虛擬現實技術在熱室遙控維護中的應用研究

陳盛貴，李榮泳，陳海彬，何偉鋒，孫振忠

(東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808)

1 熱室

進行高放射性試驗和操作的屏蔽室俗稱熱室，它廣泛應用于輻射防護領域［1］。該領域有多數核心部件長期運行于高輻射區域，需要考慮輻照損傷對其壽命的影響，因此在設計中考慮了常規的維護和更換［2］。由于部件材料在高輻射區域受到輻射后會引起感生放射性，對于那些被活化或表面污染部件的維護操作:組裝、拆卸、分解、運輸動作都是在熱室中使用主從機械手或伺服機械手以及各種工裝夾具透過鉛玻璃屏蔽窺視窗進行的，而非人員直接操作完成，避免了輻射對維護人員的危害［3］。

由于熱室環境的特殊性，遙控維護發揮了非常重要的作用。目前，國內外輻射防護研究及相關人員培訓時大多需要接觸真實的環境，或者進行Mock-up(即建造1∶1實物模型)培訓，在防護設施和手段大多不是很完備的情況下，這無疑增加了被輻射的風險和培訓平臺建設的資金投入［4-5］。為了保證熱室遙控維護的可行性和安全性，保護維護人員的輻射防護安全，針對熱室裝備在裝配中存在的問題開展虛擬現實技術研究，建立高度逼真的虛擬維修培訓系統，形成優化的遙控維護工藝方案和操作規程。

2 虛擬現實

虛擬現實技術(virtual reality)是指采用現代化的計算機信息技術生成逼真的視、聽、觸覺等多重感應的虛擬環境，用戶借助必要的設備與虛擬世界中的物體進行交互作用，從而產生如臨其境般的感受和體驗［6］。虛擬現實系統由計算機、輸入輸出設備、應用軟件系統和數據庫組成，系統的組成如圖1所示。國內外一些機構已將虛擬現實技術成功應用到輻射防護領域，如進行維護人員的虛擬維修培訓、ALARA設計分析、輻射場/劑量的分布計算與顯示等［7］。

圖1 虛擬現實系統的組成

在虛擬環境中進行維護具有安全性和可重復性，利用虛擬現實系統對輻射環境下的熱室遙控維護或從事其他高危險高成本工作的維護人員進行培訓，不但可以優化操作過程、節省大量經費，還能夠以生動形象的視覺、聽覺和觸覺感受給予維護人員真實的操作體驗。在維護人員進行錯誤操作的時候能夠及時在輸出系統上給出警示信息和更正建議，甚至可以刻意模擬能夠引發事故的操作，并給出事故后果，使被培訓的維護人員對各種操作的危害有更加深刻的認識。

3 應用研究

輻射防護領域的虛擬現實系統有其自身的特點。對于場景、人物和動作的建模，現在已有很多專用或通用的建模工具軟件可以使用，如3D MAX與EON Studio，VRML與JAVA，Cult3D等。針對不同的應用目的，選擇其中某些軟件即可進行系統開發。

3.1 虛擬現實軟件

虛擬維修是虛擬現實技術在維護領域的應用，是虛擬現實技術的發展分支。它以計算機技術與虛擬現實技術為依托，在由計算機生成的、包含了產品數字樣機與維護人員3D人體模型的虛擬場景中，通過驅動人體模型來完成整個維修過程仿真的綜合性應用技術［8］。

EON Studio是美國EON Reality Inc公司研制開發的專業虛擬現實軟件。這種軟件具有可視化的編程界面，它將VRML語言集成為一些可視的功能節點(node)，用戶只需選擇并拖動節點到模擬樹(simulation tree)上即可實現對場景的相應動作，省去編寫VRML源代碼的麻煩，EON Studio支持Java Script和VB Script兩種腳本語言，具有很好的二次開發潛力。

3.2 三維建模

三維建模是虛擬維修的基礎，建模的好壞直接關系到交互性和沉浸感的實現。很多三維CAD軟件如Solid-Works，Pro/Engineer，UG等都可以用來建立零部件的實體模型。建模過程中應在保證模型外形特征的前提下，盡可能地減少特征面的數量，刪減模型表面的三角形網格，以提高虛擬環境中圖形的顯示速度。主從機械手的實體模型如圖2所示。

圖2 主從機械手三維實體模型

3.3 虛擬維修場景

虛擬維修場景由維修環境(熱室)、維修對象(有放射性的裝備)和維修工具(機械手等)組成，用戶通過交互接口操縱維修工具對場景中的維修對象進行操作，完成維修過程的仿真。要生成虛擬維修場景有2種實現方法:一種是將模型直接導入EON Studio，該方法的缺點是導入之后模型的失真嚴重，重新調整模型的工作量大;另外一種方法是使用EON Studio為3dmax提供的輸出插件EONRaptor For 3dmax.dle，在3dmax中將模型導出為EON Studio的文件格式*.eoz，這種方法生成的虛擬維修場景真實感強，場景文件的容量小。圖3是在EON Studio中生成的機械手虛擬維修場景，維修場景生成后還需要調整場景的仿真樹結構，將場景中的零部件對象分門別類，根據熱室裝備的結構關系，按照零件一部件—裝配體的順序組織成有層次的樹狀結構。熱室遙控維護的虛擬維修場景如圖4所示。

4 總結

采用虛擬現實技術建立熱室遙控維護的虛擬維修培訓系統，可以有效地減少實際維護中出現的問題，提高維護效果。基于虛擬現實軟件對熱室遙控維護過程中的三維建模、虛擬維修場景生成等關鍵技術進行了研究，為熱室遙控維護的虛擬維修培訓系統提供了技術支持。

虛擬現實技術在輻射防護領域有其應用的優勢與前景，在熱室遙控維護等工程的檢修與維護工作中，虛擬現實技術對工程中的輻射防護最優化設計和維護人員培訓都是適合的。利用虛擬現實技術，不僅可以優化熱室遙控維護的操作過程，節省大量經費，提高維護效果，而且可以用于維護人員操作前的培訓，有效地降低維護人員在實際操作中被輻射的風險。

［1］P.T.Spampinato，V.B.Graves:System Requirements Document for the Spallation Neutron Source Target System.

［2］Mark J.Rennich and Thomson W.Burgess:Remote handling in the Spallation Neutron Source target facility.

［3］ASTM C 1533:Standard Guide for General Design Considerations for Hot Cell Equipment.

［4］Lamela B，Felipe A，Sánchez-MayoralML，et al.Applications of Virtual Reality to Radiation.11th International Congress of the International Radiation Protection Association，Madrid Spain，2004-05-23.

［5］Ródenas J，Zarza I，Felipe A，et al.Developing a Virtual Reality Application for Training Nuclear Power Plant Operators:Setting up a Database Containing Dose Rates in the Refuelling Plant.Radiation Protection Dosimetry，2004，111(2):173.

［6］胡小強.虛擬現實技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2005.

［7］Vermeersch F.ALARA Pre-job Studies using the VISIPLAN 3D ALARA Planning Tool.Radiation Protection Dosimetry，2005，115(1-4):294.

［8］楊宇航，李志忠，鄭力.虛擬維修研究綜述［J］.系統仿真學報，2005，17(9):2191-2195.