一種開發(fā)核電廠虛擬教學(xué)模型方法研究

李向昭 崔龍波 楊磊

摘 要：本文總結(jié)了國內(nèi)外核電廠虛擬模型系統(tǒng)研究及開發(fā)現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前虛擬模型開發(fā)復(fù)雜度、性能及價(jià)格之間的關(guān)系和矛盾。在此基礎(chǔ)上利用Google Sketchup， D Fusion， Unity3d等共享軟件以及Kinect， PC等設(shè)備組成了一套虛擬模型支持與開發(fā)系統(tǒng)，嘗試制作了反應(yīng)堆核心三維結(jié)構(gòu)和廠區(qū)動(dòng)態(tài)漫游系統(tǒng)，日常教學(xué)結(jié)果表明較好。系統(tǒng)的搭建和使用難度低，總開發(fā)時(shí)間在三周左右。上述結(jié)果表明該系統(tǒng)平臺(tái)低廉且搭建簡單，開發(fā)效率讓人滿意，適合非圖形建模專業(yè)個(gè)人或小組使用。（本文原刊于南京師大學(xué)報(bào)社會(huì)科學(xué)版2014年8月）

關(guān)鍵詞：虛擬核電廠模型；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；體感技術(shù)； 實(shí)用解決方案；

基金項(xiàng)目：山東省高校教學(xué)改革（重點(diǎn)）項(xiàng)目（編號(hào)：2012025）；煙臺(tái)大學(xué)教學(xué)改革與研究（重點(diǎn)）項(xiàng)目（編號(hào)：A009）

1 引言

核電廠因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及學(xué)科門類多，部分廠區(qū)存在高放射性有停留時(shí)限等特點(diǎn)，使得有關(guān)工作如工程設(shè)計(jì)、人員培訓(xùn)、退役計(jì)劃制定、學(xué)生專業(yè)教育等需要借助各種模型系統(tǒng)來進(jìn)行。

對(duì)于高校專業(yè)教學(xué)用核電廠模型，要求堆型齊全，注重設(shè)施設(shè)備的工作原理、運(yùn)行流程、工程組件結(jié)構(gòu)及安裝拆卸等細(xì)節(jié)展示，訓(xùn)練方式靈活多樣，對(duì)系統(tǒng)價(jià)格和自主升級(jí)也很關(guān)心。目前滿足以上條件的可選方案較少，本文利用近年來快速發(fā)展的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、體感及三維投影等技術(shù)，嘗試提出了一套虛擬核電廠教學(xué)模型的實(shí)用開發(fā)與支持系統(tǒng)方法。

2 核電廠模型系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前核電廠模型可以分為實(shí)物和虛擬模型兩大類。前者的優(yōu)點(diǎn)是直觀，技術(shù)難度低；缺點(diǎn)是靈活性不高，與理論教學(xué)銜接不足，多用于入門教學(xué)。虛擬模型是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]的發(fā)展而出現(xiàn)的，其依托計(jì)算機(jī)生成逼真的虛擬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，支持用戶互動(dòng)，用戶自然沉浸感好，還可以根據(jù)需要切換不同訓(xùn)練場(chǎng)景，使學(xué)員得到有效訓(xùn)練，進(jìn)而順利過渡到現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)合，整體效費(fèi)比達(dá)到最優(yōu)。

從國外情況來看， I.Yukihiro等[2]在日本Fugen核電廠的退役工程支持系統(tǒng)中開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輻射劑量評(píng)估系統(tǒng)，G. Romero等[3]開發(fā)了變電站虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，2011年俄羅斯RosEnergoAtom公司應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來展示核電站的三維全景，2012年英國謝菲爾德核技術(shù)先進(jìn)制造研究中心（NAMRC）利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來輔助核電廠設(shè)計(jì)和制造大型復(fù)雜設(shè)備部件。

從國內(nèi)情況來看，目前多家科研院所在核電站虛擬3D漫游[4] 和綜合仿真 [5，6]，核設(shè)施輻射劑量場(chǎng)展示[7]，反應(yīng)堆退役虛擬演練系統(tǒng)[8，9]等多方面開展了大量研究工作。工程應(yīng)用領(lǐng)域方面，中廣核仿真技術(shù)有限公司等開發(fā)了系列核電站全范圍模擬機(jī)，中視典、曼恒數(shù)字、大連偉岸縱橫科技等公司各自開發(fā)有核電應(yīng)急及培訓(xùn)用虛擬模型系統(tǒng)。

目前核電廠仿真模型的研發(fā)機(jī)構(gòu)逐漸增多并產(chǎn)生了很多成果，但與高校教學(xué)存在如下矛盾：

1）目前絕大多數(shù)虛擬模型系統(tǒng)多采用全套專有虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，費(fèi)用昂貴動(dòng)輒上百萬乃至千萬元。

2）目前虛擬系統(tǒng)的人機(jī)接口有實(shí)物模擬機(jī)和鍵盤鼠標(biāo)兩大類，前者專業(yè)性強(qiáng)但價(jià)格昂貴，裝備數(shù)量少，不適合學(xué)生日常教學(xué)；后者價(jià)格便宜，數(shù)量多但用戶真實(shí)感和代入感不足，相比提高學(xué)生實(shí)踐能力的教學(xué)初衷仍顯不足。用“經(jīng)驗(yàn)之塔”教育理論[10]來分析，核工程專業(yè)學(xué)生最缺的就是“做的經(jīng)驗(yàn)”即實(shí)踐環(huán)節(jié)有待強(qiáng)化。為此需要尋找合理折中的技術(shù)手段。

3）基于商業(yè)考慮，系統(tǒng)提供商不會(huì)開放相關(guān)模型組件和源代碼，而從教學(xué)角度來看，為提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和突出特色，用戶勢(shì)必要進(jìn)行二次開發(fā)，這類矛盾難以解決。

隨著國內(nèi)核能核電事業(yè)的迅速發(fā)展，目前國內(nèi)高等院校多開設(shè)核工程專業(yè)，對(duì)核電廠教學(xué)模型系統(tǒng)需求多，同時(shí)要求模型在系統(tǒng)開發(fā)難度、靈活性、費(fèi)用及代碼透明度等方面能合理折中，而目前可選方案很少，為此開展有關(guān)技術(shù)方法研究十分有必要。

3 虛擬模型開發(fā)有關(guān)新型技術(shù)

目前虛擬模型系統(tǒng)設(shè)備包括圖形工作站、三維投影系統(tǒng)、三維空間跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套（衣）、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境等，系統(tǒng)復(fù)雜且價(jià)格昂貴。隨著近幾年來有關(guān)圖形處理器、體感、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、三維投影等新技術(shù)的發(fā)展，使得組建一套效費(fèi)比高的虛擬模型開發(fā)與支持系統(tǒng)變得可行。

3.1 可編程計(jì)算圖形處理器

近幾年來GPU（Graphic Processing Unit， 圖形處理器）性能提高很快，另外出現(xiàn)了CUDA（Compute Unified Device Architecture，統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)）和OpenCL（Open Computing Language，開放計(jì)算語言） 等GPU通用編程開發(fā)平臺(tái)，使得GPU在通用領(lǐng)域應(yīng)用迅速擴(kuò)展，運(yùn)算性能是同代CPU的十幾至上百倍。

3.2 體感設(shè)備

Kinect是微軟公司2010年推出的新型體感設(shè)備，具備多人空間位置即時(shí)定位及姿態(tài)辨識(shí)，影像攝錄，語音識(shí)別等功能， 2011年SDK的推出使其應(yīng)用從游戲迅速擴(kuò)展到了自動(dòng)控制、機(jī)器人視覺、虛擬實(shí)驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域，最新Kinect2更增加了手指動(dòng)作辨識(shí)、面孔識(shí)別等新功能。

Kinect售價(jià)低廉，支持通用編程，能替代數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、麥克風(fēng)、3D攝像頭等多種標(biāo)記辨識(shí)設(shè)備，顯著降低了虛擬模型系統(tǒng)中輸入設(shè)備的復(fù)雜度，未來將成為虛擬模型系統(tǒng)的重要組成部分。

3.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及開發(fā)工具

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源自虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，但與后者不同的是用戶不是處在完全由系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬場(chǎng)景中，而是處在系統(tǒng)攝錄用戶所處的真實(shí)場(chǎng)景后再疊加由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體后形成“混合”場(chǎng)景中，更符合人類的認(rèn)知習(xí)慣，構(gòu)建成本也更低廉，硬件設(shè)備僅需要PC機(jī)、體感設(shè)備及必要顯示設(shè)備即可，開發(fā)支持系統(tǒng)較多如Unity3D、DFusion、EON等，且都有共享版本可用。

4 虛擬開發(fā)及支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件系統(tǒng)

本文所提系統(tǒng)的硬件部分組成簡單，僅需圖形工作站、Kinect、屏幕、3D投影儀和眼鏡，系統(tǒng)開發(fā)則只需PC機(jī)、Kinect、顯示器等。好處如下：

（1）系統(tǒng)簡化使得設(shè)備初期投資小、日常維護(hù)簡單。

（2）可直接獲得所需場(chǎng)景，開發(fā)人員能集中開發(fā)模型系統(tǒng)，從而減輕開發(fā)難度和工作量。

4.2 軟件系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)布局示意圖

軟件系統(tǒng)包括圖形建模和系統(tǒng)開發(fā)兩部分。綜合考慮制作效果、學(xué)習(xí)難度和費(fèi)用等因素，圖形建模選擇了Google Sketchup，其具有簡單易用、免費(fèi)模型庫支持、效果明快等優(yōu)點(diǎn)，適合非專業(yè)建模人員使用。系統(tǒng)開發(fā)選擇了DFusion和Unity3D，前者著重增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)建模，后者則在地形和動(dòng)態(tài)跟蹤方面簡單易行，均支持Kinect。開發(fā)語言選擇了C#，因其具備大中型系統(tǒng)開發(fā)支持能力，其內(nèi)存自動(dòng)回收機(jī)制能保證系統(tǒng)整齊度和代碼健壯性，降低工作爛尾風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述方案，系統(tǒng)整體布局如下圖1所示，每次可供10人左右單獨(dú)或合作展開互動(dòng)培訓(xùn)操作。

5 教學(xué)模型實(shí)例開發(fā)

組建完開發(fā)系統(tǒng)后，即進(jìn)入虛擬核電廠教學(xué)模型分析和開發(fā)工作階段。從實(shí)際需要出發(fā)，模型的功能分類[4，5，9]如圖2所示，模型所需數(shù)據(jù)參考自核電廠工程技術(shù)手冊(cè)[11，12]。

圖2 系統(tǒng)的功能關(guān)系

從軟件工程設(shè)計(jì)角度來看，模型應(yīng)包括設(shè)施設(shè)備組件模型庫、動(dòng)作（漫游、安裝、拆卸）記錄數(shù)據(jù)庫、輻射劑量數(shù)據(jù)庫、物理分析與計(jì)算模塊、場(chǎng)景模塊、虛擬人、體感設(shè)備輸入接口等，涉及三維圖形建模、機(jī)械裝配、輻射物理計(jì)算、學(xué)習(xí)關(guān)卡設(shè)定、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等多領(lǐng)域內(nèi)容，因此盡量采用自動(dòng)化開發(fā)工具并按照功能模塊分階段開發(fā)以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)是非常必要的。

圖3 核電廠整體布局展示

圖4 反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)展示

經(jīng)過論證與嘗試開發(fā)，目前初步實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)三維展示（核電廠整體布局和反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)）如圖3和圖4所示，以及核電廠區(qū)的動(dòng)態(tài)漫游如圖5所示。

靜態(tài)模型采用Google Sketchup 8.0和DFusion完成，用戶通過移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)記物，能從任意角度查看核電廠和反應(yīng)堆的3D構(gòu)造，模型能任意放大縮小，進(jìn)而查看各個(gè)子設(shè)施細(xì)節(jié)。從學(xué)生反饋情況來看，相比圖片和實(shí)物模型，教學(xué)效果要更深刻。

圖5 廠區(qū)漫游功能

漫游功能由Google Sketchup 8.0、Unity3D和Kinect實(shí)現(xiàn)，目前暫用坦克模型作為第一視角對(duì)象。通過人體姿態(tài)配合Kinect或鼠標(biāo)鍵盤，可以控制坦克移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入廠區(qū)、山谷任意位置對(duì)視野內(nèi)的物體進(jìn)行觀察，還可以縮放視野進(jìn)行廠區(qū)總覽或觀察設(shè)施細(xì)節(jié)，配合設(shè)備支持，在一定程度上可以代替實(shí)地參觀。

6 結(jié)論

本文提出了一種虛擬模型支持與開發(fā)系統(tǒng)，硬件少且組建方式簡單，整體費(fèi)用低，且充分考慮了開發(fā)者非專業(yè)圖形建模人員。整體工作花費(fèi)時(shí)間在三周左右，主要困難在于模型建模。從學(xué)生反饋結(jié)果來看，體感設(shè)備的引入使得模型能夠保證較好的用戶代入感和真實(shí)感。

隨著開發(fā)者知識(shí)結(jié)構(gòu)、工具使用經(jīng)驗(yàn)和協(xié)作能力進(jìn)一步的磨合和提高，開發(fā)效率、模型質(zhì)量還會(huì)有進(jìn)一步提高。同時(shí)所用的軟硬件工具大部分都基于新型技術(shù)，改進(jìn)和換代速度很快，這會(huì)進(jìn)一步增加上述方案的可用性和效能。（本文原刊于南京師大學(xué)報(bào)社會(huì)科學(xué)版2014年8月）

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作者簡介

李向昭：（1965- ），男，本科，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：電子教育教學(xué)。

* 通信作者：楊磊，男，講師