核電站電氣設(shè)備3D仿真培訓(xùn)技術(shù)研究

張 軒

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

隨著我國核電事業(yè)的不斷發(fā)展，核電站的電氣設(shè)備復(fù)雜度也在不斷提升，電氣設(shè)備是保證核電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備[1]。針對(duì)核電站電氣設(shè)備開發(fā)三維可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其直觀地調(diào)試與仿真，保證運(yùn)維人員的能夠快速、扎實(shí)地提升技術(shù)水平。

目前，國內(nèi)外已有高校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)新型站內(nèi)電氣設(shè)備的仿真方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]提出了一種將站內(nèi)電氣設(shè)備和軟件技術(shù)相結(jié)合的混合仿真方式，這種方式雖然能夠較為直接地反映出站內(nèi)電氣設(shè)備的工況，但投入的成本巨大并且拓展性較低。文獻(xiàn)[4]依據(jù)可擴(kuò)展對(duì)象庫，提出了一種三維仿真平臺(tái)的構(gòu)建方法，該方法雖然能夠有效提升系統(tǒng)的擴(kuò)展性，但其無法有效反映出站內(nèi)的信息交互。總而言之，目前的方法大多面向智能化變電站[5]，電氣設(shè)備三維可視化技術(shù)在核電站中應(yīng)用較少。

本文針對(duì)核電站電氣設(shè)備3D仿真培訓(xùn)技術(shù)的不足，提出一種對(duì)核電站電氣設(shè)備3D可視化仿真技術(shù)?；?DMAX軟件構(gòu)建核電站電氣部分的3D虛擬場(chǎng)景，使亟待培訓(xùn)的運(yùn)維人員面對(duì)逼真的動(dòng)畫場(chǎng)景，提高3D可視化仿真培訓(xùn)界面的真實(shí)性，使相關(guān)運(yùn)維人員能夠產(chǎn)生直觀的視覺沖擊，提高培訓(xùn)的效果。

1 核電站電氣設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

核電站電氣設(shè)備3D仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是基于實(shí)際的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)建的3D可視化的虛擬核電站培訓(xùn)環(huán)境，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，如圖1所示。

核電站電氣設(shè)備3D虛擬模型可以分為規(guī)則模型和不規(guī)則模型兩大類。其中，規(guī)則模型包括長方體、球體、圓柱體等，對(duì)應(yīng)的實(shí)際電氣設(shè)備如互感器、線路、桿塔、斷路器等。規(guī)則模型為外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電氣設(shè)備，如變壓器、隔離開關(guān)、絕緣子串等。針對(duì)上述兩種類型的3D虛擬模型，可以分別采用簡單建模法和多邊形建模法。

簡單建模法采用長方體、球體、圓柱體等基本圖形對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行3D構(gòu)建，但其只能完成設(shè)備的主體架構(gòu)的設(shè)計(jì)，無法對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)致的描述，因此還需要多邊形建模法對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行處理。

多邊形建模需要使用3DMAX軟件，對(duì)相關(guān)模型進(jìn)多邊形行編輯和修改，具體方法為：（1）創(chuàng)建電氣設(shè)備主體，并將其轉(zhuǎn)化為可編輯的多邊形；（2）對(duì)設(shè)備主體進(jìn)行點(diǎn)或面的編輯和修改，得到成型的3D電氣設(shè)備；（3）用3DMAX軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行渲染。以核電站變壓器為例，所得到的3D變壓器效果圖如圖2所示。

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

圖2 變壓器3D虛擬模型

2 3D仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

2.1 核電站電氣部分主體構(gòu)建

3D虛擬核電站電氣設(shè)備仿真系統(tǒng)的建模工作龐大，依據(jù)前文所述，必須運(yùn)用3DMAX進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，將核電站電氣部分的主接線以及各個(gè)設(shè)備的建筑圖紙導(dǎo)入3DMAX中，使用簡單建模法和多邊形建模法進(jìn)行同比例建模，同時(shí)還需建立相關(guān)的電氣二次設(shè)備及二次回路的3D虛擬模型，例如各種互感器、控制機(jī)柜以及繼電保護(hù)機(jī)柜等。完成各個(gè)設(shè)備的獨(dú)立3D虛擬建模后，需要依據(jù)設(shè)備的地理位置對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行安放，并依據(jù)主電路圖紙將設(shè)備進(jìn)行連接，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(chǎng)景及電氣部分場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 核電站3D虛擬模型

2.2 仿真系統(tǒng)主界面構(gòu)建

仿真系統(tǒng)的主界面包括用戶注冊(cè)登錄界面以及仿真培訓(xùn)主菜單界面，如圖4所示。

用戶注冊(cè)登錄界面是每一個(gè)完整操作系統(tǒng)都必需的界面，可以保證每個(gè)待培訓(xùn)的運(yùn)維人員都能夠完成相關(guān)的培訓(xùn)演練。通過在Canvas創(chuàng)建Button、InputFiled和Text控件完成登錄界面制作，當(dāng)學(xué)員單擊注冊(cè)按鈕后，跳出注冊(cè)界面，判別學(xué)員所輸入的注冊(cè)用戶名是否已經(jīng)被占用。已經(jīng)注冊(cè)過的學(xué)員在輸入用戶名和密碼后，點(diǎn)擊登錄，即可進(jìn)入自己的核電站電氣設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，完成相關(guān)的培訓(xùn)與練習(xí)。

學(xué)員登錄系統(tǒng)后進(jìn)入仿真培訓(xùn)主菜單界面，主菜單清晰明了，包含了“設(shè)備學(xué)習(xí)”“操作演練”“漫游巡視”“故障仿真”四個(gè)按鈕。點(diǎn)擊不同的按鈕，即可打開對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)和練習(xí)界面。

2.3 虛擬漫游技術(shù)

學(xué)員可以通過虛擬漫游技術(shù)在核電站電氣部分場(chǎng)地中360°無死角地觀察各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行工況，同時(shí)虛擬場(chǎng)地中的攝像機(jī)會(huì)上傳其所在的位置信息，該信息將在漫游界面的小地圖中顯示，使學(xué)員更加清晰明了地了解自己所在的位置。常規(guī)的漫游操作僅需要通過鍵盤方向鍵以及鼠標(biāo)控制，同時(shí)還可以在小地圖中進(jìn)行選址，瞬間移動(dòng)至學(xué)員需要觀察的電氣設(shè)備，學(xué)員的巡視記錄以及對(duì)電氣設(shè)備的相關(guān)操作會(huì)被保存并審核。

學(xué)員在漫游的同時(shí)，還可以進(jìn)入飛行模式，即可以在不同的高度對(duì)核電站電氣設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，將飛行模式與地面漫游相結(jié)合，使學(xué)員能夠全方位地了解核電站電氣設(shè)備的場(chǎng)景切換，從而提高仿真培訓(xùn)的效果。

室外主電路區(qū)域漫游效果及室內(nèi)控制區(qū)域漫游效果如圖5所示。

圖4 仿真系統(tǒng)的主界面

3 結(jié)論

本文基于3DMAX軟件提出了一種核電站電氣設(shè)備3D可視化仿真培訓(xùn)技術(shù)。首先，介紹了目前已有的電站電氣設(shè)備仿真技術(shù)的不足之處及其對(duì)新型核電站的不適用性。通過對(duì)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(gè)場(chǎng)景，使用虛擬漫游技術(shù)，從宏觀至微觀皆可查看。通過該技術(shù)，不但能夠充分提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率，也能為日后其他核電站可視化培訓(xùn)系統(tǒng)打下組件基礎(chǔ)，進(jìn)一步縮小開發(fā)成本。