隨著可開采油氣儲藏變得越來越稀少，石油公司通常只好鉆探三維井，延伸數千米才能到達新儲層。在鉆探過程中需要精確的導向控制，以便最大程度地接觸儲層并避免碰到現有油井。

Baker Hughes 正在開發先進的定向鉆探服務，綜合多種算法，幫助油氣運營商在其儲層中精確地放置井孔。這些算法在井下環境受強烈振動的嵌入式處理器上運行，在鉆孔時準確測量井孔的傾角和方位角。Baker Hughes 工程師使用基于模型的設計，開發和改進算法，并減少對現場測試的依賴。

使用 Kymera 混合鉆頭的 AutoTrak 曲線旋轉式可導向系統

“在我們的行業中，現場測試既困難又昂貴。”Baker Hughes 的信號處理和控制職能經理 Oliver Hoehn 博士說，“借助基于模型的設計，我們能夠創建一種模擬井孔的環境并運行硬件在環測試，以此驗證開發中的新構想，在將我們的固件部署到現場之前加以檢驗。”

挑戰

使用來自磁力計和加速度計的信號對鉆探系統的傾角和方位角進行計算。井下振動和沖擊使這些信號失真，導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 語言手工編寫的測量算法來處理傳感器信號。但是，該公司認為，對于某些復雜的鉆探情形，系統性能還可以顯著的改進。

由于工程團隊缺乏鉆探系統的模型，他們沒有辦法再現現場遇到的情形，也沒有辦法在整套系統內測試算法。因此，很難比較算法執行結果。而且，該公司發現，用 C 語言手工編寫的算法容易出錯，經常產生不匹配原始規范的執行結果。

解決方案

Baker Hughes 采用MATLAB和Simulink的基于模型的設計，建立了新的開發流程。他們從在桌面仿真中測試現有算法開始，然后使用建模和自動代碼生成來改進算法。

Baker Hughes 工程師在Simulink中創建了一個環境模型，用來捕捉井孔沖擊和振動的影響，還創建了一些傳感器模型，包括濾波器、模數轉換器和其他電氣和機械組件。然后，該團隊使用 S 函數創建現有 C 算法的Simulink模塊。他們將這些模塊與環境模型和傳感器模型組合起來，運行系統級的仿真。

該團隊與 Baker Hughes 的其他專家一起創建了測試用例，以便再現鉆探情形，在Simulink中運行仿真，在這些情形下測試現有算法。該團隊利用仿真的結果，調試和改進現有 C 算法，指導對硬件設計的改進，包括模擬濾波器。

“我們利用自己的設計技能和知識為客戶增加價值，而不是通過編寫代碼。Simulink 和 Embedded Coder 使我們能夠將資源和重點從代碼實現轉移到系統設計和系統級的測試，從而加快了開發進度。”

——Ingolf Wassermann,Baker Hughes

為了執行硬件在環 (HIL) 測試，該團隊使用Embedded Coder從環境模型和傳感器模型中生成代碼，并部署到實時處理器。此設置讓該團隊能夠首次在實驗室內運行整個系統的測試，包括算法、傳感器和環境。

對仿真和 HIL 結果進行分析，為算法改進提供了機會，該團隊在Simulink中重新設計和改進原始 C 算法，實現了算法改進。在這個階段，該團隊為新設計中的每個功能開發了 Simulink 單元測試。這些測試貫穿整個開發過程不間斷運行。

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

使用Embedded Coder，他們為其生產浮點處理器從Simulink算法模型生成了系統代碼的算法部分。這大約占整套系統的一半代碼。

該小組將他們的系統模型分享給 Baker Hughes 內的其他工程團隊，使這些團隊能夠在他們自己的項目上運行系統級的測試。

結果

最大限度地減少了昂貴的現場測試。“一次現場測試的花費可能超過 10 萬美元，但即使付出這么大的代價，也不能再現我們客戶遇到的復雜情形。”Hoehn 說，“利用基于模型的設計，通過仿真和 HIL 測試，我們能夠仿真現實條件，進行較少的現場測試。”

未來開發工作量減半。“我們用 Simulink 和 Embedded Coder 為 HIL 測試而開發的模型庫和框架已經被其他 Baker Hughes 團隊使用。”Hoehn 說，“對于未來的項目，我們希望這種重用將會減少開發算法系統所需資源的 50%。”

改進了固件質量。“我們利用基于模型的設計開發的固件質量有了很大的改進，從而提高可靠性和可重用性。”Hoehn 說。Baker Hughes 系統架構師 Ingolf Wassermann 補充說，“現在我們具有一致的 HIL 測試設置，可用來測量我們在質量改進方面的進展，而且已經改進了我們的整個開發流程。”