虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核電理論教學(xué)中的應(yīng)用

劉航宇，張光昱，楊小宇

（中廣核（北京）仿真技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518100）

0 引言

核電在全球能源戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要作用，然而由于其生產(chǎn)對(duì)象及生產(chǎn)過程的特殊性，核電站的安全運(yùn)行和維護(hù)問題一直備受關(guān)注。隨著國內(nèi)投產(chǎn)的核電機(jī)組逐步增多，核電行業(yè)對(duì)員工的需求也在成倍增長。眾所周知，核電在員工培訓(xùn)方面需要花費(fèi)很高的成本，主要是因?yàn)楹穗娬鞠到y(tǒng)規(guī)模大、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高。因此，需要引入新技術(shù)來保障安全，降低成本，提升質(zhì)量。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是改進(jìn)核電培訓(xùn)問題的一項(xiàng)關(guān)鍵舉措，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的整合，并以直觀、立體及交互式的方式把核電站原理的相關(guān)內(nèi)容體現(xiàn)出來，對(duì)于核電理論教學(xué)培訓(xùn)具有積極的作用，可以有效提高工作效率。

圖1 核電廠房環(huán)境構(gòu)建流程Fig.1 The construction process of nuclear power plant environment

1 核電廠廠房環(huán)境構(gòu)建

1.1 構(gòu)建流程

通過三維建模，逆向掃描，美術(shù)引擎渲染一比一還原核電廠廠區(qū)，以及核島、汽輪機(jī)各個(gè)廠房內(nèi)部的場景。該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)首先需要進(jìn)行高精度虛擬現(xiàn)實(shí)場景構(gòu)建，通過三維建模技術(shù)對(duì)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行建模，并且經(jīng)過模型輕量化、美術(shù)渲染及粒子系統(tǒng)來制作特效，并使用多種粒子特效的組合以實(shí)現(xiàn)水蒸氣、水流、氣泡、設(shè)備爆裂等效果。合理地利用實(shí)時(shí)、烘焙、混合等燈光技術(shù)，使學(xué)員仿佛置身于真實(shí)的核電環(huán)境中。

1.2 三維建模

通過三維建模技術(shù)，對(duì)核電廠房、設(shè)備、系統(tǒng)和工具進(jìn)行外觀級(jí)三維建模。對(duì)于核電重大設(shè)備（反應(yīng)堆及壓力容器、穩(wěn)壓器、主泵、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、汽水分離器、除氧器），以及一回路及相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行高精度三維建模，確保數(shù)據(jù)的精確度及信息的準(zhǔn)確性、條理性。結(jié)合三維模型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場收集的照片和視頻等素材，一比一還原核電重大設(shè)備與一回路系統(tǒng)。在建立好模型的基礎(chǔ)上，調(diào)整模型的布線與頂點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。決策需要使用貼圖表現(xiàn)和模型表現(xiàn)的部分，需在保證高精度建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型輕量化的處理，在三維軟件中優(yōu)化和排除不合理的點(diǎn)線面，降低資源消耗，包括所有物體需要模塊化的需要大幅減少模型頂點(diǎn)數(shù)，模型數(shù)據(jù)規(guī)范，確保不存在游離點(diǎn)、大于四邊的面、法線翻轉(zhuǎn)的面、錯(cuò)誤的光滑組，模型命名科學(xué)統(tǒng)一。最終，保證模型可以在引擎中流暢運(yùn)行，利于編輯，并且高度還原原始場景。

圖2 核電廠三維模型Fig.2 Three-dimensional model of nuclear power plant

圖3 設(shè)備虛擬裝配Fig.3 Virtual assembly of equipment

1.3 美術(shù)渲染

制作的素材按照統(tǒng)一規(guī)范導(dǎo)入引擎，路徑和命名統(tǒng)一規(guī)劃。在引擎中制作材質(zhì)球并賦予物體，制作材質(zhì)將使用材質(zhì)實(shí)例化對(duì)材質(zhì)的最終渲染進(jìn)行優(yōu)化。視覺效果方面，采用顏色、高光與法線貼圖技術(shù)，以及使用Alpha透貼材質(zhì)對(duì)三維模型進(jìn)行美化和資源優(yōu)化，使得三維模型更加美觀逼真。采用若干實(shí)時(shí)光源外，其余燈光、陰影、反射均使用燈光烘培技術(shù)，為后臺(tái)運(yùn)行節(jié)省更多資源，降低硬件配置。管道內(nèi)的氣態(tài)介質(zhì)和液態(tài)介質(zhì)采用shader特效表現(xiàn)，通過持續(xù)偏移材質(zhì)的UV值實(shí)現(xiàn)液體流動(dòng)動(dòng)畫效果。

2 VR培訓(xùn)系統(tǒng)功能

2.1 部件結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

VR培訓(xùn)系統(tǒng)主要用于學(xué)員對(duì)核電廠內(nèi)部廠房、系統(tǒng)和設(shè)備的理論學(xué)習(xí)，熟悉各自的結(jié)構(gòu)和工藝原理。設(shè)備及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的功能包括：①實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆解與組裝，既可以手動(dòng)拆解與組裝展示，又可以剖面展示；②自動(dòng)拆解與組裝能手動(dòng)控制播放進(jìn)度；③選中的結(jié)構(gòu)部件能夠獨(dú)立旋轉(zhuǎn)、縮放。通過對(duì)遮擋部件的隱藏或半透明處理，直觀展示設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系以及工作過程動(dòng)畫。

圖4 仿真數(shù)據(jù)接口通訊架構(gòu)Fig.4 Simulation data interface communication architecture

2.2 工藝原理學(xué)習(xí)

核電重大設(shè)備和系統(tǒng)工作原理的展示，對(duì)于理論學(xué)習(xí)來說也是至關(guān)重要的，主要包括如下幾個(gè)部分的內(nèi)容：①設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)模擬展示，如設(shè)備中介質(zhì)的實(shí)際流動(dòng)情況；②介質(zhì)的相態(tài)轉(zhuǎn)變；③介質(zhì)溫度、流量等主要參數(shù)的變化；④設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部分如何運(yùn)轉(zhuǎn)等；⑤設(shè)備中其他特有的功能、工作原理的模擬；⑥將電廠流程圖中設(shè)備、管線、閥門、儀表等元素與虛擬工藝流程各部分關(guān)聯(lián)鏈接，流程圖成為虛擬場景中的快速導(dǎo)覽工具，可以讓學(xué)員直觀地在二維流程圖和三維模型中進(jìn)行切換。

2.3 理論考核

針對(duì)學(xué)員的學(xué)習(xí)情況，設(shè)置理論考核模塊。理論考核結(jié)合設(shè)備及系統(tǒng)的三維模型，設(shè)置考題對(duì)學(xué)員進(jìn)行理論考核，比如設(shè)備及系統(tǒng)工藝原理功能認(rèn)知；部件認(rèn)知手動(dòng)拆解與組裝考核，讓學(xué)員在規(guī)定的時(shí)間完成考核；考核結(jié)束后，自動(dòng)計(jì)算成績，顯示給學(xué)員。

3 仿真數(shù)據(jù)接口

通過把虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與仿真平臺(tái)對(duì)接，在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中對(duì)各種工況的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，并通過三維動(dòng)畫特效的方式展示出來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)培訓(xùn)場景的數(shù)據(jù)支撐。最后，需要開發(fā)軟硬件通訊接口，定義相應(yīng)的通訊規(guī)則和協(xié)議，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互功能，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的無縫集成，包括仿真平臺(tái)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)通訊。另外，系統(tǒng)需要具備擴(kuò)展性，學(xué)員提供了在不改變?cè)邢到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，通過系統(tǒng)提供的接口，向系統(tǒng)內(nèi)增加新功能的能力。

圖5 硬件交互設(shè)備架構(gòu)圖Fig.5 Hardware interactive device architecture diagram

4 VR硬件應(yīng)用

通過VR數(shù)據(jù)頭盔，立體沉浸式顯示系統(tǒng)把場景呈現(xiàn)在學(xué)員的眼前，學(xué)員可以利用手套、手柄等體感設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互，模擬出各個(gè)核電系統(tǒng)的狀態(tài)，達(dá)到親臨核電現(xiàn)場的體驗(yàn)。VR套件作為外接設(shè)備，提供輸入與交互的功能，配合后臺(tái)渲染服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和后臺(tái)服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，還可利用易用的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，融合視覺、聽覺和觸覺可感知的三維虛擬環(huán)境，結(jié)合圖像渲染系統(tǒng)、數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)手套以及人機(jī)交互系統(tǒng)和設(shè)備。支持多種發(fā)布方式，單機(jī)、多通道、立體顯示，操作簡單，具有良好的交互界面。學(xué)員可通過外設(shè)與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，以達(dá)到等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，其推廣與應(yīng)用也將更加廣泛。在核電理論教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以有效提升工作效率和節(jié)約成本。把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于核電理論教學(xué)領(lǐng)域，將填補(bǔ)國內(nèi)空白，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展，有利于建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)于提高國內(nèi)核電人才培養(yǎng)水平具有重要助推作用，對(duì)促進(jìn)核電的良好運(yùn)行有著深遠(yuǎn)的影響。