增強現實技術在核電模擬機運維中的應用研究

嚴 敏，岳志錄

(國核自儀系統工程有限公司，上海 200241)

0 引言

核電廠(nuclear power plant,NPP)全范圍模擬機(full scope simulator，FSS)項目，是新建核電廠用于開展操縱員培訓與執照考試必不可少的項目[1-2]，具有開發周期長、涉及專業多、文件資料龐雜、數據迭代更新、偏差項瑣碎繁多等特點。核電廠全范圍模擬機融合了反應堆工程、熱能動力、電氣、儀控、計算機、數字計算等諸多領域的高新技術[3]。模擬機研制完成并投入培訓運行后，運行和維護環節大部分采用紙質和人工記錄方式完成，包括工作單和偏差項管理、備品備件的管理等，記錄單多、查詢工作量大、效率低、流程可追溯性差。針對核電廠全范圍模擬機運行和維護特點，需要開發一套核電模擬機運維支持系統。系統需具備以下功能：自動識別核電廠全范圍模擬機運維環境；實現仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室等區域的各個工作站以及服務器運行狀態的數據可視化；通過自助運維以及遠程專家協助，及時解決運維人員在現場發現的問題；對運行狀態數據、運維人員運維時長數據等進行后臺統一存儲，實現運維全過程的數字化管理，運維過程可追溯；對歷史的運維數據進行分析，改進運維方法，提高運維效率，實現降低運維成本。

1 增強現實技術

增強現實(augmented reality，AR)技術是在虛擬現實技術上發展起來的新興技術[4-5]，涉及仿真技術、計算機圖形技術、圖像處理技術、交互技術及傳感器技術等。AR 技術是通過將計算機生成的虛擬物體或信息和真實環境實時疊加在一起，給用戶呈現一個感官效果真實、場景信息豐富的情境。

增強現實技術具有三大特性[6]。

①虛實融合顯示，使虛擬模型和真實世界中的物體共存于用戶的視線中。

②人機實時交互，用戶可以與視線中的真實物體和虛擬物體進行實時交互。

③三維尺度上的匹配，利用自動跟蹤技術將虛擬模型和真實物體精確地對準，解決虛實匹配的問題。

增強現實技術已在國外醫學、遙操作、制造與維修、可視化與教育培訓等領域成功應用[7]。在核電領域，國外已將增強現實技術應用于核電站退役部件的拆解、運送和安置[8]，核電室內環境的維護[9]，核事故中反射性擴散時人員的疏散撤離等領域[10]。

2 基于AR技術的核電模擬機運維架構設計

核電全范圍模擬機維護是一項以技術為基礎的系統性工作，工作內容繁雜，涉及專業廣，工作流程嚴謹。維護工作主要包括模擬機日常維護、備件工具管理、設備更換、軟件、系統升級及修改等。AR技術包括虛擬信息的建立和渲染、真實世界中的跟蹤和定位、虛擬信息在真實場景中的注冊、顯示輸出和實時的人機交互。

核電模擬機當前運維多以人工現場巡檢為主，并以手工紙質記錄，存在數據關聯性差、標準化工作站或服務器等設備的識別需要根據圖紙或編碼確認的問題。對于時間較長的運維過程，技術人員容易產生疲勞，影響記錄和判斷的正確性，產生人因錯誤，并且無法實現在線的專家診斷和協助。專家僅能夠根據記錄的問題或故障進行判斷，記錄和發現問題的詳細程度完全取決于運維人員的專業能力和綜合素質。這不利于專家進一步分析故障原因和后期的經驗反饋，會導致運維成本較高、效率低。

針對以上存在的問題，基于AR技術的模擬機運維支持系統的目標是提高模擬機的管理和運行維護效率。對模擬機投入運行后的運維進行程序化、流程化處理，基于后臺數據庫，保存運行各階段工作單、調試差異報告(discrepancy report,DR)以及操作人員記錄，實現運行維護電子化記錄、易查詢和追溯。基于AR技術的核電模擬機運維支持系統結構如圖1所示。

圖1 基于AR技術的核電模擬機運維支持系統結構圖

系統結構包括用戶配置管理模塊、巡檢模塊、運維模塊以及培訓模塊。系統功能包括：巡檢、運維過程的數據管理；巡檢作業的智能化指導；3D可視化信息數據的全方位識別展示；設備維護全過程的數據跟蹤與記錄；遠程專家實時協助檢修。該系統能夠有效解決傳統運維效率不高、巡檢容易遺漏、運維人力成本高等現實問題。

首先，建立核電全范圍模擬機仿真環境和硬件設備的3D模型。本文采用3D建模技術[11-12]，完成全范圍模擬機環境和設備模型的搭建，包括仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室、應急指揮中心、蓄電池室、配電室以及計算機房及其硬件設備、網絡設備和I/O系統設備等；完成AR互動界面設計。其次，完成數據通信和建立數據庫，將全范圍模擬機仿真環境和硬件設備的3D模型數據參數信息與后臺數據庫關聯，實現實時數據顯示，并將運維數據信息通過AR終端設備得以虛擬復現和記錄存儲。運維數據管理由無線傳輸模塊、數據管理與控制模塊以及輔助決策模塊三部分組成。無線傳輸模塊用于接收遠端數據并將處理后的實時數據或信息傳回AR智能終端。數據管理與控制模塊在接收遠端數據后，對其進行處理。當數據為操作指令信息時，模塊通過模擬機實時數據網傳遞并執行操控命令。輔助決策模塊對實時數據的當前狀態進行判斷，為模擬機運維人員提供技術支持與操作指導。全范圍模擬機的每一個區域或設備唯一匹配一個圖形標記卡。標記卡被置于現場運維識別所對應的實際位置。模擬機運維巡檢人員佩戴AR便攜式智能穿戴設備進行日常巡檢或處理報警和故障情況。當視線范圍內存在標記卡時，AR設備自動捕獲所有標記信息，并將其傳輸給識別系統。識別系統將圖形信息轉換為數值信息，再由移動端無線傳輸系統將其傳輸到服務器。服務器對數據進行處理后，通過模擬機實時數據網讀取相關數據，并由服務器端無線傳輸系統將其傳回AR終端設備處理系統。由AR設備將數據以圖形的方式渲染，以增強現實的形式展示在標記卡位置的上方，將虛擬對象與真實環境融為一體并顯示來，從而為現場運維人員提供一個效果真實的運維環境。現場運維人員在瀏覽虛擬化信息的同時，可以通過手勢或動作與系統之間進行一定的交互操作。

基于AR技術的模擬機運維支持系統的設計，包括用戶配置管理、巡檢、運維、培訓等功能模塊。

用戶配置管理模塊包含用戶和角色管理、模擬機工單管理以及日常運維計劃管理。用戶和角色管理是指客戶端輸入運維人員信息，并同步到 AR便攜式智能穿戴設備，使運維人員可以查看姓名、員工編號等身份認證信息。模擬機工單管理指用戶可以使用 AR 便攜式智能穿戴設備直接查看當前任務清單、巡檢工作內容等。

(1)巡檢模塊的功能包括查看模擬機總體概貌、巡檢定位和運維指引、運維流程管理、模擬機仿真控制室設備3D可視化信息展示、報警管理以及巡檢和運維記錄等。

①查看模擬機總體概貌：運維人員可以實時查看核電廠全范圍模擬機總體運行情況。比如：仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室、應急指揮中心、蓄電池配電室；模擬機機房的溫度、濕度；所有設備的運行情況等。

②巡檢定位和運維指引：基于 AR 便攜式智能穿戴設備的空間掃描和空間定位，能夠實時計算運維人員在全范圍模擬機對應區域中的位置，并映射到3D的全范圍模擬機仿真環境地圖中，以實現實時定位。

③運維流程管理：AR 便攜式智能穿戴設備顯示對應該區域巡檢任務的巡檢任務列表。通過識別巡檢任務中待巡檢的設備，將虛擬任務信息疊加在真實設備上，從而幫助運維人員快速進行巡檢。

④3D可視化信息展示：AR 運維支持系統將模擬機仿真控制室設備3D 可視化信息依次、有序地疊加在真實設備上，包括指示燈狀態、數字儀表盤數字、開關狀態、設備位置、運行狀態、模擬機仿真控制室環境數據等。

⑤報警管理：后臺服務器對傳感器狀態進行實時監測，如果發現設備異常，將設備報警推送到AR設備中。運維人員可以看到報警提示疊加在異常設備正前方，并能以虛擬點擊方式查看詳細故障信息。

⑥巡檢和運維過程記錄：巡檢和運維過程中，AR 設備實時錄制巡檢過程的視頻，并傳輸給后臺服務器；同時，管理人員能夠使用控制臺程序直接查看實時視頻。巡檢工作完成后，AR 巡檢模塊自動生成巡檢報表，包括仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室、計算機房、配電室、蓄電池室、維護工程師室等的溫度、濕度、UPS主機電壓、排風、是否報警等信息表單。

(2)運維模塊的功能主要包括運維導航、運維流程管理、遠程專家協助。該模塊能夠將運行狀態數據、運維人員運維時長數據等保存至后臺統一管理，實現運維全過程的數字化管理、運維過程可追溯，以及對歷史的運維數據進行分析，從而提高運維效率、降低運維成本。

①運維導航：運維人員收到運維工單后，確認并開始運維工作。AR智能穿戴設備通過可見化顯示，引導運維人員到達相應區域。

②運維流程管理：運維人員根據運維導航箭頭提示迅速到達異常設備處，通過AR智能穿戴設備進行掃描識別，可調取設備的故障維護操作步驟，查看設備相關的文檔和說明書。當遇到問題時，可以迅速調取運維數據庫的數據進行對比分析，同時能夠參考存儲在歷史服務器中的故障維護視頻，準確圈定故障點，實現運維自助。

③遠程專家協助：在運維過程中，如需專家遠程協助，運維人員可以向專家發起視頻會話請求，將所看到的圖像實時傳送給專家以進行分析處理；同時，可以進行語音交流，以便專家協同解決運維中的難題。

(3)培訓模塊的功能主要包括現場指導培訓、實際操作練習和遠程專家指導。

①現場指導培訓：適用于初期的運維人員。這些人員對核電全范圍模擬機包括的區域和設備熟悉程度較低，可通過現場指導培訓模式進行各個運維步驟和交互模塊的培訓。

②實際操作練習：運維人員根據運維需要，對運維過程、工單流程或報警處理等進行現場操作練習培訓，增加經驗反饋和體驗效果，以自助運維為輔助方式。

③遠程專家指導培訓：用于指導運維人員在使用遠程專家指導功能時的音視頻交互方法。

3 結束語

增強現實技術是當前的前沿科技技術之一，通過將計算機產生的三維景象疊加到真實世界背景中，創建一種融合真實的虛擬場景，以增強用戶對真實環境的感知和認識。該技術已經逐漸應用到醫療、教育以及電力運維等各個領域，將AR技術應用至核電廠全范圍模擬機運行維護具有非常大的現實意義。基于核電模擬機仿真主控制室、教練員室、遠距離停堆室、技術支持中心、計算機房等區域的盤臺、大屏幕、工作站以及顯示器等設備的3D模型，模擬機運維人員通過佩戴增強現實外設工具，可直觀和真實地看到設備模型上顯現的動態化數據和運行狀態，實現運維全過程的數字化管理。該研究是人工智能技術應用于核電模擬機運維領域的一次技術改進創新探索，具有十分廣闊的應用前景。