核電站三維設計驗證平臺的開發①

張 琳

(上海核工程研究設計院有限公司 信息文檔管理中心,上海 200233)

隨著計算機應用水平的不斷提高,在核電設計領域中,計算機輔助設計的潮流早已從傳統的兩維設計手段發展到了人機交互式的、高度集成化的、智能化的三維設計階段.通過三代核電的引進消化吸收,我們發現國外業主對設計過程、設計文件等工程和設計的全生命周期內容均有遠遠超出國內建設的需求,國內外很多競爭對手都在紛紛搭建或已經搭建好適合自身需求的三維數字化協同設計系統.

據調研了解,美國、西歐等發達國家早在80年代中后期就相繼研究開發了以計算機輔助三維設計技術為核心的適用于核電站全壽期的綜合協同設計平臺,并將其應用于各類核電工程.例如美國ABB-CE公司、西屋公司的三代核電站,法馬通公司的N4反應堆,GE公司的ABWR都是在整合信息化資源的基礎上,大量重復地借鑒工程模型庫、標準庫和數據庫,而縮短了設計建造周期,降低了造價,直接提高了商用核電站的競爭力.另外,三維設計技術還廣泛應用于核工程規劃、廠址選擇、項目前期研究、核設施設計、核安全分析、工程建設管理、事故分析和事故應急方案設計等領域.發達國家核工程建設和核工程設計的高效率和高質量,是與他們擁有先進、適用的核工程綜合設計平臺分不開的.

目前,國內設計院早已在三代非能動系列核電設計中實現了三維數字化,在此基礎上利用三維仿真技術,可以對核電站建造、調試、運行以及退役階段的各類工程進行模擬和預演,從而驗證設計方案的可行性并優化,有效地控制風險、降低實施成本.

1 技術發展現狀和存在問題

經過多年的努力和應用,設計院已形成了三維設計平臺,覆蓋各工種專業.見圖1.

圖1 三維布置設計平臺構架

三維技術是信息數據交互的必要方法,是智能化分析的重要手段,是核電站數字化的基礎.但僅有三維布置設計技術,仍存在的主要問題有以下幾個方面：

1)各專業開展布置設計時是否嚴格遵循設計準則難以判斷,人因工程學與布置的融合沒有合適的方法,僅有管理規定.

2)采用三維設計后施工現場仍存在碰撞干涉等問題,三維設計還處于靜態數據層面,三維模型沒有最大化發揮價值.

3)工廠三維設計與設備設計、力學分析、人因、施工運維等方面相對孤立,其內涵與價值需要挖掘利用.

4)設計方案缺乏有效的驗證手段,設計應為建造、運行等階段提供更好的服務.

5)施工方案驗證模擬造價昂貴,尤其是放射區域難以測試演練.

開發三維工程設計驗證平臺的目的,就是考慮在非能動自主核電項目中,利用虛擬現實技術實現從設計、設備制造到施工建造等項目生命周期各階段,工藝流程仿真、地理信息系統分析與建造等方面的應用,優化設計.并采用虛擬仿真平臺的人機工程模塊,與三維工廠模型結合,利用模擬操作員體型的人體模型對大型設備、模塊及主要工藝流程進行可拆性、可達性和可維護性方面的分析評估,為現場施工、調試、運維等提供虛擬現實平臺進行方案預演和反饋,為項目全生命周期各階段相關單位提供技術支持服務,比如為業主在運維階段制定施工方案進行輔助決策支持.

2 三維設計驗證平臺的技術方案

虛擬現實(virtual reality)技術是指利用計算機等硬件設備,以及各種配套軟件來進行情景的綜合模擬,使得體驗人員可以在視覺、聽覺、觸覺等感覺上有一種逼真的虛擬體驗和感受[1].虛擬現實系統主要包括外在虛構模擬的場景、人體大腦、五官和四肢接受和發出的感覺信號、人體做出的反應行為動作,以及頭盔、手套、眼鏡等人體穿戴設備等[2].虛擬場景背后潛藏著大量邏輯關聯、對象屬性、技術規則和物理定律,對發生的事件無需全部做事先定義,物項具備自主動作的特點[3].虛擬現實技術的發展經歷了3個階段,從19世紀60年代開發的可以三維顯示的摩托車仿真器,到“圖形學之父”Ivan Suntherlan開發的頭盔顯示器,可以稱之為對虛擬現實技術的探索階段[4].接下來在80年代提出了虛擬現實VR技術的基本概念,如今隨著互聯網及計算機技術的蓬勃發展,VR技術已經在多個領域開始應用,比如教學、醫學、培訓、娛樂、汽車設計航空航天等行業[5],可以節省成本,變革設計方式.

隨著虛擬現實技術的不斷發展,未來將會在越來越多的行業領域中得到挖掘應用.核電行業也在探索如何應用這一技術,由于核電站場景較大且模型數量較多,針對核電站進行虛擬現實的研究一直以來受到計算機及圖形硬件的限制.同時,對于虛擬現實引擎的執行效率也要求較高.

當前,對于第三代核電站,設計方基本都采用了三維設計工具完成核電站的三維布置工作.核電廠中大多數設備、管道、風管、橋架、混凝土等都建立了相應的三維模型.這些三維設計模型為核電站虛擬現實的研究提供了便利.另一方面,近年來虛擬現實引擎的發展以及計算機硬件的不斷升級,針對整個核電站進行虛擬現實的研究有了更高的可操作性.

通過建設三維可視化圖形引擎、數據總線和平臺接口、設計可視化驗證原理、全廠數字地圖、地理信息系統和評估模型等開發可視化虛擬工程平臺和三維分析驗證技術.

作為一項尖端科技,虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡、并行處理等技術的最新發展成果,是一種由計算機生成的高技術模擬系統.隨著計算機軟硬件的發展,應用成本不斷的下降,虛擬現實的應用范圍也在逐步擴大.對于核電項目,虛擬現實技術可以在各個環節發揮作用.結合虛擬現實技術,可以將傳統的實物仿真實驗轉變成半實物乃至全數字化仿真實驗,大大減少實驗投入,縮短實驗周期；通過虛擬現實技術,可將人因工程學與電廠各階段相結合,全面提升設計、制造、施工和運維的質量；虛擬現實技術與電廠各類靜態及動態數據結合,可以實現可視化工程數字建安研究,可視化數字維修規劃,可視化調試和運行,升級核電廠數字化服務手段,提升整體服務能力.

作為3D全數字工廠的技術基礎,必須要建立一套覆蓋電廠全工種、全生命周期的三維虛擬技術平臺,保證各個工種相關虛擬仿真研究的開展.但由于目前市場上各類商用的虛擬仿真系統,都不能完全滿足核電廠全工種全生命周期的虛擬仿真研究需求.因此,本專題的研究就是要建立一套基于成熟的、國際通用的圖形平臺,針對核電工程的需求,滿足核電廠各專業、各學科、各階段需求的虛擬仿真平臺.經過調研比較,達索公司的DELMIA既能支持精確三維模型也能支持輕量化面片模型,且提供了人體模型,省去了利用3dsMAX或者Maya等工具制作人體模型的過程.因此最終選定了DELMIA作為三維工程設計驗證平臺的主要軟件.

為了實現3D全數字電廠,除了需要建立一套支持虛擬仿真技術的現實系統外,還需要其他一系列相關系統作為支持.必須建立一套集成的數據體系,容納虛擬仿真系統后臺的大量靜態以及動態參數,并能被虛擬電廠快速調用.需要建立一整套的數據接口,以獲得各個專業平臺上形成的設計以及分析數據,也包括電廠的實時運行數據.打通虛擬仿真平臺與動態性能運算平臺的接口,形成雙向控制,實現設計驗證、運行維護等功能.只有將這一系列系統完成并整合,最終形成的虛擬電廠可以為各個專業提供強大的虛擬仿真功能,滿足電廠全工種、全壽期虛擬仿真需求.

開發出的核電站三維設計驗證平臺創新點如下：

(1)自主開發三維設計平臺與虛擬現實平臺的接口：由于三維工廠設計軟件PDS與虛擬現實軟件DELMIA之間模型交換存在缺失,所以針對此問題本文開發了模型轉換接口.針對設計方案驗證需求開發的高精度模型轉換程序,該程序能夠將PDS模型的幾何數據進行解析,然后在CAA環境下重構成DELMIA格式的參數模型,極大的保證了模型的精度與完整性.

(2)解決核電模型輕量化的問題：核電站模型與其他行業不同,設計復雜,模型精細化程度高,模型體量巨大,如何便捷、高效的使用模型一直是令核電行業棘手的問題.市場上能買到的輕量化模型處理軟件僅解決了模型體量問題,最關鍵的數據參數缺失.本文針對模型瀏覽、查詢及輔助評審等需求開發的輕量化面片模型轉換程序不但解決了此問題,該程序相對于軟件自帶的轉換插件還保留了原模型中的數據結構,開發的成果可用于各類應用場景.

3 關鍵技術與難點

準確、完整的三維模型是三維工程設計驗證平臺及數字電廠的基礎,設計院投入大量人力積累了各專業三維數據模型,且經過嚴格的質量控制流程,奠定下堅實可靠的數據基礎.而當前設計院三維設計軟件如PDS的模型格式與DELMIA不兼容.達索公司設計軟件輸出的模型格式為.CATPart,輕量化模型格式為.cgr.達索公司虛擬仿真軟件DELMIA能夠完美兼容.CATPart、.cgr等達索公司自有三維模型格式,也能夠兼容.wrl、.stp、.iges等常見格式.PDS模型不能直接為三維工程設計驗證平臺及數字電廠直接所使用,為滿足三維工程設計驗證平臺及未來數字電廠對三維模型數據的需求,需要對PDS模型進行格式轉換.PDS的文件格式為.dgn,Microstation雖然提供了將.dgn文件轉化為.wrl、.stp、.iges等通用格式的插件[6],但是經過實際測試發現在轉換過程中存在以下問題：

1)模型文件幾何信息有缺失,如管道閥門的模型殘缺不全.如圖2所示.

圖2 使用自帶插件轉換效果

2)無法將模型的屬性信息如編號,物理參數等導入到轉換后的文件中.

3)轉換后的模型為非參數化的面片模型,面片數目較大,占用內存較多.

3.1 參數模型接口開發

為解決上述問題需要開發專門的三維模型轉換程序,該程序應包含兩個模塊：模型解析模塊與模型重構模塊.

模型解析模塊使用Microstation二次開發工具MDL(Microstation Development Language)以Visual Studio 2005為開發環境,在Visual Studio 2005中進行模型解析,具體過程如下：

載入DGN文件,掃描文件中的所有三維元素,獲取三維元素的元素描述符,逐一對元素描述符進行分析,判斷其幾何體類型、獲取其Linkage(含有模型的編碼)、模型的顏色、材質等參數信息和決定幾何體的關鍵參數的全局坐標,然后將每個三維元素的信息作為一條信息寫入中間文件.

模型重構模塊先讀取中間文件的文件名并創建根節點,以文件名作為根節點名稱,然后讀取每個元素描述符對應的Linkage,以Linkage為子節點名創建子節點,再將元素描述符關聯的所有幾何體逐一重構創建幾何體,并將每個幾何體作為葉節點插入子節點下面.

在進行模型解析之前,應定義基本幾何體庫,該庫包含了多種基本幾何體,任何PDS模型都可以由幾何體庫中的一個或多個基本幾何體組合而成,該基本幾何體庫可以進行擴展,即在解析PDS模型幾何信息時,若在基本幾何體庫中找不到對應的基本幾何體或者將模型分解后分解的模型仍然在基本幾何體庫中找不到對應的基本幾何體.這說明庫中的基本幾何體無法表達該模型,這時可將其加入基本幾何體庫.

通過模型轉換接口之后,PDS模型與DEMIA模型的數據結構對應關系如圖3所示.

圖3 數據結構對應關系圖

利用參數化模型接環接口對DGN文件進行轉換的效果如圖4所示.

圖4 模型轉換接口程序效果

3.2 輕量化模型接口開發

核電站模型具有工藝復雜、大型設備居多、精細化程度高、體量巨大的特點.參數模型是一種無損模型,在進行設計驗證時是必要的,但是其數據占用內存大.特別是當大量模型位于同一場景時,會拖累軟件性能[7].對于屬性查詢、瀏覽等功能需求來說,其側重速度,要求模型占用內存小,所以參數化模型不是很適合,只有輕量化的模型能滿足這一需求.

目前利用一些軟件自帶的轉換插件雖然能將DGN模型轉化成面片模型,但是這些插件只使用了一些通用的、簡單的算法對模型整體進行面片化,轉換出來的模型存在占用內存較大；包含大量無用信息；屬性信息丟失；模型是一個整體,三維軟件無法對文件中特定的幾何體進行操作等問題.這給對模型的操作如移動、屬性查詢等造成了很大的不便.

為克服目前模型轉化插件存在的問題,為三維可視化工程設計驗證平臺提供一種輕量化的核電站模型,本文研究了將DGN模型轉化成輕量化模型的方法,思路是：對DGN文件中的幾何模型進行拆解并單獨輕量化,導出時再重新合并；并將每個幾何體的編碼、材質、顏色等屬性取出,然后將其寫入到輕量化模型文件中.這個方法轉化的輕量化模型包含了原DGN文件中所有幾何體的編號、屬性等信息,為三維可視化工程設計驗證平臺進行查詢、漫游等操作提供支持.

程序具體思路為：對一個 DGN文件,首先獲取其所有模型描述算子,然后從模型描述算子中獲取模型的類型,將獨立的點、線段等不是三維幾何體的元素濾除.獲取模型描述算子中幾何體的編碼即Linkage、顏色、材質等屬性信息,若模型描述算子關聯的模型其類型為CELL_HEADER_ELM,則須進入到模型描述算子的下一層級,然后再逐個分析其子模型描述算子對應的每個模型,直至子模型描述算子對應的模型其類型為諸如CONE_ELM、SOLID_ELM、SURFACE_ELM、 B-SPLINE SURFACE_ELM等幾何體類型.將每種幾何體(包含三維幾何實體、曲面)進行面片化,每種幾何體面片化的方式有所不同,面片化的原則是將構成幾何體的所有曲面(包含平面)抽取出來,然后將該曲面面片化,再將其合并成原來的幾何體.得到幾何體面片化數據后將其按obj、vrml或者其他的語法格式寫入到文本文件中,每個幾何體包含了編碼、顏色、材質等信息.這樣就得到了一個輕量化的wrl或者obj模型文件,也可以按照其他文件格式的語法寫成所需要的格式.

輕量化程序流程如圖5所示.

圖5 輕量化程序流程

其中獲取Dsc中模型的類型具體過程如圖6所示.

元素面片化處理的具體過程描述如下：

曲面(包括平面)的面片化數據存儲在兩個數組中,第一個數組PointArray存放構成曲面的所有點的三維坐標；第二個數組IndexArray存放構成面片的點在PointArray中的索引號,每個面片的索引號之間用數字“-1”隔開.

對于只包含一個曲面即無須“爆炸”的幾何體可直接面片化得到其數據.對于可“爆炸”成多個曲面的幾何體或者曲面則先進行“爆炸”,獲取每個曲面的面片化數據,依次存放在 IndexArray1、PointArray1；IndexArray2,PointArray2,…,IndexArrayN,PointArrayN中.然后拼接成一個曲面,拼接方式為：新建一個數據數組PointArray,大小為PointArray1,PointArray2,…,PointArrayN中元素數目之和,將每個子曲面的數據數組中的元素按順序存放到PointArray中；新建一個索引數組IndexArray,大小為IndexArray1,IndexArray2,…,IndexArrayN之和,第一個子曲面索引數組所有元素原樣依次放入IndexArray,第二個子曲面索引數組中所有的索引值加上第一個子曲面數據數組元素個數后存入新的索引數組,以此類推將其他子曲面的索引數組元素存入新的索引數組.這樣拼接好的幾何體或曲面的面片化數據存放到了兩個數組PointArray與IndexArray中.

圖6 獲取Dsc中模型類型的過程

輕量化文件格式可以按照需要寫成obj、wrl或者其他格式.DGN文件對應的輕量化模型文件的結構樹如圖7所示：第1層為文件層級,一個DGN文件對應一個輕量化文件；第2層為編碼層級即Linkage層級,模型的顏色、材質等屬性信息位于該層級,在三維軟件中能對該層級的某個幾何體進行平移、旋轉等單獨操作；第3層為模型描述算子層級,若模型描述算子無子描述算子,則該層級只有一個幾何體,若有子描述算子則可能是多個該層級的結合體組成一個編碼級別的幾何模型；第4層級為最底層,描述的是“爆炸”后的曲面數據,不過由于“爆炸”后的曲面進行了合并在輕量化文件中體現不出這一層.

圖7 輕量化模型文件結構樹

輕量化模型轉換程序轉換的模型實例效果如圖8.

圖8 輕量化模型轉換程序實例效果

4 結論與展望

目前三代非能動系列核電項目全部基于PDS等三維設計平臺進行設計,成品文件包括布置圖、管道立體圖、設備安裝圖、支架圖、材料清單等.通過直接三維建模可使設計更加直觀,避免二維設計中常遇到的碰撞問題,減少設計返工.但采用三維設計后施工現場仍存在碰撞干涉等問題,因為三維設計還處于靜態數據層面,三維模型沒有最大化發揮價值.在工程實施過程中還需對安裝、調試、運行、維護等方面的一些技術細節進行預先的分析和評價.

本論文利用虛擬現實技術開發三維設計驗證平臺,通過仿真模擬驗證優化設計方案,為現場施工、調試、運維等提供虛擬現實平臺進行方案預演和反饋.研究的難點是如何利用設計院投入大量精力積累的三維設計模型數據,避免虛擬現實技術平臺中的二次建模投入.

目前此論文研究成果已成功運用在多個核電工程項目中,大幅提高設計質量,并拓展了核電業務市場.