隨著可開(kāi)采油氣儲(chǔ)藏變得越來(lái)越稀少，石油公司通常只好鉆探三維井，延伸數(shù)千米才能到達(dá)新儲(chǔ)層。在鉆探過(guò)程中需要精確的導(dǎo)向控制，以便最大程度地接觸儲(chǔ)層并避免碰到現(xiàn)有油井。

Baker Hughes 正在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的定向鉆探服務(wù)，綜合多種算法，幫助油氣運(yùn)營(yíng)商在其儲(chǔ)層中精確地放置井孔。這些算法在井下環(huán)境受強(qiáng)烈振動(dòng)的嵌入式處理器上運(yùn)行，在鉆孔時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量井孔的傾角和方位角。Baker Hughes 工程師使用基于模型的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)和改進(jìn)算法，并減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的依賴。

使用 Kymera 混合鉆頭的 AutoTrak 曲線旋轉(zhuǎn)式可導(dǎo)向系統(tǒng)

“在我們的行業(yè)中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試既困難又昂貴。”Baker Hughes 的信號(hào)處理和控制職能經(jīng)理 Oliver Hoehn 博士說(shuō)，“借助基于模型的設(shè)計(jì)，我們能夠創(chuàng)建一種模擬井孔的環(huán)境并運(yùn)行硬件在環(huán)測(cè)試，以此驗(yàn)證開(kāi)發(fā)中的新構(gòu)想，在將我們的固件部署到現(xiàn)場(chǎng)之前加以檢驗(yàn)。”

挑戰(zhàn)

使用來(lái)自磁力計(jì)和加速度計(jì)的信號(hào)對(duì)鉆探系統(tǒng)的傾角和方位角進(jìn)行計(jì)算。井下振動(dòng)和沖擊使這些信號(hào)失真，導(dǎo)致隨井深而增加的井孔位置的不確定性。Baker Hughes 之前曾采用 C 語(yǔ)言手工編寫(xiě)的測(cè)量算法來(lái)處理傳感器信號(hào)。但是，該公司認(rèn)為，對(duì)于某些復(fù)雜的鉆探情形，系統(tǒng)性能還可以顯著的改進(jìn)。

由于工程團(tuán)隊(duì)缺乏鉆探系統(tǒng)的模型，他們沒(méi)有辦法再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)遇到的情形，也沒(méi)有辦法在整套系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試算法。因此，很難比較算法執(zhí)行結(jié)果。而且，該公司發(fā)現(xiàn)，用 C 語(yǔ)言手工編寫(xiě)的算法容易出錯(cuò)，經(jīng)常產(chǎn)生不匹配原始規(guī)范的執(zhí)行結(jié)果。

解決方案

Baker Hughes 采用MATLAB和Simulink的基于模型的設(shè)計(jì)，建立了新的開(kāi)發(fā)流程。他們從在桌面仿真中測(cè)試現(xiàn)有算法開(kāi)始，然后使用建模和自動(dòng)代碼生成來(lái)改進(jìn)算法。

Baker Hughes 工程師在Simulink中創(chuàng)建了一個(gè)環(huán)境模型，用來(lái)捕捉井孔沖擊和振動(dòng)的影響，還創(chuàng)建了一些傳感器模型，包括濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和其他電氣和機(jī)械組件。然后，該團(tuán)隊(duì)使用 S 函數(shù)創(chuàng)建現(xiàn)有 C 算法的Simulink模塊。他們將這些模塊與環(huán)境模型和傳感器模型組合起來(lái)，運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)的仿真。

該團(tuán)隊(duì)與 Baker Hughes 的其他專家一起創(chuàng)建了測(cè)試用例，以便再現(xiàn)鉆探情形，在Simulink中運(yùn)行仿真，在這些情形下測(cè)試現(xiàn)有算法。該團(tuán)隊(duì)利用仿真的結(jié)果，調(diào)試和改進(jìn)現(xiàn)有 C 算法，指導(dǎo)對(duì)硬件設(shè)計(jì)的改進(jìn)，包括模擬濾波器。

“我們利用自己的設(shè)計(jì)技能和知識(shí)為客戶增加價(jià)值，而不是通過(guò)編寫(xiě)代碼。Simulink 和 Embedded Coder 使我們能夠?qū)①Y源和重點(diǎn)從代碼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試，從而加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)度。”

——Ingolf Wassermann,Baker Hughes

為了執(zhí)行硬件在環(huán) (HIL) 測(cè)試，該團(tuán)隊(duì)使用Embedded Coder從環(huán)境模型和傳感器模型中生成代碼，并部署到實(shí)時(shí)處理器。此設(shè)置讓該團(tuán)隊(duì)能夠首次在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試，包括算法、傳感器和環(huán)境。

對(duì)仿真和 HIL 結(jié)果進(jìn)行分析，為算法改進(jìn)提供了機(jī)會(huì)，該團(tuán)隊(duì)在Simulink中重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)原始 C 算法，實(shí)現(xiàn)了算法改進(jìn)。在這個(gè)階段，該團(tuán)隊(duì)為新設(shè)計(jì)中的每個(gè)功能開(kāi)發(fā)了 Simulink 單元測(cè)試。這些測(cè)試貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程不間斷運(yùn)行。

他們使用Simulink Check和Simulink Coverage檢查是否符合 MathWorks Automotive Advisory Board (MAAB) 建模標(biāo)準(zhǔn)，并測(cè)量他們的測(cè)試用例的模型覆蓋率。

使用Embedded Coder，他們?yōu)槠渖a(chǎn)浮點(diǎn)處理器從Simulink算法模型生成了系統(tǒng)代碼的算法部分。這大約占整套系統(tǒng)的一半代碼。

該小組將他們的系統(tǒng)模型分享給 Baker Hughes 內(nèi)的其他工程團(tuán)隊(duì)，使這些團(tuán)隊(duì)能夠在他們自己的項(xiàng)目上運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試。

結(jié)果

最大限度地減少了昂貴的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。“一次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的花費(fèi)可能超過(guò) 10 萬(wàn)美元，但即使付出這么大的代價(jià)，也不能再現(xiàn)我們客戶遇到的復(fù)雜情形。”Hoehn 說(shuō)，“利用基于模型的設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真和 HIL 測(cè)試，我們能夠仿真現(xiàn)實(shí)條件，進(jìn)行較少的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。”

未來(lái)開(kāi)發(fā)工作量減半。“我們用 Simulink 和 Embedded Coder 為 HIL 測(cè)試而開(kāi)發(fā)的模型庫(kù)和框架已經(jīng)被其他 Baker Hughes 團(tuán)隊(duì)使用。”Hoehn 說(shuō)，“對(duì)于未來(lái)的項(xiàng)目，我們希望這種重用將會(huì)減少開(kāi)發(fā)算法系統(tǒng)所需資源的 50%。”

改進(jìn)了固件質(zhì)量。“我們利用基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的固件質(zhì)量有了很大的改進(jìn)，從而提高可靠性和可重用性。”Hoehn 說(shuō)。Baker Hughes 系統(tǒng)架構(gòu)師 Ingolf Wassermann 補(bǔ)充說(shuō)，“現(xiàn)在我們具有一致的 HIL 測(cè)試設(shè)置，可用來(lái)測(cè)量我們?cè)谫|(zhì)量改進(jìn)方面的進(jìn)展，而且已經(jīng)改進(jìn)了我們的整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。”