趙鵬程 彭波 張皓

摘 要：文章依據(jù)核電站對于設(shè)備檢修培訓(xùn)的需求，提出了利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行核電站虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。該培訓(xùn)系統(tǒng)將三維建模、虛擬裝配、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，并與核電站設(shè)備檢修規(guī)程相配合，可進(jìn)行教學(xué)和操作。文章闡述了虛擬檢修培訓(xùn)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：核電站；設(shè)備檢修；虛擬現(xiàn)實(shí)

1 概述

隨著核電站的建設(shè)，不斷有新員工加入到核電運(yùn)行維護(hù)中，同時(shí)原有核電站資深維修技術(shù)人員也不斷稀釋到各新建核電站，造成了現(xiàn)有和新建核電站的整體技術(shù)熟悉程度和技能水平都呈現(xiàn)下降的趨勢，課堂的理論教學(xué)不能滿足需求，而完全采用實(shí)物模擬培訓(xùn)的方式，受經(jīng)費(fèi)、場地等諸多原因的限制，也不能大面積的推廣，如何找到一個(gè)適用于核電站維修人員培訓(xùn)的技術(shù)路線，并在此基礎(chǔ)上建立核電培訓(xùn)產(chǎn)品用于維修人員培訓(xùn)，提升維修人員技能水平，成為一個(gè)迫在眉睫的問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一個(gè)可視化的技術(shù)手段，無論從視覺效果、現(xiàn)場感受等方面都有著良好的技術(shù)優(yōu)勢，已成為核電站維修人員培訓(xùn)的一個(gè)必不可少的手段。

2 虛擬檢修培訓(xùn)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是上世紀(jì)五六十年代興起的一門新興技術(shù)學(xué)科，他融合了數(shù)字仿真、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)。在上世紀(jì)九十年代，國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)、研究、生活的各個(gè)領(lǐng)域、如娛樂、軍事、航天、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、信息管理、商貿(mào)、建筑、醫(yī)療保險(xiǎn)、危險(xiǎn)及惡劣環(huán)境下的遙控操作、教育與培訓(xùn)、信息可視化以及遠(yuǎn)程通訊等。

2.1 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

建立醫(yī)學(xué)工具操作的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，讓醫(yī)生，特別是新學(xué)員在電腦前模擬進(jìn)行操作，熟悉各種醫(yī)學(xué)設(shè)備的操作過程，可有效提高手術(shù)的安全性和效率。如內(nèi)窺鏡操作虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、腔鏡操作虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、基礎(chǔ)子宮鏡操作虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、心血管操作虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、消化道及支氣管鏡操作虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)等

2.2 機(jī)械設(shè)備行業(yè)

在機(jī)械設(shè)備行業(yè)的應(yīng)用也很多，因?yàn)榇笮驮O(shè)備的拆卸、安裝維修都很困難，培訓(xùn)新維修安裝工人在實(shí)際操作中，一是費(fèi)用高，二是浪費(fèi)時(shí)間，采用虛擬維修安裝培訓(xùn)系統(tǒng)，可以更輕松的讓新的安裝工人熟悉操作的流程。

2.3 能源勘探領(lǐng)域

礦業(yè)人員技術(shù)培訓(xùn)：采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造出的礦山生產(chǎn)環(huán)境具有逼真、交互作用的特點(diǎn)，可以直觀模擬采礦環(huán)境及其作業(yè)過程，供采礦工程專業(yè)的學(xué)生實(shí)習(xí)，這樣既可以降低實(shí)習(xí)費(fèi)用，又可縮短教學(xué)時(shí)間，讓更多的人接受高等教育。

2.4 電力行業(yè)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的電力仿真系統(tǒng)，可以全過程仿真電力系統(tǒng)動態(tài)行為，可用于電力系統(tǒng)運(yùn)行方式研究、安全穩(wěn)定分析、事故重演和分析等。對運(yùn)行人員進(jìn)行正常操作、事故判斷和處理、系統(tǒng)恢復(fù)的培訓(xùn)等；對運(yùn)行人員的各種操作能力、事故判斷和處理能力進(jìn)行鑒定與考核；對保護(hù)定值和自動裝置定值進(jìn)行校驗(yàn)。

2.5 制造行業(yè)

虛擬制造是采用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分布技術(shù)環(huán)境中開展群組協(xié)同工作，支持企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品異設(shè)計(jì)、制造和裝配。工程和建筑領(lǐng)域內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被看作是唯一開發(fā)工具，目前正用它設(shè)計(jì)各種產(chǎn)品和設(shè)備，是整個(gè)產(chǎn)品制造過程。

2.6 教育行業(yè)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)，不但能產(chǎn)生視覺效果，還能夠處理實(shí)時(shí)交互圖形，具有圖形以外的聲間和觸感，完全可以在虛擬世界充分感知信息，并做出選擇或相應(yīng)的動作。而且在不同的實(shí)驗(yàn)間切換，只需輸入不同的處置方案即可。不需大量的置換外部元件。

2.7 其它

模擬器：廣泛應(yīng)用的有飛行模擬器、列車模擬器、駕駛模擬器、坦克模擬器、潛艇模擬器等，如動車組模擬器、駕照考核模擬器，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與控制技術(shù)，對人員整個(gè)的操作過程進(jìn)行培訓(xùn)，包括對突發(fā)事件和事故的處理。

在核電領(lǐng)域，國外也在三維設(shè)計(jì)、人員培訓(xùn)方面逐步進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。如歐洲原子能共同體（EURATOM）的VRIMOR項(xiàng)目、列寧格勒核電站的虛擬現(xiàn)實(shí)換料裝置模擬機(jī)、韓國核電站的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)等。國內(nèi)各核電站從本世紀(jì)初開始進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)核電應(yīng)用的探索與研究，主要集中在運(yùn)行、培訓(xùn)、檢修等領(lǐng)域。如大亞灣核電站的虛擬核島演示項(xiàng)目，秦山二期的虛擬換料機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)、核島設(shè)備定位系統(tǒng)，秦山三期的電站關(guān)鍵設(shè)備三維仿真系統(tǒng)、熱交換器整體更換三維模擬系統(tǒng)，秦山一期電站設(shè)施三維信息化及管理系統(tǒng)、虛擬控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)、虛擬主汽閥檢修及裝配培訓(xùn)軟件、虛擬主變壓器解體大修仿真培訓(xùn)軟件、虛擬停堆冷卻泵結(jié)構(gòu)及裝配軟件、堆芯核測系統(tǒng)機(jī)械部分維修虛擬仿真軟件，田灣核電站技能培訓(xùn)虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，山東核電虛擬設(shè)備檢修培訓(xùn)系統(tǒng)等。國內(nèi)各院校針對核專業(yè)學(xué)員也提出了建設(shè)虛擬核電培訓(xùn)系統(tǒng)的需求等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為核電培訓(xùn)產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)手段。

3 虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

核電站虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)需具備廠房及設(shè)備三維結(jié)構(gòu)展示、檢修規(guī)程模擬、工器具管理、培訓(xùn)與考核、零部件屬性信息查詢、外部資料關(guān)聯(lián)調(diào)用等功能，包含前臺的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)、后臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和三維建模系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)都存放在服務(wù)器上，用戶端通過訪問服務(wù)器，將數(shù)據(jù)下載到本機(jī)才能進(jìn)行相關(guān)的操作。在服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行更新后，同樣客戶機(jī)通過下載更新后的數(shù)據(jù)對客戶機(jī)本機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

圖1 核電站虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

核電站虛擬檢修培訓(xùn)關(guān)鍵技術(shù)包括三維建模技術(shù)、場景交互技術(shù)、模型結(jié)構(gòu)樹瀏覽、虛擬維修模擬、三維特效技術(shù)以及集成其他領(lǐng)域范圍的各種技術(shù)，形成了核電站虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)。

4.1 三維建模技術(shù)

對核電站進(jìn)行三維虛擬仿真建模，涉及的范圍包含廠房、設(shè)備及零部件、管道、支吊架、電纜線等，受資料完整度影響，按照不同的應(yīng)用需求，可以將三維模型分為三種精度：

1級：目標(biāo)對象全部部件都需按設(shè)計(jì)尺寸精確建立。

2級：僅對目標(biāo)對象主題關(guān)鍵部分有精確尺寸要求，次要部分僅建立外形，或按裝配圖比例建立。

3級：對目標(biāo)對象無精確尺寸要求，僅需要模型比例與實(shí)體基本一致。

目前三維建模技術(shù)主要是利用軟件進(jìn)行手工建模，在一些環(huán)境下也可采用三維掃描技術(shù)提取模型數(shù)據(jù)，再進(jìn)行加工處理實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。

對于設(shè)備及零部件模型，一般采用工程軟件進(jìn)行建模的方式，主要的工程軟件包括Pro/E、Catia、UG等，該類軟件的優(yōu)勢在于能夠完全還原設(shè)備的尺寸和結(jié)構(gòu)，工程應(yīng)用時(shí)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

對于廠房模型，一般對于數(shù)據(jù)的精度要求不高，可利用普通軟件如3Dmax進(jìn)行建模工作。該類軟件的優(yōu)勢是可以利用模型紋理、材質(zhì)等手段，更好的展現(xiàn)廠房的外觀效果。

對于管道、支吊架、電纜線等類型三維模型數(shù)據(jù)的建立，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用精度的要求，在精度要求高的情況下，利用工程軟件進(jìn)行建模，在精度要求低的情況下，利用普通建模軟件建模。

4.2 場景交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最大特點(diǎn)就是可交互性，在核電站虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)中，學(xué)員不僅可以觀看三維模型，還可以借助鼠標(biāo)、方向盤、數(shù)據(jù)手套、體感、實(shí)體盤臺等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)漫游、設(shè)備拆裝、過程控制等各種操作，真正達(dá)到培訓(xùn)的目的。目前主要的應(yīng)用還停留在鍵盤鼠標(biāo)和實(shí)體盤臺上，數(shù)據(jù)手套、體感、力反饋等設(shè)備由于受場地、資金、技術(shù)結(jié)合性等方面的影響，還處于研究階段，實(shí)際應(yīng)用案例較少。

4.3 模型結(jié)構(gòu)樹瀏覽

按照設(shè)備零部件裝配關(guān)系表達(dá)設(shè)備零部件層級關(guān)系，使用模型結(jié)構(gòu)樹的方式表現(xiàn)，顯示設(shè)備整體部件，下一級的零件和部件，再下一級的零件和部件，顯示的信息包括設(shè)備編號和名稱。（如圖2所示）

圖2 模型結(jié)構(gòu)樹示意圖

4.4 虛擬維修模擬

運(yùn)動模擬：對于設(shè)備維修規(guī)程中涉及運(yùn)動的零部件，對起運(yùn)動開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、運(yùn)動的初始坐標(biāo)、結(jié)束坐標(biāo)進(jìn)行配置。確定后該數(shù)據(jù)庫存入到數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)數(shù)據(jù)表中，供規(guī)程調(diào)用使用。

結(jié)構(gòu)聯(lián)動：對于涉及聯(lián)動運(yùn)動的物體采用DOF節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，判斷并響應(yīng)主運(yùn)動節(jié)點(diǎn)，通過控制主運(yùn)動節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)。

時(shí)間軸節(jié)點(diǎn)設(shè)置：通過時(shí)間軸的方式設(shè)置運(yùn)動開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，在三維場景里面選取模型并對模型進(jìn)行移動操作。并記錄時(shí)間和運(yùn)動信息到對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。

界面化檢修規(guī)程配置：設(shè)計(jì)開發(fā)圖形接口，已圖形化方式設(shè)定檢修規(guī)程的操作步驟，以及對應(yīng)的運(yùn)動動作，調(diào)用的動畫、圖片、文字說明等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，如圖3所示。

圖3 檢修規(guī)程配置圖形化界面示意圖

4.5 虛擬教學(xué)與演練

可設(shè)置手動、自動兩種模式，自動模式下系統(tǒng)根據(jù)選定的檢修規(guī)程，自動進(jìn)行維修各工作步驟的模擬。在手動模式下，需要學(xué)員選擇正確的工器具和正確的操作位置，進(jìn)行維修操作演練。

5 結(jié)束語

綜上所述，采用虛擬仿真技術(shù)建立的虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：（1）利用三維建模技術(shù)能真實(shí)還原設(shè)備結(jié)構(gòu)和零部件關(guān)系；（2）采用圖形化規(guī)程配置、參數(shù)化運(yùn)動控制、時(shí)間軸運(yùn)動節(jié)點(diǎn)控制等方式，可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修規(guī)程中維修動作的模擬；（3）采用手動/自動兩種方式進(jìn)行規(guī)程模擬，可滿足教學(xué)和訓(xùn)練兩種不同的需求。

使用虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行核電站設(shè)備檢修人員的培訓(xùn)，能夠讓學(xué)員清楚直觀的了解設(shè)備結(jié)構(gòu)?？蛇M(jìn)行設(shè)備檢修過程的演練，熟悉設(shè)備檢修的操作步驟、操作要求以及操作方法，為核電站提供一個(gè)良好的培訓(xùn)手段，可大規(guī)模使用，有效提高核電站維修人員的技能水平。

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