核電站虛擬檢修培訓(xùn)技術(shù)研究

趙鵬程 彭波 張皓

摘 要：文章依據(jù)核電站對(duì)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(kāi)發(fā)過(guò)程。該培訓(xùn)系統(tǒng)將三維建模、虛擬裝配、數(shù)據(jù)庫(kù)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(shì)，課堂的理論教學(xué)不能滿(mǎn)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(chǎng)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(xiàn)，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(wèn)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(wú)論從視覺(jué)效果、現(xiàn)場(chǎng)感受等方面都有著良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(mén)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(guó)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(lè)、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(guò)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(guān)模擬采礦環(huán)境及其作業(yè)過(guò)程，供采礦工程專(zhuān)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(guò)程仿真電力系統(tǒng)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)保護(hù)定值和自動(dòng)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(jué)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(dòng)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(chē)模擬器、駕駛模擬器、坦克模擬器、潛艇模擬器等，如動(dòng)車(chē)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(duì)人員整個(gè)的操作過(guò)程進(jìn)行培訓(xùn)，包括對(duì)突發(fā)事件和事故的處理。

在核電領(lǐng)域，國(guó)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(guó)核電站的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)各核電站從本世紀(jì)初開(kāi)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(dòng)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(cè)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(guó)內(nèi)各院校針對(duì)核專(zhuān)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(kāi)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(chǎng)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(xún)、外部資料關(guān)聯(lián)調(diào)用等功能，包含前臺(tái)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)、后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)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(hù)端通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)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(hù)機(jī)通過(guò)下載更新后的數(shù)據(jù)對(duì)客戶(hù)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(chǎng)景交互技術(shù)、模型結(jié)構(gòu)樹(shù)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(duì)核電站進(jìn)行三維虛擬仿真建模，涉及的范圍包含廠(chǎng)房、設(shè)備及零部件、管道、支吊架、電纜線(xiàn)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(jí)：目標(biāo)對(duì)象全部部件都需按設(shè)計(jì)尺寸精確建立。

2級(jí)：僅對(duì)目標(biāo)對(duì)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(jí)：對(duì)目標(biāo)對(duì)象無(wú)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(duì)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(lèi)軟件的優(yōu)勢(shì)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(duì)于廠(chǎng)房模型，一般對(duì)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(lèi)軟件的優(yōu)勢(shì)是可以利用模型紋理、材質(zhì)等手段，更好的展現(xiàn)廠(chǎng)房的外觀(guān)效果。

對(duì)于管道、支吊架、電纜線(xiàn)等類(lèi)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(chǎng)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(guān)看三維模型，還可以借助鼠標(biāo)、方向盤(pán)、數(shù)據(jù)手套、體感、實(shí)體盤(pán)臺(tái)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)廠(chǎng)區(qū)漫游、設(shè)備拆裝、過(guò)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(pán)鼠標(biāo)和實(shí)體盤(pán)臺(tái)上，數(shù)據(jù)手套、體感、力反饋等設(shè)備由于受場(chǎng)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(shù)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(jí)關(guān)系，使用模型結(jié)構(gòu)樹(shù)的方式表現(xiàn)，顯示設(shè)備整體部件，下一級(jí)的零件和部件，再下一級(jí)的零件和部件，顯示的信息包括設(shè)備編號(hào)和名稱(chēng)。（如圖2所示）

圖2 模型結(jié)構(gòu)樹(shù)示意圖

4.4 虛擬維修模擬

運(yùn)動(dòng)模擬：對(duì)于設(shè)備維修規(guī)程中涉及運(yùn)動(dòng)的零部件，對(duì)起運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、運(yùn)動(dòng)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(kù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表中，供規(guī)程調(diào)用使用。

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

時(shí)間軸節(jié)點(diǎn)設(shè)置：通過(guò)時(shí)間軸的方式設(shè)置運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，在三維場(chǎng)景里面選取模型并對(duì)模型進(jìn)行移動(dòng)操作。并記錄時(shí)間和運(yùn)動(dòng)信息到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

界面化檢修規(guī)程配置：設(shè)計(jì)開(kāi)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(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，調(diào)用的動(dòng)畫(huà)、圖片、文字說(shuō)明等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)、自動(dòng)兩種模式，自動(dòng)模式下系統(tǒng)根據(jù)選定的檢修規(guī)程，自動(dòng)進(jìn)行維修各工作步驟的模擬。在手動(dòng)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(yǔ)

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(dòng)控制、時(shí)間軸運(yùn)動(dòng)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(dòng)作的模擬；（3）采用手動(dòng)/自動(dòng)兩種方式進(jìn)行規(guī)程模擬，可滿(mǎn)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(guān)的了解設(shè)備結(jié)構(gòu)?？蛇M(jìn)行設(shè)備檢修過(guò)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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