核電站電氣設備3D仿真培訓技術研究

張 軒

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

隨著我國核電事業的不斷發展，核電站的電氣設備復雜度也在不斷提升，電氣設備是保證核電站安全穩定運行的基礎設備[1]。針對核電站電氣設備開發三維可視化仿真培訓系統，實現對其直觀地調試與仿真，保證運維人員的能夠快速、扎實地提升技術水平。

目前，國內外已有高校及科研機構對新型站內電氣設備的仿真方法進行設計。文獻[3]提出了一種將站內電氣設備和軟件技術相結合的混合仿真方式，這種方式雖然能夠較為直接地反映出站內電氣設備的工況，但投入的成本巨大并且拓展性較低。文獻[4]依據可擴展對象庫，提出了一種三維仿真平臺的構建方法，該方法雖然能夠有效提升系統的擴展性，但其無法有效反映出站內的信息交互。總而言之，目前的方法大多面向智能化變電站[5]，電氣設備三維可視化技術在核電站中應用較少。

本文針對核電站電氣設備3D仿真培訓技術的不足，提出一種對核電站電氣設備3D可視化仿真技術。基于3DMAX軟件構建核電站電氣部分的3D虛擬場景，使亟待培訓的運維人員面對逼真的動畫場景，提高3D可視化仿真培訓界面的真實性，使相關運維人員能夠產生直觀的視覺沖擊，提高培訓的效果。

1 核電站電氣設備仿真培訓系統

核電站電氣設備3D仿真培訓系統是基于實際的核電站電氣部分的工況，與3D虛擬仿真技術相結合，共同構建的3D可視化的虛擬核電站培訓環境，相關運維人員能夠在該虛擬環境中進行真實的仿真培訓，掌握與核電站電氣部分運維相關的各種專業技能，如圖1所示。

核電站電氣設備3D虛擬模型可以分為規則模型和不規則模型兩大類。其中，規則模型包括長方體、球體、圓柱體等，對應的實際電氣設備如互感器、線路、桿塔、斷路器等。規則模型為外形結構較為復雜的電氣設備，如變壓器、隔離開關、絕緣子串等。針對上述兩種類型的3D虛擬模型，可以分別采用簡單建模法和多邊形建模法。

簡單建模法采用長方體、球體、圓柱體等基本圖形對電氣設備進行3D構建，但其只能完成設備的主體架構的設計，無法對細節進行細致的描述，因此還需要多邊形建模法對細節進行處理。

多邊形建模需要使用3DMAX軟件，對相關模型進多邊形行編輯和修改，具體方法為：（1）創建電氣設備主體，并將其轉化為可編輯的多邊形；（2）對設備主體進行點或面的編輯和修改，得到成型的3D電氣設備；（3）用3DMAX軟件對設備進行渲染。以核電站變壓器為例，所得到的3D變壓器效果圖如圖2所示。

圖1 核電站電氣設備3D仿真培訓系統架構

圖2 變壓器3D虛擬模型

2 3D仿真培訓系統開發及應用

2.1 核電站電氣部分主體構建

3D虛擬核電站電氣設備仿真系統的建模工作龐大，依據前文所述，必須運用3DMAX進行實現，將核電站電氣部分的主接線以及各個設備的建筑圖紙導入3DMAX中，使用簡單建模法和多邊形建模法進行同比例建模，同時還需建立相關的電氣二次設備及二次回路的3D虛擬模型，例如各種互感器、控制機柜以及繼電保護機柜等。完成各個設備的獨立3D虛擬建模后，需要依據設備的地理位置對相關設備進行安放，并依據主電路圖紙將設備進行連接，以建成完整的核電站電氣設備3D虛擬模型，核電站整體場景及電氣部分場景如圖3所示。

圖3 核電站3D虛擬模型

2.2 仿真系統主界面構建

仿真系統的主界面包括用戶注冊登錄界面以及仿真培訓主菜單界面，如圖4所示。

用戶注冊登錄界面是每一個完整操作系統都必需的界面，可以保證每個待培訓的運維人員都能夠完成相關的培訓演練。通過在Canvas創建Button、InputFiled和Text控件完成登錄界面制作，當學員單擊注冊按鈕后，跳出注冊界面，判別學員所輸入的注冊用戶名是否已經被占用。已經注冊過的學員在輸入用戶名和密碼后，點擊登錄，即可進入自己的核電站電氣設備仿真培訓系統，完成相關的培訓與練習。

學員登錄系統后進入仿真培訓主菜單界面，主菜單清晰明了，包含了“設備學習”“操作演練”“漫游巡視”“故障仿真”四個按鈕。點擊不同的按鈕，即可打開對應的學習和練習界面。

2.3 虛擬漫游技術

學員可以通過虛擬漫游技術在核電站電氣部分場地中360°無死角地觀察各個設備的運行工況，同時虛擬場地中的攝像機會上傳其所在的位置信息，該信息將在漫游界面的小地圖中顯示，使學員更加清晰明了地了解自己所在的位置。常規的漫游操作僅需要通過鍵盤方向鍵以及鼠標控制，同時還可以在小地圖中進行選址，瞬間移動至學員需要觀察的電氣設備，學員的巡視記錄以及對電氣設備的相關操作會被保存并審核。

學員在漫游的同時，還可以進入飛行模式，即可以在不同的高度對核電站電氣設備進行觀測，將飛行模式與地面漫游相結合，使學員能夠全方位地了解核電站電氣設備的場景切換，從而提高仿真培訓的效果。

室外主電路區域漫游效果及室內控制區域漫游效果如圖5所示。

圖4 仿真系統的主界面

3 結論

本文基于3DMAX軟件提出了一種核電站電氣設備3D可視化仿真培訓技術。首先，介紹了目前已有的電站電氣設備仿真技術的不足之處及其對新型核電站的不適用性。通過對核電站一次電氣設備及二次電氣設備可視化組件的構建，組件核電站3D虛擬可視化仿真培訓系統。所開發的核電站電氣設備3D可視化仿真培訓系統囊括了核電站的各個場景，使用虛擬漫游技術，從宏觀至微觀皆可查看。通過該技術，不但能夠充分提高學員的學習效率，也能為日后其他核電站可視化培訓系統打下組件基礎，進一步縮小開發成本。