核設(shè)施退役場(chǎng)景的仿真實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

晁楠，劉永闊，李夢(mèng)堃，彭敏俊，王雙宇，袁成前

哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

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核設(shè)施退役場(chǎng)景的仿真實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

晁楠，劉永闊，李夢(mèng)堃，彭敏俊，王雙宇，袁成前

哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

摘要：從核設(shè)施退役的需求出發(fā)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)核設(shè)施退役場(chǎng)景進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，提出了一種核設(shè)施退役仿真的實(shí)現(xiàn)方法。研究中利用Unigraphics(UG)三維建模軟件建立退役人員、工具及核設(shè)施的三維(3D)模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用C#4.0語(yǔ)言和WPF(windows presentation foundation)實(shí)現(xiàn)了三維仿真漫游、場(chǎng)景布置、虛擬人仿真控制等交互功能，提供了基于手動(dòng)模擬與優(yōu)化路徑模擬2種工作方案規(guī)劃方式，開發(fā)了核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)核設(shè)施退役三維場(chǎng)景的虛擬仿真。

關(guān)鍵詞：核設(shè)施；虛擬現(xiàn)實(shí)；退役；安全性；仿真培訓(xùn)；手動(dòng)模擬；優(yōu)化路徑模擬

劉永闊(1977-)，男，副教授，博士.

核設(shè)施運(yùn)行一定年限后需要退出服役過程，由于其運(yùn)行環(huán)境帶有放射性，同時(shí)考慮到人員訓(xùn)練安全、訓(xùn)練成本等因素，使得退役工作存在很大難度。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，目前世界有核國(guó)家普遍采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)環(huán)境下的人員培訓(xùn)。國(guó)外對(duì)核設(shè)施退役方面的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究比較早，世界核工業(yè)界針對(duì)不同類型核設(shè)施退役取得了不少經(jīng)驗(yàn)[1-2]，相關(guān)的軟件支持也得到了很多成果[3-5]。其中，比利時(shí)開發(fā)了用于工作前培訓(xùn)的三維可視化ALARA計(jì)劃工具(VISIPLAN 3D ALARA planning tool)[6]；歐洲核能機(jī)構(gòu)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬退役拆除工作，并培訓(xùn)操作人員和評(píng)價(jià)拆除裝置的性能[7]；巴西核工程研究所利用游戲引擎Unreal模擬輻射場(chǎng)三維場(chǎng)景，用于輻射場(chǎng)工作人員的培訓(xùn)[8]等。我國(guó)對(duì)于核設(shè)施退役方面的相關(guān)研究還十分缺乏。文中考慮到核設(shè)施退役的需求，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)，工作人員通過與三維場(chǎng)景的交互，熟悉退役場(chǎng)景和工作流程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人員培訓(xùn)、提高操作安全性與優(yōu)化退役方案的目的，研究成果可以為核設(shè)施退役工作提供一定的參考和借鑒。

1核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)構(gòu)建

核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)基于Visual Studio.Net 2010平臺(tái)，采用WPF開發(fā)。系統(tǒng)構(gòu)建流程如圖1所示，主要分為3個(gè)部分：核設(shè)施三維建模、虛擬人動(dòng)畫建模、仿真程序的開發(fā)。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)建流程

2三維場(chǎng)景的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1三維模型的建立

核設(shè)施與虛擬人的3D模型在UG中建立，根據(jù)三維模型各部分之間的父子關(guān)系，采用樹狀結(jié)構(gòu)構(gòu)建，建立好的模型需要進(jìn)行大量的優(yōu)化工作和必要的格式轉(zhuǎn)換，最終獲得精簡(jiǎn)準(zhǔn)確的三維模型文件。研究中所使用的靜態(tài)三維模型格式為“.obj”格式，“.obj”文件是Wavefront公司開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)3D模型文件格式，很適合用于不同3D模型格式之間的互導(dǎo)。核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有模型導(dǎo)入接口，該接口按照樹狀層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和保存3D模型，能夠?qū)⒉煌脑O(shè)備模型導(dǎo)入到核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真程序中，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)場(chǎng)景仿真。模型導(dǎo)入后的效果如圖2所示。

圖2　導(dǎo)入3D模型

2.2場(chǎng)景規(guī)劃功能的實(shí)現(xiàn)

1)模型操作

核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)對(duì)3D模型的操作能力是實(shí)現(xiàn)布置虛擬場(chǎng)景、虛擬拆除演示功能的基礎(chǔ)。3D模型在核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真程序內(nèi)部由WPF的Model3DGroup類按父子關(guān)系存儲(chǔ)。利用碰撞檢測(cè)判斷所選模型所屬的子Model3DGroup對(duì)象，可以對(duì)該部分模型進(jìn)行刪除、重定位和重定向。同理將此所選的子Model3DGroup對(duì)象作為父節(jié)點(diǎn)，可以添加其他3D模型。在執(zhí)行模型操作時(shí)，首先選取模型上一點(diǎn)，通過碰撞檢測(cè)獲取該點(diǎn)處的最小Model3DGroup對(duì)象，通過將該對(duì)象與坐標(biāo)變換工具綁定，實(shí)現(xiàn)對(duì)象與坐標(biāo)變換工具的同步變換；若將此Model3DGroup對(duì)象作為父代容器，可以在其下添加另一子Model3DGroup對(duì)象，則實(shí)現(xiàn)模型的添加；相反，若將此Model3DGroup對(duì)象從父代節(jié)點(diǎn)移除，實(shí)現(xiàn)模型的刪除操作。其中，3D模型平移的效果如圖3所示。

圖3　平移3D模型效果

2)路徑標(biāo)記

為模擬實(shí)際退役工作人員在核設(shè)施場(chǎng)景中的工作過程，在核設(shè)施虛擬場(chǎng)景中需要給虛擬人員設(shè)計(jì)工作路徑并提供輻照劑量最小的最優(yōu)工作路徑。工作路徑的設(shè)計(jì)采用手動(dòng)添加路徑節(jié)點(diǎn)來完成，最優(yōu)路徑的搜索可根據(jù)具體需求通過優(yōu)化算法獲取，也可借鑒機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)的路徑規(guī)劃方法[9-10]，本次研究采用局部導(dǎo)航算法[11]搜索最優(yōu)路徑。算法將路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過劑量計(jì)算模塊接口傳遞到三維場(chǎng)景中，在三維場(chǎng)景中通過在路徑節(jié)點(diǎn)處添加路標(biāo)和路線，將路徑進(jìn)行可視化展示。最優(yōu)路徑計(jì)算界面如圖4，最優(yōu)路徑在三維場(chǎng)景中的展示效果如圖5。

圖4　最優(yōu)路徑計(jì)算界面

圖5　三維場(chǎng)景最優(yōu)路徑展示

3)漫游

三維漫游是指在一個(gè)真實(shí)或假想場(chǎng)景的虛擬空間中，用戶可以借助必要的外部設(shè)備從任意角度對(duì)環(huán)境進(jìn)行觀察，也稱為交互式的虛擬漫游。研究中采用了3種漫游方式：自主漫游、路徑漫游、視角切換漫游。自主漫游功能通過WPF的3D開發(fā)幫助類來實(shí)現(xiàn)。操作中采用鼠標(biāo)和鍵盤作為控制器，控制各個(gè)角度的變換，增強(qiáng)虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感。路徑漫游是將攝像機(jī)和虛擬人關(guān)聯(lián)，以虛擬人的視角按照預(yù)先設(shè)置的路徑自行移動(dòng)觀察虛擬場(chǎng)景，路徑漫游避免了自主漫游過程中較復(fù)雜的控制方式[12]。視角切換漫游根據(jù)用戶預(yù)先保存的幾組模型姿態(tài)或視角，攝像機(jī)平滑地從當(dāng)前視角過渡到下一個(gè)視角，該方法適合用戶對(duì)場(chǎng)景中幾個(gè)常用的區(qū)域進(jìn)行瀏覽。

路徑漫游與視角切換漫游流程如圖6所示。

圖6　漫游路徑和視角切換漫游流程

自主漫游、路徑漫游和視角切換漫游的實(shí)際效果如圖7所示。

(a) 自主漫游

(b) 路徑漫游

(c) 視角切換漫游(1)

(d) 視角切換漫游(2)圖7　三種漫游效果

3虛擬人仿真控制的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1虛擬人動(dòng)作的建立

虛擬人模型由UG建模軟件來建立，利用ZAM3D設(shè)計(jì)虛擬人動(dòng)作，轉(zhuǎn)換成XAML格式的資源供核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)加載。ZAM3D是一種微型3D建模軟件，它可以創(chuàng)建網(wǎng)格，并設(shè)計(jì)動(dòng)畫，能夠?qū)⒆约旱妮敵鑫募?dǎo)出成WPF能夠識(shí)別的XAML文件。研究中將虛擬人、動(dòng)作分別建立獨(dú)立的模型資源，可實(shí)現(xiàn)模型的重復(fù)利用與資源重新組合，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。資源制作流程如圖8所示。

圖8　資源制作流程

3.2虛擬人控制的實(shí)現(xiàn)

虛擬人仿真控制是人機(jī)交互的重要組成部分，用戶通過人機(jī)界面、鼠標(biāo)與虛擬對(duì)象交互，實(shí)現(xiàn)基本的工作演示。WPF提供了豐富的動(dòng)畫類集合[13]，研究中采用了關(guān)鍵幀動(dòng)畫，仿真程序內(nèi)部通過動(dòng)作列表中的動(dòng)作序列，依次將不同動(dòng)作資源與不同種類虛擬人進(jìn)行重新組合綁定，完成虛擬人的動(dòng)作切換銜接，實(shí)現(xiàn)工作序列的順序模擬。其仿真設(shè)置流程如圖9所示。虛擬人的行為控制同樣可以通過鍵盤直接進(jìn)行操作。

圖9　虛擬人動(dòng)作設(shè)置流程

4核設(shè)施退役場(chǎng)景的仿真實(shí)現(xiàn)

核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的仿真效果如圖10所示。圖中操作序列為：1)布置虛擬場(chǎng)景，向虛擬場(chǎng)景中添加退役工具，并進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等操作，效果如圖10(a)所示；2)添加3個(gè)虛擬人，并手動(dòng)為每個(gè)虛擬人設(shè)置工作路徑，效果如圖10(b)所示；3)模擬多人工作場(chǎng)景，設(shè)置虛擬人動(dòng)作序列，并控制播放，效果如圖10(c)、(d)所示，其中設(shè)置一位虛擬人拾起物體，設(shè)置另一位虛擬人觀察場(chǎng)景，其他動(dòng)作均設(shè)置為行走。

(a) 布置虛擬場(chǎng)景

(b) 設(shè)置虛擬人路徑

(c) 設(shè)置虛擬人動(dòng)畫

(d) 虛擬人拾取動(dòng)畫圖10　核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真效果

5結(jié)束語(yǔ)

文中利用C#4.0語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的開發(fā)，完成了3D模型導(dǎo)入、場(chǎng)景布置、路徑設(shè)置、漫游等功能，并利用鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備與核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)交互，可以滿足核設(shè)施退役三維場(chǎng)景操作、漫游的基本需求。研究中實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中虛擬人的仿真控制，能夠?qū)崿F(xiàn)多人工作的設(shè)置與展示。通過實(shí)際3D模型的測(cè)試，核設(shè)施退役場(chǎng)景仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)核設(shè)施退役三維場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，為實(shí)現(xiàn)核設(shè)施退役的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模塊的開發(fā)提供一定的參考。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20151206.1016.014.html

A scene simulation system for decommissioning of nuclear facilities

CHAO Nan, LIU Yongkuo, LI Mengkun, PENG Minjun, WANG Shuangyu, YUAN Chengqian

A Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

Abstract：The objective of this paper is to develop a simulation method to meet the demand of nuclear facilities decommissioning. Virtual reality technology is applied in planning and designing decommissioning scenarios of nuclear facilities. The research uses Unigraphics (UG) three-dimensional (3D) modeling software to establish a 3D model, for retired personnel, tools and nuclear facilities. On this basis, by using C# 4.0 language and windows presentation foundation(WPF), the research realizes the 3D simulation roaming, scene arrangement, simulation control of virtual human and other interactive features, provides a planning way based on two types of working plans, namely manual simulation and optimized route simulation, and develops a simulation system for decommissioning scene of nuclear facilities. The results of the research show that the system is able to realize virtual simulation of 3D scene for decommissioning of nuclear facilities.

Keywords：nuclear facilities; virtual reality; decommissioning; safety; simulation training; manual simulation; optimized route simulation

通信作者：劉永闊，E-mail：liuyongkuo@hrbeu.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介：晁楠(1991-)，男，博士研究生；

收稿日期：2015-02-28.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-12-06.

中圖分類號(hào)：TL36

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-671X(2015)06-062-05

doi:10.11991/yykj.201502008