首页 -> 2008年第8期
利用仿真模拟技术 提高实训教学质量
作者：黄守国 崔树清
关键词：仿真模拟；实训教学；职业培训
近年来，仿真模拟技术引起了人们的广泛关注，不仅在军事领域、科技领域，而且在职业培训领域都成了研究的热点。利用仿真技术可以构造出想象的环境，并可以实现利用自然的方式与这种虚拟环境进行交流。石油工业是我国主要支柱产业之一，属于高度自动化、技术密集型工业。对高职高专钻井技术专业的学生来讲，要通过理论学习和校内外实际操作，初步掌握场地工、内外钳工、井架工、副司钻、司钻等岗位的操作技能，这是总的要求。但对钻井技术专业校内实习来讲，如何在确保技能培养效果的前提下，解决实训设备投入成本高、安全风险大、实训费用昂贵等实际问题，是当前亟须思考的问题。渤海石油职业学院石油工程系积极把仿真技术引入实训教学，在高职教
学改革方面作了一些探索和尝试。
钻井技能训练的基本特点
实训设备成本高、维护保养工作量大一部钻机少则2000万元，多则上亿元，学校购买钻机负担太重。另外，钻机安装在室外，需要经常性的日常保养维护，工作量很大。
钻井操作技能具有多样性特点，且劳动强度大钻井作业不是单一的重复操作，每一岗位都有不同的操作技能。钻井作业劳动强度大是众所周知的事实，尽管随着科技的发展，钻井作业的机械化、自动化程度进展很快，但整个钻井行业劳动强度仍然很大。
互相配合、联合作业钻井操作是多人协同配合的联合作业，离开了群体将失去钻井操作的意义。因此，钻井操作的技能训练要进行多岗位、协同配合的综合训练，培养学生的集体主义精神。
危险性大钻井操作因受操作者的素质、设备和工具的好坏，协同配合的水平，个体技能的高低等多方面因素的制约，未知因素很多，容易发生人身安全事故，轻者致伤致残，重者有生命危险。因此，实习安全是钻井技能训练中至关重要的问题。
把仿真模拟应用于实训教学
仿真模拟，即逼真模仿研究对象。仿真可以分为物理仿真和计算机仿真两大类。物理仿真的优点是直接、形象、易信，但模型受限、易破坏、难以重用。计算机仿真将研究对象进行数学描述，建模编程，且在计算机中运行实现，可及时升级软件，模拟先进的工艺措施、仪器设备，而且可以重复演示、反复使用。其实，仿真很早就应用于科研和诸多领域包括操作教学在内，比如，服装专业的裁剪操作，一些实训用纸张替代面料，我系制作的模型防喷器组及远控台等，都可以称为物理仿真；而现在用的钻井及井控模拟器，在计算机上进行模拟钻井及实施井控，可以称之为计算机仿真。
人类接受知识的过程是多通道综合作用的过程，这些通道主要有感觉通道，包括视觉、听觉、触觉、平衡感觉、嗅觉和味觉；运动通道，包括手、眼、足、身体和语言；思维通道，包括大脑的记忆、分析、联想和决策。传统的教学方法只利用了较少的通道，如视觉、听觉等，因此教学效率不高。现代科学的发展不仅对教学改革提出了需要，也为此提供了可能。充分运用现代科学的思想、方法、技术、手段，特别是系统论、信息论、控制论、协同论、突变论等科学方法及一切现代化媒体和信息技术与计算机技术的最新成果，使仿真操作系统应运而生。
把仿真模拟技术引入实训教学，学员置身于仿真环境之中，可以充分调动感觉通道、运动通道和思维通道的学习机能，接受知识的效率明显提高。借助高技术手段深化教学改革，实现教学训练模拟仿真化，是一场创新教学手段和方法的变革，而这场变革的核心就是模拟和仿真。从2003年起，我院与西南石油大学计算科学学院联合开发钻井、修井仿真模拟器，这套钻井、修井仿真模拟器主要由以下三部分组成：（1）前端学员操作系统。包括柴油钻机司钻控制台（或电动钻机司钻控制台）、参数显示台、防喷器控制台、阻流器控制台、高压（立管）管汇、阻流器控制台等。（2）后台教师主控系统。包括教师主控机、图形处理机、激光打印机等。（3）大屏幕投影系统。包括投影仪、投影屏幕等，主要负责显示由图形处理机产生的真彩色、真三维动画图形，让所有教师及学员能够实时地、清晰直观地跟踪作业过程，再现生产现场的真实场景。
仿真模拟实训教学的优点
形象性仿真操作能创造一个与实际近乎相同的特性环境。如钻井模拟器，仿真操作面板与钻机实际操作面板可以完全吻合，仿真操作与实际钻机操作在面板控制部分几乎完全一致。
交互性仿真操作不同于电化教学，电化教学学员是被动式、单向式，虽然直观但不具备交互性；而在仿真操作过程中，学员与操作对象能进行交互，可以大大激发学员学习兴趣。学员参与仿真，可建立起使人如身临其境的“交互式虚拟现实世界”。仿真过程具有“沉浸—交互—构想”三个基本特征，以虚拟现实技术创造虚拟环境，特别强调学员参与其中的身临其境的沉浸感，同时学员与虚拟环境之间可以有多维信息交互作用，学员从定性和定量综合集成的虚拟环境中，可以获得对操作对象的感性和理性的认识。
全面性仿真操作软件可充分考虑实际环境中的各种因素，避免由于特定条件而导致的操作结果的单一取向。如下钻杆发现溢流时关井操作仿真，能对溢流量、关井程序、下钻杆的操作等多方面进行仿真。
安全性仿真操作不会对操作对象如设备、仪表、元件等造成实质性损害，更不会因操作失误对学员造成人身危害。如钻井作业仿真不会因学员操作失误造成设备本身损坏，如碰天车、砸井口等事故出现后，不会造成设备本身损坏。而且，仿真中的声、光警报及语言提示，完全可以对学员操作错误进行提醒和纠正。
全天候性仿真操作不受天气、气候制约，无论刮风下雨还是严寒或高温都可进行。实际的钻井现场操作都在野外，要受天气、气候制约。
节约性引入仿真操作教学，最根本的好处是对原材料、工量具、仪表设备的节约。如钻井作业操作一次，要消耗柴油，需要钻杆、吊卡、液压钳等，同时由于操作错误，还可能引起设备的毁坏等严重事故。而仿真操作过程可以实现无油料消耗，避免设备和元件损坏。再如数控仿真，虚拟毛坯替代实际材料，虚拟冷却液替代实际冷却液，可极大地降低操作消耗，且刀具不会因为进给量过大而损坏。在化学仿真中，酸、碱、盐类都是虚拟物品，没有消耗，更没有污染。
高效性仿真操作可缩短材料、仪器或工卡量具的准备过程，操作完成后，也节省了回收时间。在仿真操作过程中，学员可以轻松对操作过程初始化，对未能完成的操作进行状态存贮，对已完成的操作进行调入回顾，极大地提高了操作效率。
直观性在模拟器上可以看到实际中看不到的现象：（1）在模拟器上关井，可以观察到环形防喷器的关井工作原理。看到闸板防喷器的闸板动作；（2）钻头在井底工作时可以通过三维动画显示在地层中钻进的情形；（3）压井过程中压井液循环的情形直观，立管压力、套管压力变化曲线一目了然。总之，模拟器可使复杂的理论简单化，使抽象的问题形象化。
考核与评分在高职院校中专业技能的实际操作考试是教学中的重要一环，钻井专业的考试准备工作费时、耗材量大、评分工作繁杂。该套钻井模拟器可以在学员操作结束时自动打分，消除了主观因素的影响，客观、公平、合理，也减轻了教师的工作量。
仿真模拟实训教学的效果
渤海石油职业学院石油工程系是中国石油天然气集团公司（CNPC）指定的9家国内井控培训机构之一，具有国际钻井承包商协会（IADC）国际井控培训资质。仿真模拟实训教学在全日制学生校内实习以及职工培训中应用，取得了显著效果（见下表）。
作为一种新的教学模式，仿真模拟实训与传统实训方法相比有诸多优点，但必须注意的是，仿真实训毕竟不是真正的对实际对象的操作，本身有一定的局限性。在采用仿真实训后，可缩短但绝不能完全抛开真实的实习过程。钻井专业采用仿真辅助实习的同时，还要给学生安排必需的校外实习，校企联合，工学交替，为企业培养出技能过硬的急需人才。
参考文献：
[1]周政新.EDA电子设计自动化实践与训练[M].北京：中国民航出版社，2002.
[2]赵世强，许杰．电子电路EDA技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2000.
作者简介：
黄守国（1965—），男，河北清河人，渤海石油职业学院石油工程系实训办主任，讲师，研究方向为石油职业教育。