(xué)習(xí)目標(biāo)。

4.互動(dòng)交流

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生隨時(shí)可以進(jìn)入互動(dòng)交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在線答疑、討論等交互功能［10］。近期交流的問(wèn)題會(huì)在右側(cè)窗口顯示，學(xué)生可以點(diǎn)擊查看。學(xué)生提問(wèn)的問(wèn)題，不僅教師能夠解答，同學(xué)之間也可以互相解答。

5.其它功能

除以上所說(shuō)的四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)以外，本平臺(tái)還具有用戶管理及跟蹤功能［11］，可以全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和教學(xué)資源的應(yīng)用情況。目前，本教學(xué)平臺(tái)已對(duì)本校在校生全面開(kāi)放，學(xué)生不僅能在網(wǎng)上學(xué)習(xí)本平臺(tái)的理論知識(shí)，還可以進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練和模擬考核。

另外，平臺(tái)還可以與硬件模擬器對(duì)接，如圖4所示，通過(guò)軟硬結(jié)合，學(xué)生如同身臨其境，可顯著提高學(xué)生的認(rèn)知能力和操作技能。

圖4 學(xué)生通過(guò)模擬器進(jìn)行實(shí)操練習(xí)

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上介紹可以看出，本平臺(tái)可以不受時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)了各種典型井下作業(yè)工藝的全方位模擬演示和仿真操作，涵蓋了井下作業(yè)技術(shù)實(shí)訓(xùn)的全部?jī)?nèi)容，形成了一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由理論到實(shí)踐的合理教學(xué)實(shí)訓(xùn)體系，具有隱形部位可視化、理論講解形象化、操作訓(xùn)練規(guī)范化安全化、知識(shí)考核全面化等特點(diǎn)，得到了廣大師生的一致好評(píng)。

［1］許永順，梁兆正.虛擬技術(shù)在科技博物館展示教育中的應(yīng)用與實(shí)例［C］.全國(guó)首屆數(shù)字（虛擬）科技館技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2007：41-54.

［2］郄海風(fēng).基于計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)下的文化遺產(chǎn)再現(xiàn)與復(fù)原［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2010（2）：937-938.

［3］魏魯雙，姜華，彭運(yùn)動(dòng).虛擬仿真技術(shù)在大型橋梁工程中的應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（5）：16-20.

［4］劉軍旗，吳沖龍，毛小平等.地質(zhì)勘察虛擬仿真的3C分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009（4）：48-51.

［5］孫樹(shù)強(qiáng).井下作業(yè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［6］馮峰，孫聰，曲先強(qiáng).船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（1）：11-14.

［7］蔡衛(wèi)國(guó).虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（8）：76-78.

［8］馬繼振.修井作業(yè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2012.

［9］夏一名.基于Web的在線考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012.

［10］馬敏飛.信息技術(shù)在遠(yuǎn)程開(kāi)放教育互動(dòng)交流中的應(yīng)用探討［J］.寧波廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（1）：111-113.

［11］王善民.電子商務(wù)網(wǎng)站用戶跟蹤與訪問(wèn)數(shù)據(jù)分析研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

（編輯：魯利瑞）

表5 求助方式比例分析

四、結(jié)語(yǔ)

B-learning支持下的學(xué)習(xí)不再是新的學(xué)習(xí)理論，它已經(jīng)成長(zhǎng)為一種基于實(shí)踐的學(xué)習(xí)策略與教學(xué)模式，在實(shí)施過(guò)程中強(qiáng)調(diào)活動(dòng)學(xué)習(xí)，因此，混合教學(xué)方案的設(shè)計(jì)是混合學(xué)習(xí)的核心。

通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，B-learning促進(jìn)的大學(xué) 《政治經(jīng)濟(jì)學(xué)》課程的教學(xué)取得了預(yù)期效果，混合學(xué)習(xí)能有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。學(xué)生比較認(rèn)可這種方式，他們的態(tài)度、學(xué)習(xí)行為、知識(shí)與能力、學(xué)習(xí)方式發(fā)生了很大的變化。

參考文獻(xiàn)：

［1］李克東，趙建華.混合學(xué)習(xí)的原理與應(yīng)用模式［J］.電化教育研究，2004（7）.

［2］田世生，傅鋼善.BlendedLearning初步研究［J］.電化教育研究，2004（7）.

［3］黃榮懷，馬丁，鄭蘭琴等.基于混合式學(xué)習(xí)的課程設(shè)計(jì)理論［J］.電化教育研究，2009（1）.

［4］KINGOSOFT高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)［EB/OL］.http：//www.kingosoft.com/produce/index.aspx.

（編輯：李曉萍）

G434

B

1673-8454（2015）06-0085-03