VR技術(shù)在核電站施工中的應(yīng)用研究

王晰+高揚(yáng)+雷欣

【摘 要】本文針對(duì)核電站施工特點(diǎn)以及施工過程中的實(shí)際需求，從技術(shù)手段上分析了VR技術(shù)與信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，提出了構(gòu)建核電站廠房實(shí)景系統(tǒng)的方案，結(jié)合VR技術(shù)與信息管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)核電站廠房施工過程的可視化管理，對(duì)核電站的施工管理進(jìn)行了積極探索。

【關(guān)鍵詞】VR；核電站；施工

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是近些年來在計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)之一，其目的是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建與現(xiàn)場(chǎng)一致的模擬真實(shí)環(huán)境，通過視覺、觸覺等多種手段，實(shí)現(xiàn)更高端的人機(jī)交互[1]。這一特點(diǎn)，使得VR在教育、軍事、航天、工程、煤礦、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

核電站的施工過程是一個(gè)需要多工種協(xié)調(diào)配合的復(fù)雜過程，利用目前流行的BIM技術(shù)可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備管道等的設(shè)計(jì)和布置進(jìn)行優(yōu)化和整合，極大提高施工效率。但電站的施工同時(shí)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，BIM對(duì)于施工動(dòng)態(tài)的記錄則缺少連續(xù)性和直觀性。隨著VR技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，對(duì)核電站的施工過程進(jìn)行連續(xù)記錄則成為可能，VR技術(shù)在核電站施工中的應(yīng)用對(duì)于施工效率的提高和施工經(jīng)驗(yàn)的承載都具有十分積極的意義。

1 核電站施工中的需求分析

華龍一號(hào)是我國(guó)自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)[2]，今后必將成為我國(guó)核電建設(shè)的主力堆型。由于核電項(xiàng)目建設(shè)的相似性和連續(xù)性，前期建造的核電項(xiàng)目對(duì)于后期項(xiàng)目在很大程度上具有重要的參考價(jià)值，尤其是在施工階段，設(shè)備或設(shè)施的安裝調(diào)試可能面臨一些預(yù)想不到的難題，這時(shí)參考電站的施工經(jīng)驗(yàn)則變得尤為重要。經(jīng)驗(yàn)的傳承往往以圖紙和文件為載體，但是這些資料往往不夠具有直觀性，因此，在解決個(gè)別問題時(shí)，設(shè)計(jì)、施工人員可能需要前往參考電站進(jìn)行實(shí)地勘察。然而隨著電站施工的不斷推進(jìn)，廠房?jī)?nèi)的狀態(tài)一直不斷變化，實(shí)地勘察的時(shí)機(jī)可能將不復(fù)存在。特別地，當(dāng)參考電站已經(jīng)進(jìn)入服役狀態(tài)，實(shí)地勘察也將會(huì)變得難以進(jìn)行。

使用VR技術(shù)定期采集各個(gè)廠房?jī)?nèi)的場(chǎng)景信息，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建核電站廠房的實(shí)景展示系統(tǒng)，則可以完整保存電站的施工情況，不僅為項(xiàng)目本身積累了重要的過程資料，也可為后續(xù)項(xiàng)目提供參考。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 用戶群分析

目前國(guó)內(nèi)核電項(xiàng)目大多采用EPC模式，核電項(xiàng)目中的施工反饋和設(shè)計(jì)改進(jìn)等工作主要集中在總承包公司內(nèi)完成[3]。因此，總承包公司是首要的潛在用戶。

土建公司和安裝公司是核電工程的具體實(shí)施者，核電項(xiàng)目的逐步擴(kuò)建使得建安公司的新增從業(yè)人員數(shù)量逐漸增加，高級(jí)技術(shù)人才的比例則因此降低。實(shí)景系統(tǒng)的使用對(duì)于建安公司的新員工盡快熟悉核電工程也具有很大幫助。

業(yè)主作為核電站的最終運(yùn)營(yíng)方，如果能從前期就介入核電站的施工，對(duì)于后期的運(yùn)維工作也具有積極意義。

綜上，核電站實(shí)景系統(tǒng)的用戶群為總承包公司、土建公司、安裝公司和業(yè)主。

2.2 系統(tǒng)物理構(gòu)架

系統(tǒng)采用了客戶端/服務(wù)器模式，通過廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了分布式可視化的信息管理，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器、界面服務(wù)器和客戶端組成，數(shù)據(jù)服務(wù)器和界面服務(wù)器位于總承包公司的管理中心，客戶端則位于用戶群的信息中心。

3 VR技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 建模方法概述

3.1.1 數(shù)據(jù)建模法

通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、管道布置等設(shè)計(jì)資料的收集和個(gè)別數(shù)據(jù)實(shí)地測(cè)量相結(jié)合的方式獲取廠房?jī)?nèi)的幾何信息和材料數(shù)據(jù)，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件建立類似于BIM的廠房模型。該方法建立的模型界面精致、材質(zhì)合理，但建立過程較為復(fù)雜。

3.1.2 掃描建模法

通過激光掃描儀在各個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，建立點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備獲取建筑物的表面數(shù)據(jù)。然后建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)和表面數(shù)據(jù)的映射，用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行三維點(diǎn)與表面數(shù)據(jù)的擬合，從而實(shí)現(xiàn)建筑物的模型重建。該方法建模較為精確，但是，資源消耗高，設(shè)備成本過大。

3.1.3 照片建模法

通過高分辨率全景照相機(jī)拍攝高精度的圖像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)視覺處理軟件對(duì)照片進(jìn)行處理，將2D的照片直接轉(zhuǎn)換為3D模型。該方法可以快速地獲取建筑模型。但該3D模型事實(shí)上為偽3D模型，即僅在視覺上呈現(xiàn)3D效果，但并不能通過該模型獲取空間中兩點(diǎn)的相對(duì)位置。

3.2 建模方法選定

通過以上3種建模方式的對(duì)比，可以明顯看出，照片建模法最為方便快捷，唯一的問題就是偽3D。然而近些年BIM技術(shù)也在不斷發(fā)展進(jìn)步，在核電項(xiàng)目中已經(jīng)逐漸開始使用類似的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)。BIM很好地解決了空間機(jī)構(gòu)中的碰撞問題，而VR系統(tǒng)則能完整地記錄過程信息。兩者可以互為補(bǔ)充，協(xié)同解決核電站施工。因此，建模方法選定為照片建模法。

3.3 VR全景圖的制作

傳統(tǒng)的三維全景圖是由多角度拍攝的數(shù)張照片使用軟件進(jìn)行拼接，再使用全景工具軟件制作而成[4]。近些年，部分相機(jī)中已集成拼接功能，所謂的全景相機(jī)已成為技術(shù)相對(duì)成熟的產(chǎn)品，使用全景相機(jī)可直接拍攝出高分辨率的全景圖像。再使用Pano2VR等軟件即可將全景圖像處理生成具有三維效果的swf格式的模型圖，該模型圖中可添加熱點(diǎn)，方便與廠房、設(shè)備信息系統(tǒng)融合。

4 VR系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的集成和使用

VR影像的采集因攝像技術(shù)要求以房間為單位，核電站中核島的輻射分區(qū)、設(shè)備布置等信息也恰好以房間為單位進(jìn)行劃分。因此，VR系統(tǒng)與電站內(nèi)其他類型的信息系統(tǒng)宜從房間層次融合，橫向延伸到所有廠房，縱向貫穿至各個(gè)標(biāo)高，最終形成整個(gè)核島的數(shù)據(jù)。使用者以VR界面為初始界面，即可開始在核電站廠房中的踏勘。對(duì)于想了解的設(shè)備，可利用其中的熱點(diǎn)直接鏈接至設(shè)備說明書或系統(tǒng)手冊(cè)，方便發(fā)散式獲取相關(guān)信息。

對(duì)于總承包公司、土建公司、安裝公司和業(yè)主均可開放寫入權(quán)限，即所有用戶只要按照規(guī)定要求采集影像，均可導(dǎo)入系統(tǒng)與其他用戶共享。在電站建設(shè)周期內(nèi)連續(xù)采集的數(shù)據(jù)可匯總實(shí)現(xiàn)“時(shí)間線”功能，即類似于延時(shí)攝影的高速回放，隨時(shí)瀏覽某房間從初始時(shí)間到當(dāng)前觀察節(jié)點(diǎn)的安裝進(jìn)度情況。

5 結(jié)語

基于VR技術(shù)拓展并搭建的核電站廠房實(shí)景系統(tǒng)集成了虛擬現(xiàn)實(shí)、信息管理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，構(gòu)建了一整套針對(duì)核電站施工階段廠房?jī)?nèi)形貌及房間內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備的管理系統(tǒng)，有助于總承包公司直觀地了解施工進(jìn)度，有助于建安公司合理地調(diào)配施工進(jìn)程，有助于業(yè)主完整地記錄電站的過程信息，具有很強(qiáng)的可延伸性和可拓展性，對(duì)優(yōu)化核電站的施工管理具有重要的意義。本系統(tǒng)目前已完成底層平臺(tái)的搭建，隨著后期的數(shù)據(jù)錄入和影像采集，必將在核電項(xiàng)目的建設(shè)中發(fā)揮實(shí)際作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版，2015.

[2]邰江.“華龍一號(hào)”安全特性分析[J].中國(guó)核電，2015，8（4）：293-299.

[3]李京彥.設(shè)計(jì)管理在核電EPC項(xiàng)目中的實(shí)施[J].中國(guó)核電，2009，2（3）：249-257.

[4]張曉亮，李麗.全景圖拼接技術(shù)研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2011（19）：27-30.endprint