三維模型在核電廠的應用研究

仲昭華 王琳琳

中核遼寧核電有限公司 遼寧葫蘆島 125100

核電工程項目具有投資大、技術難、周期長、接口多、結構復雜、管理復雜等特點。三維虛擬模型是指利用計算機技術，通過大量數據采集、匯集和集成，生成一個逼真的，具有視、聽、觸、味等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可使用各種傳感設備同虛擬環(huán)境中的實體相互作用的技術。三維虛擬模型的建立，是充分利用三維虛擬模型技術，讓管理人員以互動式的方式，瀏覽、體驗逼真的三維可視化工廠模型，更準確理解現場環(huán)境、系統(tǒng)組成和設備安裝部署情況，及時了解電廠建設、運行狀態(tài)，提高巡檢、維修培訓、施工、運行的模擬與仿真、應急預案推演等能力，從而提高核電站工程項目管理水平，提高工作質量、工作效率，有效控制工程進度、降低造價，保證核電站運行安全和高效運轉[1]。

1 三維模型核電廠應用藍圖

三維虛擬模型建設，充分利用當前云計算、物聯(lián)網、大數據等新型成熟技術，基于地基及空基感知網絡，實現對核電站生產運行數據、輻射、溫度等環(huán)境監(jiān)測數據實時監(jiān)測采集，將數據通過網絡層傳輸到電廠的信息中心，通過工程數據管理、視圖控制、空間數據管理、三維可視化、用戶交互控制等智慧化的處理技術，為智慧應用層的三維虛擬模型提供數據級的支撐。

在感知層和網絡層，應用傳感設備對核電站內各種信息進行監(jiān)測，并將采集到的信息反饋控制中心，或者由物聯(lián)網傳感設備按照設定好的程序進行自動處理。同時，利用局部網絡或互聯(lián)網等通信技術把傳感器、控制器、及其人員、物資等聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相連，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。

在數據處理層，通過數據采集工具實現空間數據獲取，建立三維虛擬模型，真實展示廠區(qū)、道路、交通、建筑、設備等情況，實現三維立體展示。搭建三維管理平臺，為后續(xù)上層應用建設提供統(tǒng)一的平臺環(huán)境。建立統(tǒng)一的視圖，包括三維模型數據、運行監(jiān)控數據、綜合業(yè)務數據、設備數據、管線數據等。

在應用層，基于三維地理信息及數據平臺，通過實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控關鍵位置狀況，及時反饋圖像監(jiān)測信息。建立運行監(jiān)控管理，技術采集監(jiān)測數據，進行日常的巡查養(yǎng)護、分析預警，對預警事件進行日常處理和應急處置。通過集成環(huán)境空間數據、危險源數據、監(jiān)測數據、實時影像數據，采用大數據分析挖掘，啟動應急預案進行綜合處置，實現人員、設備、資源以及現場綜合控制管理，輔助分析決策、指揮調度。開展維修仿真、檢修仿真以及技改仿真等工作，實現人員快速實時定位。

2 三維模型核電廠應用場景研究

三維虛擬模型的應用，主要體現在三個層面：

（1）對零件級的三維模型建立，實現檢修、維修及技改的仿真及方案的制定。本層面需要模擬核電站的內部構造到零器件級別，同時結合增強現實技術（AugmentedReality，簡稱AR）及虛擬現實技術（VirtualReality，簡稱VR）實現對核電站內部零部件細節(jié)的模擬仿真，模擬設備檢修工藝，進行過程推演，對檢修方案進行可視化的制定、演練和人員培訓，模擬設備的拆分、安裝，采用人機工程分析人員現場操作的可達性和舒適性，并具備實時的碰撞檢測能力[2]。

（2）設備級的三維虛擬模型，實現對核電站虛擬化建造，核應急及應急預案的制定。本層面需要模擬核電站廠房建造、建筑物、設備等以輪廓為核心的物體。虛擬建造是在三維設計的基礎上，以軟件技術為支撐，借助于高性能硬件，在計算機上實現規(guī)劃設計、性能分析、施工方案決策和質量檢驗、形成可運行的虛擬化建造環(huán)境。核應急預案是基于核電站的建造環(huán)境提供一個可視化的應急模擬環(huán)境，在應急模擬過程中，受培訓人員能夠在核電站虛擬場景中直觀了解核電站的構造和工作原理，從而增強了應急培訓的效果。

（3）電廠廠級的三維虛擬模型，實現核電站人員的定位及攝像頭的定位。本層面需要模擬建筑、街道等大致位置為核心的廠級設備。為核電站內人員定位、快速啟動某一位置的攝像頭提供虛擬環(huán)境。

3 實施路線規(guī)劃

基于上述零件級、設備級及廠房級三維虛擬模型的研究，隨著模型精度的增加，建模難度及費用也會大幅度的提升，三維虛擬模型建設大體可分為三個階段。

首先，近期建立集成電廠廠房、建筑物及街道等核電站建造物的廠房級三維虛擬模型，通過手機等智能終端的定位功能實現核電站的人員定位；通過與視頻監(jiān)控攝像頭信息的接入，實現人員定位等基本功能。本層建造僅將核電站的廠區(qū)、建造物等一級物體數據進行模擬建造，不對建造過程中的每一個模塊、過程進行模擬。

其次，中期建立集成核電站建筑物、設備、道路、車輛、設備信息，滿足對核電站的虛擬化建造、核應急演練的需求。本層建造對核電站的廠區(qū)道路、通道、建造物、設備物體數據進行模擬建造，動態(tài)采集車輛位置信息。將廠區(qū)建筑模型及應急事故人物動作模型在虛擬場景中展示出來，提高虛擬建造及應急培訓界面的真實性，提高應急管控能力。

第三，長期規(guī)劃，建立集成核電站運行數據、輻射、溫度等環(huán)境監(jiān)測數據的三維仿真巡檢、維修模擬平臺?？梢阅M設備故障、人員維修檢修等動作，大大提高維修的精度，提送核電站的工作效率。需投入巨大成本聘請專業(yè)人員進行設計。

4 結語

隨著信息化技術的發(fā)展，三維虛擬模型平臺也將越來越成熟，將三維虛擬模型和物聯(lián)網、大數據、互聯(lián)網+等技術相結合，應用于核電廠的建造和運行，打造智慧核電，將成為必然趨勢，也將極大的提升核電廠的管理水平，為工程建設和運行維護提供極大的便利，加速施工速度、提升施工質量，保障核電廠運行的安全和穩(wěn)定[3]。