核電站虛擬檢修培訓技術研究

趙鵬程 彭波 張皓

摘 要：文章依據核電站對于設備檢修培訓的需求，提出了利用虛擬仿真技術進行核電站虛擬檢修培訓系統的設計與開發過程。該培訓系統將三維建模、虛擬裝配、數據庫技術等技術進行結合，并與核電站設備檢修規程相配合，可進行教學和操作。文章闡述了虛擬檢修培訓技術的應用現狀、系統結構和關鍵技術。

關鍵詞：核電站；設備檢修；虛擬現實

1 概述

隨著核電站的建設，不斷有新員工加入到核電運行維護中，同時原有核電站資深維修技術人員也不斷稀釋到各新建核電站，造成了現有和新建核電站的整體技術熟悉程度和技能水平都呈現下降的趨勢，課堂的理論教學不能滿足需求，而完全采用實物模擬培訓的方式，受經費、場地等諸多原因的限制，也不能大面積的推廣，如何找到一個適用于核電站維修人員培訓的技術路線，并在此基礎上建立核電培訓產品用于維修人員培訓，提升維修人員技能水平，成為一個迫在眉睫的問題。虛擬現實技術作為一個可視化的技術手段，無論從視覺效果、現場感受等方面都有著良好的技術優勢，已成為核電站維修人員培訓的一個必不可少的手段。

2 虛擬檢修培訓技術的應用現狀

虛擬現實技術是上世紀五六十年代興起的一門新興技術學科，他融合了數字仿真、數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等高新技術。在上世紀九十年代，國外已經廣泛應用到生產、研究、生活的各個領域、如娛樂、軍事、航天、設計、生產制造、信息管理、商貿、建筑、醫療保險、危險及惡劣環境下的遙控操作、教育與培訓、信息可視化以及遠程通訊等。

2.1 醫學領域

建立醫學工具操作的虛擬訓練系統，讓醫生，特別是新學員在電腦前模擬進行操作，熟悉各種醫學設備的操作過程，可有效提高手術的安全性和效率。如內窺鏡操作虛擬訓練系統、腔鏡操作虛擬訓練系統、基礎子宮鏡操作虛擬訓練系統、心血管操作虛擬訓練系統、消化道及支氣管鏡操作虛擬訓練系統等

2.2 機械設備行業

在機械設備行業的應用也很多，因為大型設備的拆卸、安裝維修都很困難，培訓新維修安裝工人在實際操作中，一是費用高，二是浪費時間，采用虛擬維修安裝培訓系統，可以更輕松的讓新的安裝工人熟悉操作的流程。

2.3 能源勘探領域

礦業人員技術培訓：采用虛擬現實技術創造出的礦山生產環境具有逼真、交互作用的特點，可以直觀模擬采礦環境及其作業過程，供采礦工程專業的學生實習，這樣既可以降低實習費用，又可縮短教學時間，讓更多的人接受高等教育。

2.4 電力行業

采用虛擬現實技術建立的電力仿真系統，可以全過程仿真電力系統動態行為，可用于電力系統運行方式研究、安全穩定分析、事故重演和分析等。對運行人員進行正常操作、事故判斷和處理、系統恢復的培訓等；對運行人員的各種操作能力、事故判斷和處理能力進行鑒定與考核；對保護定值和自動裝置定值進行校驗。

2.5 制造行業

虛擬制造是采用計算機仿真和虛擬現實技術分布技術環境中開展群組協同工作，支持企業實現產品異設計、制造和裝配。工程和建筑領域內虛擬現實技術已被看作是唯一開發工具，目前正用它設計各種產品和設備，是整個產品制造過程。

2.6 教育行業

采用虛擬現實技術進行的虛擬實驗，不但能產生視覺效果，還能夠處理實時交互圖形，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，并做出選擇或相應的動作。而且在不同的實驗間切換，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，采用虛擬現實技術與控制技術，對人員整個的操作過程進行培訓，包括對突發事件和事故的處理。

在核電領域，國外也在三維設計、人員培訓方面逐步進行虛擬現實應用。如歐洲原子能共同體（EURATOM）的VRIMOR項目、列寧格勒核電站的虛擬現實換料裝置模擬機、韓國核電站的虛擬培訓系統等。國內各核電站從本世紀初開始進行虛擬現實技術核電應用的探索與研究，主要集中在運行、培訓、檢修等領域。如大亞灣核電站的虛擬核島演示項目，秦山二期的虛擬換料機培訓系統、核島設備定位系統，秦山三期的電站關鍵設備三維仿真系統、熱交換器整體更換三維模擬系統，秦山一期電站設施三維信息化及管理系統、虛擬控制棒驅動機構、虛擬主汽閥檢修及裝配培訓軟件、虛擬主變壓器解體大修仿真培訓軟件、虛擬停堆冷卻泵結構及裝配軟件、堆芯核測系統機械部分維修虛擬仿真軟件，田灣核電站技能培訓虛擬仿真培訓系統，山東核電虛擬設備檢修培訓系統等。國內各院校針對核專業學員也提出了建設虛擬核電培訓系統的需求等。虛擬現實技術已成為核電培訓產品開發的重要技術手段。

3 虛擬檢修培訓系統總體設計

核電站虛擬檢修培訓系統需具備廠房及設備三維結構展示、檢修規程模擬、工器具管理、培訓與考核、零部件屬性信息查詢、外部資料關聯調用等功能，包含前臺的虛擬培訓系統、后臺的數據庫系統和三維建模系統，結構如圖1所示。系統所有的數據都存放在服務器上，用戶端通過訪問服務器，將數據下載到本機才能進行相關的操作。在服務器數據進行更新后，同樣客戶機通過下載更新后的數據對客戶機本機的數據進行更新。

圖1 核電站虛擬檢修培訓系統結構圖

4 虛擬檢修培訓系統關鍵技術

核電站虛擬檢修培訓關鍵技術包括三維建模技術、場景交互技術、模型結構樹瀏覽、虛擬維修模擬、三維特效技術以及集成其他領域范圍的各種技術，形成了核電站虛擬現實培訓系統。

4.1 三維建模技術

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

1級：目標對象全部部件都需按設計尺寸精確建立。

2級：僅對目標對象主題關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：對目標對象無精確尺寸要求，僅需要模型比例與實體基本一致。

目前三維建模技術主要是利用軟件進行手工建模，在一些環境下也可采用三維掃描技術提取模型數據，再進行加工處理實現三維模型的建立。

對于設備及零部件模型，一般采用工程軟件進行建模的方式，主要的工程軟件包括Pro/E、Catia、UG等，該類軟件的優勢在于能夠完全還原設備的尺寸和結構，工程應用時數據更準確。

對于廠房模型，一般對于數據的精度要求不高，可利用普通軟件如3Dmax進行建模工作。該類軟件的優勢是可以利用模型紋理、材質等手段，更好的展現廠房的外觀效果。

對于管道、支吊架、電纜線等類型三維模型數據的建立，可根據實際應用精度的要求，在精度要求高的情況下，利用工程軟件進行建模，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

虛擬現實技術的最大特點就是可交互性，在核電站虛擬現實培訓系統中，學員不僅可以觀看三維模型，還可以借助鼠標、方向盤、數據手套、體感、實體盤臺等設備，實現廠區漫游、設備拆裝、過程控制等各種操作，真正達到培訓的目的。目前主要的應用還停留在鍵盤鼠標和實體盤臺上，數據手套、體感、力反饋等設備由于受場地、資金、技術結合性等方面的影響，還處于研究階段，實際應用案例較少。

4.3 模型結構樹瀏覽

按照設備零部件裝配關系表達設備零部件層級關系，使用模型結構樹的方式表現，顯示設備整體部件，下一級的零件和部件，再下一級的零件和部件，顯示的信息包括設備編號和名稱。（如圖2所示）

圖2 模型結構樹示意圖

4.4 虛擬維修模擬

運動模擬：對于設備維修規程中涉及運動的零部件，對起運動開始時間、結束時間、運動的初始坐標、結束坐標進行配置。確定后該數據庫存入到數據庫的對應數據表中，供規程調用使用。

結構聯動：對于涉及聯動運動的物體采用DOF節點實現，判斷并響應主運動節點，通過控制主運動節點的方式實現。

時間軸節點設置：通過時間軸的方式設置運動開始時間、結束時間，在三維場景里面選取模型并對模型進行移動操作。并記錄時間和運動信息到對應數據庫中。

界面化檢修規程配置：設計開發圖形接口，已圖形化方式設定檢修規程的操作步驟，以及對應的運動動作，調用的動畫、圖片、文字說明等，實現數據庫統一管理，如圖3所示。

圖3 檢修規程配置圖形化界面示意圖

4.5 虛擬教學與演練

可設置手動、自動兩種模式，自動模式下系統根據選定的檢修規程，自動進行維修各工作步驟的模擬。在手動模式下，需要學員選擇正確的工器具和正確的操作位置，進行維修操作演練。

5 結束語

綜上所述，采用虛擬仿真技術建立的虛擬檢修培訓系統，具有如下特點：（1）利用三維建模技術能真實還原設備結構和零部件關系；（2）采用圖形化規程配置、參數化運動控制、時間軸運動節點控制等方式，可快速實現設備檢修規程中維修動作的模擬；（3）采用手動/自動兩種方式進行規程模擬，可滿足教學和訓練兩種不同的需求。

使用虛擬檢修培訓系統進行核電站設備檢修人員的培訓，能夠讓學員清楚直觀的了解設備結構。可進行設備檢修過程的演練，熟悉設備檢修的操作步驟、操作要求以及操作方法，為核電站提供一個良好的培訓手段，可大規模使用，有效提高核電站維修人員的技能水平。

參考文獻

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