核電站電氣設(shè)備故障可視化3D仿真技術(shù)

黃昌軍，王 欣，張 軒，滕曉雷

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引 言

隨著用戶對電能的需求不斷上升，核電在電能中的占比也在逐步提高。核電站作為電能的始發(fā)站，需要確保其運(yùn)行的安全穩(wěn)定，核電站運(yùn)維人員的技術(shù)水平成為電站能否安全發(fā)電的重要因素[1]。可視化技術(shù)能夠直觀清晰地展示核電站各處的工況，便于新入職的運(yùn)維人員快速學(xué)習(xí)，有助于運(yùn)維人員對故障的快速處理。

為保證學(xué)員對核電站電氣設(shè)備故障具備充分的認(rèn)知，可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可視化描述各個電氣設(shè)備。這種新興的軟件技術(shù)憑借其清晰直觀的優(yōu)勢，在文物保護(hù)、醫(yī)療設(shè)備、娛樂影視行業(yè)、建筑工程、軍事演練以及教育行業(yè)等眾多工作領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。同時(shí)，在核電站電氣設(shè)備可視化培訓(xùn)方面，相對于傳統(tǒng)人力教學(xué)，更能展現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的優(yōu)勢[5]。

本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可視化開發(fā)核電站電氣部分，重點(diǎn)研究設(shè)備故障狀態(tài)的直觀描述方法。先使用3DMAX軟件構(gòu)建完整的核電站電氣部分模型，包括全部一次設(shè)備和二次設(shè)備，然后在Unity引擎中對所構(gòu)建的電氣模型進(jìn)行渲染和優(yōu)化，使學(xué)員在漫游巡視、設(shè)備學(xué)習(xí)、操作演練以及故障仿真等眾多聯(lián)系環(huán)節(jié)中能夠觀察到逼真的設(shè)備故障效果，產(chǎn)生直觀的視覺沖擊，成為相關(guān)運(yùn)維人員專業(yè)學(xué)習(xí)、技能培訓(xùn)以及技能鑒定考核的重要平臺。

1 虛擬場景及硬件開發(fā)

核電站電氣設(shè)備3D仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是基于實(shí)際核電站電氣部分的工況，與3D虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，共同構(gòu)建一個3D可視化的虛擬核電站培訓(xùn)環(huán)境，使相關(guān)運(yùn)維人員能夠在該虛擬環(huán)境中進(jìn)行真實(shí)的仿真培訓(xùn)，掌握與核電站電氣部分運(yùn)維相關(guān)的各種專業(yè)技能。核電站電氣設(shè)備3D仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 核電站電氣設(shè)備3D仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 模型融合

依據(jù)核電站建設(shè)的CAD圖紙，使用3DMAX軟件構(gòu)建核電站電氣部分的模型。將CAD圖紙導(dǎo)入3DMAX軟件中，以此為參照提高3D建模的準(zhǔn)確度，保證按照實(shí)際比例還原核電站電氣部分。

上述流程所生成的核電站電氣部分3D模型較為生硬，無法充分展現(xiàn)電氣設(shè)備故障后的狀態(tài)，如冒煙、著火以及爆炸等。因此需要將模型轉(zhuǎn)化為FBX文件導(dǎo)出，方便Unity引擎兼容，在Unity中進(jìn)行虛擬場景開發(fā)。

由于3DMAX軟件與Unity引擎的底層不盡相同，所以在模型導(dǎo)出是需要注意以下幾點(diǎn)。首先是比例關(guān)系，Unity引擎中的參考單位是米，而3DMAX軟件中的參考單位是毫米，兩者之間存在1 000倍的比例關(guān)系，因此在導(dǎo)出模型前應(yīng)提前做好比例換算工作。其次是參考方向，Unity引擎中默認(rèn)Y軸為3D圖形高度計(jì)量軸，而在3DMAX軟件中的Z軸為3D圖形高度計(jì)量軸，因此在導(dǎo)出模型前應(yīng)提前做好3D圖形旋轉(zhuǎn)工作。再次是鏡像差異，Unity引擎和3DMAX軟件都可以對3D圖形進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)操作，但3DMAX軟件使3D圖形鏡像翻轉(zhuǎn)后，該圖形的法線法相也發(fā)生了反向，這會導(dǎo)致所導(dǎo)出的FBX文件不能被Unity引擎識別，因此使用3DMAX將圖形翻轉(zhuǎn)后，需要再次對該圖形的法線進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，生成FBX文件。最后是材質(zhì)庫，雖然Unity引擎支持3DMAX軟件的材質(zhì)，但在使用Unity引擎打開FBX文件前仍需要將所需的材質(zhì)庫貼圖提前導(dǎo)入U(xiǎn)nity項(xiàng)目文件夾中，否則無法正確識別3D圖形。

1.2 場景渲染

使用Unity引擎打開FBX文件后，所展現(xiàn)的畫面是單一的，并且沒有任何光線效果，因此需要優(yōu)化渲染外場景和各個電氣設(shè)備以達(dá)到良好的視覺效果，更好地模擬冒煙、著火以及爆炸等故障工況。

光線在各個工況情景中都將起到舉足輕重作用，光源決定了場景環(huán)境的明暗、色彩以及氛圍。Unity引擎包含多種光源，如注入點(diǎn)光源會讓區(qū)域光源等。通過組合不同種類的光源，就可以模擬故障場景的光效果，如火焰產(chǎn)生的光源和煙霧差生的陰影等，以此提高故障仿真的真實(shí)性，有助于提高培訓(xùn)效果。此外，由3DMAX軟件生成的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity引擎后不具備碰撞效果，即當(dāng)兩個模型發(fā)生碰撞時(shí)，模型會直接穿過對方，沒有任何的交互作用。這將無法仿真隔離開關(guān)和斷路器等眾多設(shè)備，更無法模擬設(shè)備爆炸等極端故障情況，失去了仿真培訓(xùn)應(yīng)有的效果。

為解決上述問題，需要調(diào)用Unity引擎的碰撞體組件，如網(wǎng)格碰撞體、球碰撞體、膠囊碰撞體、車輪碰撞體、盒碰撞體以及地形碰撞體等。針對不同的工況和故障效果，選擇某個或某幾個碰撞體的組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對碰撞效果的渲染。

Unity引擎聯(lián)機(jī)商店還有豐富的渲染資源可以下載，包括紋路解析和粒子特效等。完成對核電站電氣部分的渲染后，即可在該場景中進(jìn)行漫游。觀察者可以在不同高度和不同視角全方位地觀測相關(guān)設(shè)備的工況，使用方向鍵在電站內(nèi)漫游的同時(shí)，還可以在小地圖中點(diǎn)擊其他觀測位置，并瞬移至該位置。

2 可視化系統(tǒng)應(yīng)用

使用Unity引擎完成場景渲染后，需要依據(jù)設(shè)備的地理位置對相關(guān)設(shè)備再次進(jìn)行校驗(yàn)，并依據(jù)主電路圖紙將設(shè)備進(jìn)行碰撞連接，以建成完整的核電站電氣設(shè)備3D虛擬模型。核電站整體場景及電氣部分場景如圖2所示。

圖2 核電站3D虛擬模型

本文重點(diǎn)展示了核電站電氣設(shè)備故障后的狀態(tài)，主變壓器模擬爆炸起火效果如圖3（a）所示，該效果主要利用了Unity引擎的粒子特效渲染以及光源渲染功能，創(chuàng)建火焰材質(zhì)球來完成，使火焰效果更加真實(shí)。站內(nèi)電抗器常見過熱故障，產(chǎn)生冒煙現(xiàn)象，如圖3（b）所示，制作煙霧同樣需要粒子特效渲染，并對周圍進(jìn)行暗化和陰影處理，使其效果更加逼真。

圖3 核電站電氣設(shè)備故障效果

3 結(jié) 論

本文綜合利用3DMAX和Unity兩種軟件，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了核電站電氣部分的可視化系統(tǒng)。通過對核電站一次電氣設(shè)備及二次電氣設(shè)備可視化組件的構(gòu)建，組件核電站3D虛擬可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。所開發(fā)的核電站電氣設(shè)備3D可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)囊括了核電站的各個場景。使用虛擬漫游技術(shù)，從宏觀至微觀皆可查看。此外，核電站電氣設(shè)備故障3D仿真技術(shù)能夠在原有可視化培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用Unity引擎模擬核電站電氣設(shè)備的故障狀態(tài)，使學(xué)員更加清晰直觀地觀察到故障情形和故障所帶來的嚴(yán)重后果。同時(shí)通過該技術(shù)可在短時(shí)間技能培訓(xùn)里獲得更好的技術(shù)提升效果，對保證核電站電氣部分的安全運(yùn)行和降低事故的概率具有重要意義。