一種981鉆井平臺互動展示裝置的設計

王明旭 朱云龍 石愛軍 吳少明 秦承運

摘要：“海洋石油981”深水鉆井平臺是我國開發深海油氣資源的戰略裝備，但對該鉆井平臺已有的科普展示，以縮小比例仿真模型為主，展示形式單調。現通過設計AR互動工作臺，展示鉆井平臺錨鏈定位、直升機降落、油輪銜接、火災逃生的工作過程;通過設計鉆井平臺機電模型、三自由度運動系統、大尺寸弧面投影展示鉆井平臺DP3動力定位過程。該機電裝置互動趣味性好，展示效果佳，可推廣應用于其他類似科普展示場合。

關鍵詞：海洋石油981;AR技術;機電模型;多媒體投影

0? ? 引言

“海洋石油981”深水鉆井平臺（以下簡稱“981鉆井平臺”）主要由殼體、各類模塊（導航、定位等）、水下作業系統（生產系統、采油樹、集油器等）等組成，最大作業水深3 050 m，甲板面積相當于一個標準足球場，高度相當于45層樓，采用了DP3動力定位和錨泊定位的組合定位系統。981鉆井平臺標志著中國油氣資源的勘探開發挺進深海，對于保障我國能源安全和維護領海主權具有重要意義[1]。

針對981鉆井平臺，中國國際船舶工業博覽會上曾展出過該平臺模型，但模型展示單調枯燥，知識內容少。借助國家科技支撐計劃“高新技術互動體驗系列展品展示關鍵技術研發”課題，本文設計了981鉆井平臺機電模型，應用AR技術和大屏幕投影，綜合展示了鉆井平臺錨鏈定位、直升機降落、油輪銜接、火災逃生的工作過程以及鉆井平臺DP3動力定位過程。

1? ? 裝置總體結構

裝置主要由981鉆井平臺機電模型、三自由度運動系統、AR互動工作臺、DP3定位體驗工作臺、弧面展墻、投影儀等組成。裝置總成結構如圖1所示。

機電模型仿照981鉆井平臺縮小制作，通過三自由度運動系統實現模擬運動。DP3定位體驗工作臺設置3個風浪模式選擇按鈕、1個“確定”按鈕和1個“DP3定位”按鈕，按下按鈕，投影儀在弧面展墻播放相關多媒體內容，機電模型進行模擬運動。AR互動工作臺包含攝像頭和15英寸觸摸屏，可以觀看AR多媒體演示內容。

2? ? 裝置展示工作流程

2.1? ? 平臺動力定位互動展示

DP3動力定位系統是世界上最先進的技術，可以不借助錨泊定位，不斷檢測出平臺實際位置與目標位置偏差，根據風、浪、流等外界干擾力，計算出平臺恢復到目標位置所需推力大小，控制推進系統動作，維持平臺位置在符合作業要求的范圍內[2-3]。

DP3定位體驗工作臺上有大風、波浪、洋流3個風浪模式選擇按鈕，可以單一選擇或組合選擇。選擇后按下“確定”按鈕，投影儀在弧面展墻上播放相應的模擬海況畫面，同時機電模型會根據相應的海況做出運動反饋。按下“DP3定位”按鈕，投影儀在弧面展墻上播放DP3動力定位過程多媒體視頻，機電模型做出相應運動;若不按“DP3定位”按鈕，投影多媒體演示不啟動DP3動力定位導致的后果。

2.2? ? 平臺工作過程互動展示

AR互動工作臺上的觸摸屏可以選擇錨鏈定位、直升機降落、油輪銜接、火災逃生、鉆井流程5個互動演示內容。選擇后，轉動屏幕，攝像頭識別機電模型的特定位置，觸摸屏畫面中AR多媒體內容演示相應工作過程。

3? ? 裝置主要設計內容

3.1? ? 三自由度運動系統設計

三自由度運動系統用于帶動981鉆井平臺機電模型進行X軸、Y軸水平移動和繞Z軸旋轉運動。系統由X軸驅動系統、Y軸驅動系統、Z軸驅動系統、坦克鏈、模型安裝架、支撐滑軌等零部件組成。

X軸驅動系統是通過伺服電機帶動絲桿轉動，從而帶動裝在絲桿上的絲桿螺母沿X軸方向移動。Y軸驅動系統整體安裝在X軸驅動系統上方，與X軸驅動系統中的絲桿螺母連接，帶動Y軸驅動系統整體沿X軸方向移動。Y軸驅動系統同樣是通過伺服電機帶動絲桿轉動，從而帶動裝在絲桿上的絲桿螺母沿Y軸方向移動。Z軸驅動系統整體安裝在Y軸驅動系統上方，與Y軸驅動系統中的絲桿螺母連接，由Y軸驅動系統帶動沿Y軸方向移動。Z軸驅動系統由大小齒輪、旋轉軸、伺服電機等零部件組成，伺服電機帶動小齒輪轉動，小齒輪帶動大齒輪轉動，從而帶動模型安裝架以及安裝架上的981鉆井平臺機電模型轉動，以此實現981鉆井平臺機電模型的三自由度運動。系統結構總成圖如圖2所示。

3.2? ? AR互動工作臺設計

AR互動工作臺主要實現觸摸屏兩個自由度的運動：觸摸屏的旋轉運動和觸摸屏的翻轉運動。屏幕轉動運動機構由轉軸、軸承座、深溝球軸承、摩擦塊、小圓螺母等零件組成，轉軸通過深溝球軸承和小圓螺母固定在軸承座上，然后整體固定在臺面上，觸摸屏框安裝在轉軸上，從而實現觸摸屏的轉動。屏幕翻轉運動機構由調心軸承、限位槽、小圓螺母、限位塊、轉軸、手柄、安裝支架等零件組成，轉軸一端裝有手柄，中間部位通過調心軸承和小圓螺母固定在安裝支架上，另一端固定安裝在觸摸屏框上。轉動手柄帶動觸摸屏實現翻轉運動。工作臺總成結構如圖3所示。

展品采用了基于模型追蹤技術的AR互動技術，并基于Vuforia SDK較好地實現了PC端的AR應用開發，文獻[4]中對AR互動軟件的具體開發進行了詳細闡述。

3.3? ? 電控系統設計

電控系統主要實現鉆井平臺機電模型的三自由度運動、AR互動多媒體播放、投影多媒體播放等功能。兩臺AR互動工作臺的攝像頭和觸摸屏各連接一臺電腦，地面投影儀連接一臺電腦，一臺電腦連接正面投影（弧形投影墻）和運動控制卡，運動控制卡連接機電模型的運動驅動系統。4臺電腦通過網絡交換機連接進行通信，裝置電氣系統如圖4所示。

4? ? 結語

通過AR互動、機電模型與大屏幕投影相融合，本文設計的裝置以較為趣味的方式展示了981鉆井平臺錨鏈定位、直升機降落、油輪銜接、火災逃生的工作過程以及鉆井平臺DP3動力定位過程。該裝置已由課題組織單位捐贈給國內某科技館，裝置目前運行良好。相較于常見的靜態模型或純多媒體影片，本文設計的裝置展示內容豐富，可多人同時操作體驗，科普展示效果有了較大提升。該裝置展示形式也可拓展應用于其他的展示場合。

[參考文獻]

[1] 史三東.走近“海洋石油981”深水鉆井平臺[J].國防科技工業，2012（6）：52-54.

[2] 竇培林，袁洪濤，宋金揚，等.深水半潛式鉆井平臺DP3動力定位系統設計和應用[J].海洋工程，2010，28（4）：117-121.

[3] 王芳，萬磊，姜大鵬，等.DP-3級動力定位控制系統的體系結構[J].應用基礎與工程科學學報，2012，20（1）：130-138.

[4] 秦承運，朱云龍，戴海波，等.基于Vuforia SDK與模型追蹤技術的PC端AR技術開發[J].信息與電腦（理論版），2018（3）：35-37.

收稿日期：2020-05-18

作者簡介：王明旭（1962—），男，安徽合肥人，工程師，從事企業管理、科普展品創意研發、智能化產品研發工作。