核電大型設(shè)備吊裝及運(yùn)輸智能仿真系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

中核機(jī)械工程有限公司 浙江海鹽 314300

1 引言

隨著國(guó)家核電技術(shù)的快速發(fā)展以及核電站建設(shè)規(guī)劃的逐步落實(shí)，核電大型設(shè)備的種類更加豐富，模塊化程度越來(lái)越高，使得吊裝及運(yùn)輸難度逐漸升級(jí)。核電大型設(shè)備吊裝及運(yùn)輸施工作業(yè)由于影響因素多、責(zé)任重大，高風(fēng)險(xiǎn)是其主要特征，需要精心組織方可完成。吊裝及運(yùn)輸過(guò)程安全質(zhì)量控制取決于施工方案的可靠性。施工過(guò)程必須嚴(yán)格按照施工方案開展，才能確保核電大型設(shè)備順利運(yùn)輸及吊裝就位。

編制吊裝、運(yùn)輸施工方案是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，前者涵蓋了施工場(chǎng)地地基處理、吊點(diǎn)布局、吊索具設(shè)計(jì)、起重吊裝設(shè)備選型、吊裝工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量安全保障等；后者涵蓋了工裝設(shè)計(jì)、運(yùn)輸車選型、運(yùn)輸路線選取、運(yùn)輸過(guò)程控制、質(zhì)量安全保證等。而傳統(tǒng)吊裝及運(yùn)輸方案的設(shè)計(jì)計(jì)算和機(jī)械設(shè)備選型以手工為主，受人為影響大，極易出現(xiàn)偏差；設(shè)計(jì)方式以二維圖呈現(xiàn)，雖然在一定程度上解決了空間預(yù)想的問(wèn)題，但是沒(méi)有將吊裝運(yùn)輸過(guò)程可視化，也沒(méi)有解決整個(gè)施工作業(yè)實(shí)施過(guò)程中的三維空間架構(gòu)的問(wèn)題。這樣編制出的施工方案很難滿足可靠、可行的要求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建虛擬場(chǎng)景進(jìn)行吊裝運(yùn)輸仿真，利用計(jì)算機(jī)速度快的優(yōu)勢(shì)提高運(yùn)輸方案編制的效率，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的唯一性和準(zhǔn)確性實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化均已成為可能。目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)吊裝運(yùn)輸過(guò)程可視化、智能化，最終將實(shí)現(xiàn)核電大型設(shè)備吊裝及運(yùn)輸方案的自動(dòng)編制和標(biāo)準(zhǔn)化。

2 系統(tǒng)總體概述

2.1 框架結(jié)構(gòu)

核電大型設(shè)備吊裝及運(yùn)輸智能仿真系統(tǒng)分為四大功能模塊，即數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、虛擬仿真模塊、校核計(jì)算以及輸出模塊，其總體框架如圖1所示。

圖1 核電大型設(shè)備吊裝及運(yùn)輸智能仿真系統(tǒng)框架圖

2.1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是其他模塊工作過(guò)程中所需數(shù)據(jù)的提供者，同時(shí)也是虛擬仿真模塊所需吊裝/運(yùn)輸方案的提供者。

吊裝關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)具體分為4個(gè)部分：起重機(jī)外形尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)、起重機(jī)起重性能數(shù)據(jù)庫(kù)、起重機(jī)部件相對(duì)重心數(shù)據(jù)庫(kù)及輔助設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)輸關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)中仍分為4個(gè)部分：運(yùn)輸車外形尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)輸車單個(gè)模塊性能數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)輸工裝數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)輸車模塊重心數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中提供兩個(gè)主要的操作：吊裝/運(yùn)輸方案的生成和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。吊裝/運(yùn)輸方案生成是根據(jù)用戶輸入的工況要求及一些限制條件，系統(tǒng)自動(dòng)地搜索起重機(jī)性能數(shù)據(jù)庫(kù)/運(yùn)輸車性能數(shù)據(jù)生成一組滿足工況要求的吊裝/運(yùn)輸方案。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的各種參數(shù)。

2.1.2 虛擬仿真模塊

虛擬仿真模塊負(fù)責(zé)起重機(jī)、運(yùn)輸車、作業(yè)環(huán)境和吊裝/運(yùn)輸設(shè)備的三維模型顯示以及吊裝/運(yùn)輸仿真控制。

作業(yè)環(huán)境和吊裝/運(yùn)輸設(shè)備的三維建模與顯示有兩種方式：一種方式是利用其他商業(yè)三維建模軟件（如3DSMAX9）建立作業(yè)環(huán)境或吊裝/運(yùn)輸設(shè)備模型，并保存為文件，系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)入該文件提取其中的三維信息數(shù)據(jù)送給渲染引擎生成三維吊裝/運(yùn)輸作業(yè)環(huán)境或吊裝/運(yùn)輸設(shè)備顯示在三維虛擬場(chǎng)景中；另一種方式是，自主開發(fā)一個(gè)二維草繪畫板，用戶在二維草繪畫板繪畫二維的作業(yè)環(huán)境或吊裝/運(yùn)輸設(shè)備，并補(bǔ)充其三維信息，然后把這些三維信息送給渲染引擎進(jìn)行三維建模與顯示。

吊裝/運(yùn)輸設(shè)備的三維建模是根據(jù)選定的吊裝運(yùn)輸方案從外形尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出對(duì)應(yīng)的設(shè)備外形參數(shù)送給渲染引擎生成逼真的三維設(shè)備模型。

三維渲染引擎是虛擬仿真模塊的核心，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也是仿真系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。虛擬仿真模塊除了提供三維建模和顯示功能，還為用戶提供人機(jī)交互的接口，用戶通過(guò)人機(jī)接口可以控制吊裝運(yùn)輸仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中吊裝運(yùn)輸作業(yè)的模擬。

2.1.3 校核計(jì)算模塊

校核計(jì)算部分包括平衡梁校核計(jì)算、索具校核運(yùn)輸工裝校核計(jì)算。系統(tǒng)的校核計(jì)算功能取代了目前手工的校核計(jì)算，減少了手工計(jì)算的錯(cuò)誤，節(jié)省校核計(jì)算的時(shí)間，為用戶設(shè)計(jì)或選擇輔助設(shè)備提供參考依據(jù)。

2.1.4 輸出模塊

輸出模塊主要包括以Word文檔格式輸出校核計(jì)算書、起重機(jī)/運(yùn)輸車占位和立面AutoCAD圖、吊裝設(shè)備的AutoCAD圖，以及其他吊裝/運(yùn)輸仿真的結(jié)果，如仿真錄像等。從而為制定吊裝/運(yùn)輸方案提供可靠的素材和依據(jù)，指導(dǎo)吊裝/運(yùn)輸作業(yè)的實(shí)施。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 三維空間可視化技術(shù)

三維空間可視化技術(shù)是提升吊裝/運(yùn)輸工藝設(shè)計(jì)手段的重要因素。目前國(guó)外已形成多款商業(yè)及非商業(yè)三維虛擬引擎，例如OGRE是國(guó)外某團(tuán)隊(duì)開發(fā)的開源三維虛擬引擎，可以實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，能夠滿足大型設(shè)備吊裝及運(yùn)輸三維空間可視化的應(yīng)用要求。

核電大型設(shè)備吊裝及運(yùn)輸三維空間可視化應(yīng)用在作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足：

（1）吊裝/運(yùn)輸過(guò)程可視化。可實(shí)現(xiàn)以起重機(jī)位姿驅(qū)動(dòng)整個(gè)吊裝過(guò)程的可視化，以運(yùn)輸車動(dòng)作驅(qū)動(dòng)整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程的可視化，滿足核電大型設(shè)備從初始位置到設(shè)備指定停放位置再到設(shè)備就位位置的整個(gè)施工過(guò)程的可視化。

（2）關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。在吊裝/運(yùn)輸作業(yè)過(guò)程中，除受三維空間因素影響外，還需要考慮起重機(jī)和運(yùn)輸車輛負(fù)載率是否滿足要求。本研究可實(shí)現(xiàn)三維空間中起重機(jī)和運(yùn)輸車輛額定載荷、實(shí)際載荷及負(fù)荷率、實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，為吊裝和運(yùn)輸作業(yè)提供最直接的數(shù)據(jù)參考。

（3）碰撞檢測(cè)和最小距離計(jì)算。在吊裝和運(yùn)輸作業(yè)過(guò)程中運(yùn)輸車輛、大型設(shè)備與周圍障礙物之間，起重機(jī)臂桿與大型設(shè)備及周圍障礙物之間是否碰撞以及它們之間的最短距離是多少，是方案設(shè)計(jì)人員始終關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。本研究采用基于穿透率的廣義/狹義二階段碰撞檢測(cè)算法和基于三角形網(wǎng)格的精確距離計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)和最小距離計(jì)算。

2.2.2 通用數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)的設(shè)計(jì)

核電大型設(shè)備吊裝/運(yùn)輸方案編制中需要用到大量的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)從技術(shù)管理的角度研發(fā)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和模型庫(kù)的設(shè)計(jì)，將二維圖形、三維模型、數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)一：

（1）起重機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)；

（2）運(yùn)輸車數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)；

（3）核電大型設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)整理并歸納了AP1000、高溫氣冷堆等堆型的大件被運(yùn)輸設(shè)備，設(shè)計(jì)核電大型設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)；

（4）相關(guān)二維圖形庫(kù)，為提高圖形輸出效率，本研究將起重機(jī)、運(yùn)輸車、大型設(shè)備形成二維圖形庫(kù)，二維圖形庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)尺寸保持一致，輸出時(shí)根據(jù)吊裝/運(yùn)輸方案自動(dòng)調(diào)用進(jìn)行輸出；

（5）相關(guān)三維模型庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)三維虛擬空間搭建，本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)三維空間模型的建立。

2.3 系統(tǒng)功能描述

（1）實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的智能選型；

（2）實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車輛的智能選型；

（3）實(shí)現(xiàn)核電大型設(shè)備的參數(shù)化建模；

（4）實(shí)現(xiàn)核電大型設(shè)備吊裝過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程三維仿真，實(shí)現(xiàn)交互式的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息顯示及臨界報(bào)警；

（5）實(shí)現(xiàn)吊裝仿真過(guò)程中接地比壓值的實(shí)時(shí)顯示；

（6）實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)和最小距離計(jì)算；

（7）實(shí)現(xiàn)對(duì)操作過(guò)程的記錄和回放；

（8）實(shí)現(xiàn)起重機(jī)作業(yè)工況、計(jì)算書、吊裝站位圖、吊裝立面圖的輸出；

（9）實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車輛作業(yè)工況、運(yùn)輸站位圖、運(yùn)輸立面圖的輸出；

（10）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新及統(tǒng)一維護(hù)和管理。

3 應(yīng)用實(shí)例

采用過(guò)去成功吊裝及運(yùn)輸案例來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和實(shí)用價(jià)值。擇取海陽(yáng)核電項(xiàng)目中的典型設(shè)備CA01的運(yùn)輸和吊裝進(jìn)行模擬為例，CA01結(jié)構(gòu)模塊參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CA01結(jié)構(gòu)模塊參數(shù)

CA01模塊在CA組裝場(chǎng)地完成整體組裝工作，組裝完畢后由CA組裝場(chǎng)地運(yùn)輸至核島指定區(qū)域卸車，并吊裝至核島反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)，運(yùn)輸距離為1.3km左右。

3.1 CA01運(yùn)輸

3.1.1 數(shù)據(jù)輸入

首先，輸入被運(yùn)輸設(shè)備CA01模塊的詳細(xì)參數(shù)，包括尺寸、重量、設(shè)備重心等參數(shù)（圖2）。其次，進(jìn)行運(yùn)輸車輛信息配置，CA01模塊采用兩排液壓平板車組，第1組采用4個(gè)基礎(chǔ)軸線拼裝（圖3），額定載荷為840t，平衡配重100t，加固件重10t；第2組采用4個(gè)基礎(chǔ)軸線拼裝（圖4），最大凈載重為960t，平衡配重為100t，加固件重為10t。

3.1.2 負(fù)荷率校核

根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸中CA01模塊的重心分布情況，對(duì)第一、二組平板車負(fù)荷率進(jìn)行校核。

3.1.2.1 第一組平板車負(fù)荷率校核

負(fù)荷率=（貨物重量×D2/（D1+D2）+平衡配重+加固件重）/額定載荷=（956.11×16491.5/28271+100+10）/840=55.56%

由計(jì)算可知，第一組平板車負(fù)荷率為55.56%，安全。

3.1.2.2 第二組平板車負(fù)荷率校核

負(fù)荷率=（貨物重量×D1/（D1+D2）+平衡配重+加固件重）/最大凈載重=（956.11×11779.5/28271+100+10）/960=63.48%

由計(jì)算可知，第二組平板車負(fù)荷率為63.48%，安全。

圖2 CA01設(shè)備參數(shù)

圖3 第1組運(yùn)輸車數(shù)據(jù)

3.1.3 運(yùn)輸仿真

從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取CA01設(shè)備模型、工裝模型、運(yùn)輸車模型、AP1000場(chǎng)景模型，也可由外界建好按比例導(dǎo)入。進(jìn)入運(yùn)輸仿真界面，設(shè)置好初始站位（圖5），系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸路徑規(guī)劃（圖6），設(shè)置運(yùn)輸動(dòng)作（直行、轉(zhuǎn)彎）；設(shè)備按照輸入的動(dòng)作進(jìn)行仿真，最后自動(dòng)輸出仿真視頻和運(yùn)輸方案信息（圖7）。

圖4 第2組平板車數(shù)據(jù)

圖5 運(yùn)輸站位

圖6 運(yùn)輸路徑規(guī)劃

圖7 輸出仿真視頻和運(yùn)輸方案信息

3.2 CA01吊裝

吊裝與運(yùn)輸作業(yè)仿真的區(qū)別在于配置和動(dòng)作設(shè)置上。

吊裝仿真需配置吊索具，本系統(tǒng)為擴(kuò)大通用性，對(duì)吊索具進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)和專用（圖8）兩種分類。

圖8 專用吊具選擇

對(duì)于起重機(jī)選型，可手動(dòng)選擇工況，系統(tǒng)自動(dòng)校核負(fù)載率，也可通過(guò)設(shè)置條件使系統(tǒng)自動(dòng)篩選出符合條件的工況。起重機(jī)動(dòng)作設(shè)置分為起鉤、落鉤、起重機(jī)行走（直行、十字行走）、回轉(zhuǎn)等（圖 9、10、11），設(shè)置完成后系統(tǒng)在三維環(huán)境中完成CA01的吊裝，過(guò)程中可實(shí)時(shí)顯示吊裝工況信息、對(duì)地壓力、最小凈距顯示和碰撞檢測(cè)（圖 12、13）。

圖9 CA01吊裝場(chǎng)景導(dǎo)入

圖10 CA01吊裝回轉(zhuǎn)

圖11 CA01就位

圖12 三維實(shí)時(shí)標(biāo)注

圖13 最小凈距顯示

經(jīng)過(guò)CA01運(yùn)輸和吊裝作業(yè)的仿真，系統(tǒng)輸出方案與實(shí)際方案作業(yè)過(guò)程一致，計(jì)算結(jié)果一致，工況相符，經(jīng)驗(yàn)證可行，具備實(shí)際施工指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)從吊裝及運(yùn)輸方案的編制、三維仿真模擬等方面掌握核心技術(shù)，改進(jìn)原有大件設(shè)備吊裝及運(yùn)輸方案的平面編制方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備吊裝及運(yùn)輸前三維仿真模擬、吊索具校核計(jì)算，方案自動(dòng)生成、吊裝及運(yùn)輸最小凈距顯示及干涉檢測(cè)等，從而進(jìn)一步提高吊裝、運(yùn)輸方案的自動(dòng)化編制水平，實(shí)現(xiàn)核電吊裝運(yùn)輸方案的可視化展示，實(shí)現(xiàn)核電吊裝運(yùn)輸一體化，彌補(bǔ)了吊裝及運(yùn)輸工程方案信息配置可視化的空白。本系統(tǒng)已開發(fā)完成并成功應(yīng)用于多項(xiàng)核電、石化領(lǐng)域吊裝運(yùn)輸施工中。