一種開發(fā)核電廠虛擬教學模型方法研究

李向昭 崔龍波 楊磊

摘 要：本文總結了國內外核電廠虛擬模型系統(tǒng)研究及開發(fā)現狀，分析了當前虛擬模型開發(fā)復雜度、性能及價格之間的關系和矛盾。在此基礎上利用Google Sketchup， D Fusion， Unity3d等共享軟件以及Kinect， PC等設備組成了一套虛擬模型支持與開發(fā)系統(tǒng)，嘗試制作了反應堆核心三維結構和廠區(qū)動態(tài)漫游系統(tǒng)，日常教學結果表明較好。系統(tǒng)的搭建和使用難度低，總開發(fā)時間在三周左右。上述結果表明該系統(tǒng)平臺低廉且搭建簡單，開發(fā)效率讓人滿意，適合非圖形建模專業(yè)個人或小組使用。（本文原刊于南京師大學報社會科學版2014年8月）

關鍵詞：虛擬核電廠模型；增強現實技術；體感技術； 實用解決方案；

基金項目：山東省高校教學改革（重點）項目（編號：2012025）；煙臺大學教學改革與研究（重點）項目（編號：A009）

1 引言

核電廠因結構復雜，涉及學科門類多，部分廠區(qū)存在高放射性有停留時限等特點，使得有關工作如工程設計、人員培訓、退役計劃制定、學生專業(yè)教育等需要借助各種模型系統(tǒng)來進行。

對于高校專業(yè)教學用核電廠模型，要求堆型齊全，注重設施設備的工作原理、運行流程、工程組件結構及安裝拆卸等細節(jié)展示，訓練方式靈活多樣，對系統(tǒng)價格和自主升級也很關心。目前滿足以上條件的可選方案較少，本文利用近年來快速發(fā)展的增強現實、體感及三維投影等技術，嘗試提出了一套虛擬核電廠教學模型的實用開發(fā)與支持系統(tǒng)方法。

2 核電廠模型系統(tǒng)發(fā)展現狀

目前核電廠模型可以分為實物和虛擬模型兩大類。前者的優(yōu)點是直觀，技術難度低；缺點是靈活性不高，與理論教學銜接不足，多用于入門教學。虛擬模型是隨著虛擬現實技術[1]的發(fā)展而出現的，其依托計算機生成逼真的虛擬動態(tài)場景，支持用戶互動，用戶自然沉浸感好，還可以根據需要切換不同訓練場景，使學員得到有效訓練，進而順利過渡到現實工作場合，整體效費比達到最優(yōu)。

從國外情況來看， I.Yukihiro等[2]在日本Fugen核電廠的退役工程支持系統(tǒng)中開發(fā)了基于虛擬現實技術的輻射劑量評估系統(tǒng)，G. Romero等[3]開發(fā)了變電站虛擬現實仿真系統(tǒng)，2011年俄羅斯RosEnergoAtom公司應用虛擬現實技術來展示核電站的三維全景，2012年英國謝菲爾德核技術先進制造研究中心（NAMRC）利用虛擬現實系統(tǒng)來輔助核電廠設計和制造大型復雜設備部件。

從國內情況來看，目前多家科研院所在核電站虛擬3D漫游[4] 和綜合仿真 [5，6]，核設施輻射劑量場展示[7]，反應堆退役虛擬演練系統(tǒng)[8，9]等多方面開展了大量研究工作。工程應用領域方面，中廣核仿真技術有限公司等開發(fā)了系列核電站全范圍模擬機，中視典、曼恒數字、大連偉岸縱橫科技等公司各自開發(fā)有核電應急及培訓用虛擬模型系統(tǒng)。

目前核電廠仿真模型的研發(fā)機構逐漸增多并產生了很多成果，但與高校教學存在如下矛盾：

1）目前絕大多數虛擬模型系統(tǒng)多采用全套專有虛擬現實硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，費用昂貴動輒上百萬乃至千萬元。

2）目前虛擬系統(tǒng)的人機接口有實物模擬機和鍵盤鼠標兩大類，前者專業(yè)性強但價格昂貴，裝備數量少，不適合學生日常教學；后者價格便宜，數量多但用戶真實感和代入感不足，相比提高學生實踐能力的教學初衷仍顯不足。用“經驗之塔”教育理論[10]來分析，核工程專業(yè)學生最缺的就是“做的經驗”即實踐環(huán)節(jié)有待強化。為此需要尋找合理折中的技術手段。

3）基于商業(yè)考慮，系統(tǒng)提供商不會開放相關模型組件和源代碼，而從教學角度來看，為提高專業(yè)教學質量和突出特色，用戶勢必要進行二次開發(fā)，這類矛盾難以解決。

隨著國內核能核電事業(yè)的迅速發(fā)展，目前國內高等院校多開設核工程專業(yè)，對核電廠教學模型系統(tǒng)需求多，同時要求模型在系統(tǒng)開發(fā)難度、靈活性、費用及代碼透明度等方面能合理折中，而目前可選方案很少，為此開展有關技術方法研究十分有必要。

3 虛擬模型開發(fā)有關新型技術

目前虛擬模型系統(tǒng)設備包括圖形工作站、三維投影系統(tǒng)、三維空間跟蹤定位設備、數據手套（衣）、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境等，系統(tǒng)復雜且價格昂貴。隨著近幾年來有關圖形處理器、體感、增強現實、三維投影等新技術的發(fā)展，使得組建一套效費比高的虛擬模型開發(fā)與支持系統(tǒng)變得可行。

3.1 可編程計算圖形處理器

近幾年來GPU（Graphic Processing Unit， 圖形處理器）性能提高很快，另外出現了CUDA（Compute Unified Device Architecture，統(tǒng)一計算設備架構）和OpenCL（Open Computing Language，開放計算語言） 等GPU通用編程開發(fā)平臺，使得GPU在通用領域應用迅速擴展，運算性能是同代CPU的十幾至上百倍。

3.2 體感設備

Kinect是微軟公司2010年推出的新型體感設備，具備多人空間位置即時定位及姿態(tài)辨識，影像攝錄，語音識別等功能， 2011年SDK的推出使其應用從游戲迅速擴展到了自動控制、機器人視覺、虛擬實驗等多個領域，最新Kinect2更增加了手指動作辨識、面孔識別等新功能。

Kinect售價低廉，支持通用編程，能替代數據衣、數據手套、麥克風、3D攝像頭等多種標記辨識設備，顯著降低了虛擬模型系統(tǒng)中輸入設備的復雜度，未來將成為虛擬模型系統(tǒng)的重要組成部分。

3.3 增強現實技術及開發(fā)工具

增強現實技術起源自虛擬現實技術，但與后者不同的是用戶不是處在完全由系統(tǒng)產生的虛擬場景中，而是處在系統(tǒng)攝錄用戶所處的真實場景后再疊加由計算機產生的虛擬物體后形成“混合”場景中，更符合人類的認知習慣，構建成本也更低廉，硬件設備僅需要PC機、體感設備及必要顯示設備即可，開發(fā)支持系統(tǒng)較多如Unity3D、DFusion、EON等，且都有共享版本可用。

4 虛擬開發(fā)及支持系統(tǒng)設計

4.1 硬件系統(tǒng)

本文所提系統(tǒng)的硬件部分組成簡單，僅需圖形工作站、Kinect、屏幕、3D投影儀和眼鏡，系統(tǒng)開發(fā)則只需PC機、Kinect、顯示器等。好處如下：

（1）系統(tǒng)簡化使得設備初期投資小、日常維護簡單。

（2）可直接獲得所需場景，開發(fā)人員能集中開發(fā)模型系統(tǒng)，從而減輕開發(fā)難度和工作量。

4.2 軟件系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)布局示意圖

軟件系統(tǒng)包括圖形建模和系統(tǒng)開發(fā)兩部分。綜合考慮制作效果、學習難度和費用等因素，圖形建模選擇了Google Sketchup，其具有簡單易用、免費模型庫支持、效果明快等優(yōu)點，適合非專業(yè)建模人員使用。系統(tǒng)開發(fā)選擇了DFusion和Unity3D，前者著重增強現實建模，后者則在地形和動態(tài)跟蹤方面簡單易行，均支持Kinect。開發(fā)語言選擇了C#，因其具備大中型系統(tǒng)開發(fā)支持能力，其內存自動回收機制能保證系統(tǒng)整齊度和代碼健壯性，降低工作爛尾風險。

基于上述方案，系統(tǒng)整體布局如下圖1所示，每次可供10人左右單獨或合作展開互動培訓操作。

5 教學模型實例開發(fā)

組建完開發(fā)系統(tǒng)后，即進入虛擬核電廠教學模型分析和開發(fā)工作階段。從實際需要出發(fā)，模型的功能分類[4，5，9]如圖2所示，模型所需數據參考自核電廠工程技術手冊[11，12]。

圖2 系統(tǒng)的功能關系

從軟件工程設計角度來看，模型應包括設施設備組件模型庫、動作（漫游、安裝、拆卸）記錄數據庫、輻射劑量數據庫、物理分析與計算模塊、場景模塊、虛擬人、體感設備輸入接口等，涉及三維圖形建模、機械裝配、輻射物理計算、學習關卡設定、設備驅動等多領域內容，因此盡量采用自動化開發(fā)工具并按照功能模塊分階段開發(fā)以降低開發(fā)風險是非常必要的。

圖3 核電廠整體布局展示

圖4 反應堆結構展示

經過論證與嘗試開發(fā)，目前初步實現了靜態(tài)三維展示（核電廠整體布局和反應堆內部結構）如圖3和圖4所示，以及核電廠區(qū)的動態(tài)漫游如圖5所示。

靜態(tài)模型采用Google Sketchup 8.0和DFusion完成，用戶通過移動、轉動標記物，能從任意角度查看核電廠和反應堆的3D構造，模型能任意放大縮小，進而查看各個子設施細節(jié)。從學生反饋情況來看，相比圖片和實物模型，教學效果要更深刻。

圖5 廠區(qū)漫游功能

漫游功能由Google Sketchup 8.0、Unity3D和Kinect實現，目前暫用坦克模型作為第一視角對象。通過人體姿態(tài)配合Kinect或鼠標鍵盤，可以控制坦克移動、轉動，進入廠區(qū)、山谷任意位置對視野內的物體進行觀察，還可以縮放視野進行廠區(qū)總覽或觀察設施細節(jié)，配合設備支持，在一定程度上可以代替實地參觀。

6 結論

本文提出了一種虛擬模型支持與開發(fā)系統(tǒng)，硬件少且組建方式簡單，整體費用低，且充分考慮了開發(fā)者非專業(yè)圖形建模人員。整體工作花費時間在三周左右，主要困難在于模型建模。從學生反饋結果來看，體感設備的引入使得模型能夠保證較好的用戶代入感和真實感。

隨著開發(fā)者知識結構、工具使用經驗和協(xié)作能力進一步的磨合和提高，開發(fā)效率、模型質量還會有進一步提高。同時所用的軟硬件工具大部分都基于新型技術，改進和換代速度很快，這會進一步增加上述方案的可用性和效能。（本文原刊于南京師大學報社會科學版2014年8月）

參考文獻

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作者簡介

李向昭：（1965- ），男，本科，實驗師，主要研究方向：電子教育教學。

* 通信作者：楊磊，男，講師