VR和AR在核電領域中的應用前景

張勇衛(wèi)，宋小龍，岳小平，劉 琴，馬 宇

（中國核動力研究設計院，成都 610213）

隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機圖形學和人機交互技術的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術在浸入式多維體驗中的功能脫穎而出。中國力爭在2030年前達到二氧化碳排放量峰值，努力爭取2060年實現(xiàn)二氧化碳中和。推動低碳轉型的進程中，新能源一直是中國能源發(fā)展的重要方向。核電作為新能源中的佼佼者，其發(fā)展也必將受到新一輪政策的影響。將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術應用到核電工程的設計、施工、運行的全過程中，尋求更為高效、便捷、安全的方法，成為現(xiàn)階段核電工程發(fā)展的一條可選之路。

1 VR、AR的概念與核電工程

1.1 VR、AR的概念及發(fā)展

虛擬現(xiàn)實（VR-Virtual Reality），是指一種能夠使用戶沉浸到計算機生成的虛擬環(huán)境中并與其中的物體進行自然交互的新技術[1]。該虛擬環(huán)境由虛擬數(shù)據(jù)影像和用戶實體行為等信息仿真融合而成。用戶借助頭戴式顯示器、感覺手套等專業(yè)設備，通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。虛擬現(xiàn)實技術的要點在于：準確架構虛擬世界、真實反映感知信息、實現(xiàn)交互操作[2]。

增強現(xiàn)實（AR-Augmented Reality），是一種將真實世界和虛擬世界的信息集成新技術。結合計算機圖形圖像技術、空間定位技術、可視化以及交互技術，將現(xiàn)實世界難以呈現(xiàn)的輔助虛擬數(shù)據(jù)信息，通過增強現(xiàn)實設備疊加顯示在真實物理環(huán)境中。真實物體和虛擬信息通過增強現(xiàn)實技術相互補充、疊加。增強現(xiàn)實技術的核心在于：場景信息獲取、對場景信息跟蹤注冊、場景融合繪制、增強顯示信息[3]。

VR和AR均通過三維實現(xiàn)可視化的計算機仿真系統(tǒng)，區(qū)別在于：VR利用計算機創(chuàng)建一個與現(xiàn)實世界無關的虛擬空間，通過模擬真實環(huán)境令用戶沉浸其中，給人身臨其境的感覺；AR創(chuàng)造了一個與現(xiàn)實世界相關的虛擬空間，通過虛擬與現(xiàn)實世界的合成，形成與現(xiàn)實世界相關，但又不完全相同的超現(xiàn)實空間。

1.2 核電工程

2020年11月27日，華龍一號全球首堆首次并網(wǎng)成功，標志著中國打破外國核技術壟斷，正式進入核電技術先進國家行列[4]。中國核電自此開啟了三代核電的新篇章，實現(xiàn)了從核電大國到核電強國的跨越。核電工程從研發(fā)到設計再到施工、運行通常需要10年乃至更久的時間，且核電工程耗資巨大，工程量、信息量巨大，又對質量和安全的要求極高。在這種情況下，只有引入新技術，才能提高設計精度，縮短工程周期，提升運行安全性，降低工程成本。

2 VR、AR在核電工程設計階段的應用

2.1 核電工程的三維設計

核電站項目的三維設計工作主要分為：可行性研究、初步設計、施工設計3個階段。在三維設計過程中，土建、鋼結構、管道、設備、電纜通道、暖通等多個專業(yè)在同一平臺同時進行，目的是為了在核電站狹小的空間中避免碰撞和施工邏輯矛盾的同時，實現(xiàn)最大設計合理化及空間利用率。根據(jù)華龍一號設計和施工的經(jīng)驗，這個過程中暴露出5個問題：①部分人行通道和設備運輸通道設計有缺陷；②部分施工安裝空間與施工設備的匹配程度不高；③部分大型機械設備的運轉軌跡與其他設備碰撞；④部分檢修空間及檢修拆卸運輸?shù)耐ǖ啦蛔?；⑤模塊化程度還有待提高。以上問題在實際工程施工中才得以暴露，設計、業(yè)主、施工方投入了大量人力物力，通過各種手段進行更正，為此付出了高額的成本。針對以上問題，目前市場上可用軟件眾多，類似PDMS插件漫游功能可以在一定程度上給設計和施工人員提供幫助，但達不到理想效果。

2.2 VR在設計過程中的應用

結合VR的圖像技術、空間定位技術、可視化技術、交互技術，首先將PDMS建模的三維數(shù)據(jù)導出為TXT格式的文本，運算生成VR軟件可讀數(shù)據(jù)。然后，對讀入的PDMS數(shù)據(jù)進一步加工，賦予數(shù)據(jù)模型能夠和外接傳感器設備交互的功能。而后，通過VR軟件生成虛擬場景。最后，可行性研究階段的設計者完成初步模型設計后，借助頭戴式顯示器進入VR的虛擬核電站中?；赩R的特征和穿戴的傳感器，直接觀察、親身體驗模型虛擬現(xiàn)實是否合理，這是一般的三維軟件的碰撞檢查功能達不到的效果。設計者在該虛擬模型中可以便捷地實現(xiàn)以下工作：

1）在模型中行走，以檢驗人行通道、檢修通道的設計合理性。

2）結合實體工機具模擬實際施工工序，檢驗施工空間的設計合理性。

3）模擬大型設備的吊裝檢驗設備運輸通道的設計合理性。

4）給定參數(shù)模擬動設備的運轉空間合理性。

5）模擬復雜設備的裝配過程檢測設計合理性。

6）模擬控制室的操作工況，使布置合理。

設計者可以對體驗的結果進行分析，通過給定權限在浸入式模型中修改模型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時交互，從而讓設計更合理。

其技術要點在于：

a）數(shù)據(jù)轉換，即BIM、PDMS等三維模型數(shù)據(jù)轉換成VR可讀數(shù)據(jù)，VR場景數(shù)據(jù)轉換成BIM、PDMS可讀數(shù)據(jù)。

b）研制高度敏感的點、線、面碰撞傳感器，及時反饋實物與虛擬模型之間或者多個虛擬模型之間碰撞的程度。

c）核電站的體量大，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實，需要計算機生成龐大的數(shù)據(jù)并流暢使用。

d）模型設計的精度要求高，需要大量前期材料、設備、土建等數(shù)據(jù)。

目前，VR的使用已不局限于室內既定的體驗區(qū)，它還可以在任何復雜多變的項目現(xiàn)場使用。設計者結合項目現(xiàn)場的實際地理位置和環(huán)境因素能夠設計出更具有針對性、更合理的模型。

2.3 AR在橫向設計過程中的應用

在役核電站的設計任務被稱作橫向設計。橫向設計、施工任務有幾個特點：工程窗口期極短、環(huán)境復雜、輻射劑量大、施工難度極大，整合的資料量大等。通過前期工程中形成的AR數(shù)據(jù)庫，設計者可直接實時了解電廠運行狀態(tài)，無需到工程現(xiàn)場就可以整合資料，得到設計的先決條件，從而給出更好的設計方案。如在役核電站的部分區(qū)域輻射劑量大，在不停堆的情況下，可以通過AR技術結合攝像頭全方位掃描現(xiàn)場場景形成虛擬模型，從而了解現(xiàn)場實際情況和測量現(xiàn)場數(shù)據(jù)。完成設計后，通過投影設備將修改方案投射到相應位置，通過遠程觀測檢測設計的合理性。

3 VR、AR在施工階段的應用

3.1 核電工程施工的難度及特點

核電站屬于大型工業(yè)建筑，結構復雜，建設周期長，秉承“安全第一、質量第一”和“三個凡是”的建設原則，建設施工階段需要土建、機械、電氣、管道、暖通、消防等多個專業(yè)合力完成。核電站施工有以下難點和特點：

1）工程量巨大且要求真實詳盡的施工記錄。

2）設備、材料價值高，浪費的代價高。

3）施工空間狹小、施工邏輯順序要求極為嚴謹。

4）多專業(yè)協(xié)同開展、施工作業(yè)面大。

5）施工精度要求極高，誤差容許范圍通常以mm計算。

3.2 VR、AR能解決什么問題

當前的核電施工中，施工記錄常以文字表格的形式記錄，不夠直觀。運用AR技術將施工中采集的無數(shù)照片或視頻進行處理，可以疊加成數(shù)據(jù)庫，真實記錄施工中的過程數(shù)據(jù)，為核電業(yè)主留下可永久追溯的過程數(shù)據(jù)。工程中，管理人員可以選擇一個時間點，看到這個時間點整個核電站的各個位置的詳情。也可以跟蹤一個物項，便可以詳盡地知道物項的整個制造、運輸、倉儲、安裝、調試、運營過程，或者將整個工序的相關物項組合成數(shù)據(jù)包，整體跟蹤，而且這個數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)每天采集的新圖片，使視頻持續(xù)更新。業(yè)主、工程總包、監(jiān)理通過AR形成的直觀數(shù)據(jù)庫，可以實時掌握施工情況，跟蹤任何工程進度，監(jiān)督安全施工，安排施工計劃，控制施工質量進度。

借助AR設備展示計算機生產的虛擬空間，設計者可以更準確地進行設計交底。施工單位對復雜施工情況可進行模擬施工，可以避免重復施工或施工誤差帶來的設計變更，節(jié)省材料、人力、時間。

現(xiàn)場安裝人員可以攜帶便攜式AR設備，通過連接數(shù)據(jù)庫，結合現(xiàn)場預留的無線測量基點，將需要安裝的物項在安裝位置上精確三維投影，并增加顯示周圍所有未安裝物項。如此保證了安裝精度，也可以及早發(fā)現(xiàn)碰撞問題，避免材料和人力的浪費。

其技術要點在于：

1）數(shù)據(jù)采集量十分巨大，需要布置大量采集設備。

2）圖片和視頻數(shù)據(jù)運算處理成三維模型的算法復雜。

3）平臺及虛擬數(shù)據(jù)庫的管理難度大。

值得一提的是，采用VR技術對常規(guī)的平面ISO圖紙進行處理，佩戴頭戴式顯示器可以將核電施工中管道專業(yè)常用的ISO管線圖中立體地顯示在讀者眼前。這項技術也是VR技術在工程中發(fā)展的一個方向，將大大避免人因失誤，提高施工交底和現(xiàn)場作業(yè)的效率。

4 AR在運營階段的運用

為了實現(xiàn)終端設備信息和遠程讀取設備信息的對比，實現(xiàn)自動控制的目的，需要就地操縱員到達現(xiàn)場獲取就地設備信息?，F(xiàn)階段核電就地操縱員多用的巡檢方式是攜帶有巡檢任務的紙質工單進入核電現(xiàn)場，工單上記錄了需要巡檢的條目，操縱員獲取信息后需在紙上填寫現(xiàn)場數(shù)據(jù)，返回后錄入計算機系統(tǒng)。這樣做的弊端在于：①由于攜帶量有限，無法記錄大量數(shù)據(jù)；②人因失誤嚴重，如寫錯、漏記等；③無法得知關聯(lián)參數(shù)，對發(fā)現(xiàn)的問題不能做出及時且正確地處理。

已運行的電廠可結合AR技術更加便捷地實現(xiàn)就地操作：第一步，運行人員攜帶便攜式AR設備進入核電站，對作業(yè)場景信息進行掃描，識別作業(yè)場景中的關鍵物項，為獲取數(shù)據(jù)提供條件；第二步，精確定位到關鍵物項，將就地參數(shù)如溫度、震動、噪聲等信息錄入AR設備；第三步，將獲得的運行參數(shù)結合與遠程數(shù)據(jù)對比，增強現(xiàn)實在操作員眼前；第四步，指導就地操縱員維修作業(yè)。

當設備出現(xiàn)故障時，運用AR的互動性可以提供遠程技術支持，技術專家可以不到維修現(xiàn)場；通過AR設備采集的就地實時音視頻，以第一視角觀察現(xiàn)場情況，并通過標記及發(fā)送文件等方式遠程指導現(xiàn)場維修作業(yè)。

5 結論

AR、VR在核電中的運用前景相當可觀。一方面核電造價高，節(jié)約資金的需求極高；另一方面，國內核電建造周期一般為5年，設計周期更長。核電設計、建造工期長的特點使得核電工作者急需改進方法，提高效率。最后，自卡拉奇核電商運后，中國自主設計的三代核電已經(jīng)加入世界核電出口的競爭中，降低造價、縮短工期、精細施工，將在競爭中取得極大優(yōu)勢。所以，將AR和VR等先進的技術引進到核電站的設計建造中非常必要。