張勇衛(wèi)，宋小龍，岳小平，劉 琴，馬 宇

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人機(jī)交互技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在浸入式多維體驗(yàn)中的功能脫穎而出。中國力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到二氧化碳排放量峰值，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)二氧化碳中和。推動(dòng)低碳轉(zhuǎn)型的進(jìn)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(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到核電工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)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(shí)（VR-Virtual Reality），是指一種能夠使用戶沉浸到計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中并與其中的物體進(jìn)行自然交互的新技術(shù)[1]。該虛擬環(huán)境由虛擬數(shù)據(jù)影像和用戶實(shí)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(shè)備，通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實(shí)世界相同的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要點(diǎn)在于：準(zhǔn)確架構(gòu)虛擬世界、真實(shí)反映感知信息、實(shí)現(xiàn)交互操作[2]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR-Augmented Reality），是一種將真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成新技術(shù)。結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)、空間定位技術(shù)、可視化以及交互技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界難以呈現(xiàn)的輔助虛擬數(shù)據(jù)信息，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備疊加顯示在真實(shí)物理環(huán)境中。真實(shí)物體和虛擬信息通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相互補(bǔ)充、疊加。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心在于：場(chǎng)景信息獲取、對(duì)場(chǎng)景信息跟蹤注冊(cè)、場(chǎng)景融合繪制、增強(qiáng)顯示信息[3]。

VR和AR均通過三維實(shí)現(xiàn)可視化的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，區(qū)別在于：VR利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界無關(guān)的虛擬空間，通過模擬真實(shí)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(gè)與現(xiàn)實(shí)世界相關(guān)的虛擬空間，通過虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的合成，形成與現(xiàn)實(shí)世界相關(guān)，但又不完全相同的超現(xiàn)實(shí)空間。

1.2 核電工程

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

2 VR、AR在核電工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

2.1 核電工程的三維設(shè)計(jì)

核電站項(xiàng)目的三維設(shè)計(jì)工作主要分為：可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)3個(gè)階段。在三維設(shè)計(jì)過程中，土建、鋼結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備、電纜通道、暖通等多個(gè)專業(yè)在同一平臺(tái)同時(shí)進(jìn)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(shí)，實(shí)現(xiàn)最大設(shè)計(jì)合理化及空間利用率。根據(jù)華龍一號(hào)設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)過程中暴露出5個(gè)問題：①部分人行通道和設(shè)備運(yùn)輸通道設(shè)計(jì)有缺陷；②部分施工安裝空間與施工設(shè)備的匹配程度不高；③部分大型機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡與其他設(shè)備碰撞；④部分檢修空間及檢修拆卸運(yùn)輸?shù)耐ǖ啦蛔?；⑤模塊化程度還有待提高。以上問題在實(shí)際工程施工中才得以暴露，設(shè)計(jì)、業(yè)主、施工方投入了大量人力物力，通過各種手段進(jìn)行更正，為此付出了高額的成本。針對(duì)以上問題，目前市場(chǎng)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(shè)計(jì)和施工人員提供幫助，但達(dá)不到理想效果。

2.2 VR在設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

結(jié)合VR的圖像技術(shù)、空間定位技術(shù)、可視化技術(shù)、交互技術(shù)，首先將PDMS建模的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)出為TXT格式的文本，運(yùn)算生成VR軟件可讀數(shù)據(jù)。然后，對(duì)讀入的PDMS數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工，賦予數(shù)據(jù)模型能夠和外接傳感器設(shè)備交互的功能。而后，通過VR軟件生成虛擬場(chǎng)景。最后，可行性研究階段的設(shè)計(jì)者完成初步模型設(shè)計(jì)后，借助頭戴式顯示器進(jìn)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(yàn)?zāi)Ｐ吞摂M現(xiàn)實(shí)是否合理，這是一般的三維軟件的碰撞檢查功能達(dá)不到的效果。設(shè)計(jì)者在該虛擬模型中可以便捷地實(shí)現(xiàn)以下工作：

1）在模型中行走，以檢驗(yàn)人行通道、檢修通道的設(shè)計(jì)合理性。

2）結(jié)合實(shí)體工機(jī)具模擬實(shí)際施工工序，檢驗(yàn)施工空間的設(shè)計(jì)合理性。

3）模擬大型設(shè)備的吊裝檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)輸通道的設(shè)計(jì)合理性。

4）給定參數(shù)模擬動(dòng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)空間合理性。

5）模擬復(fù)雜設(shè)備的裝配過程檢測(cè)設(shè)計(jì)合理性。

6）模擬控制室的操作工況，使布置合理。

設(shè)計(jì)者可以對(duì)體驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，通過給定權(quán)限在浸入式模型中修改模型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，從而讓設(shè)計(jì)更合理。

其技術(shù)要點(diǎn)在于：

a）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即BIM、PDMS等三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VR可讀數(shù)據(jù)，VR場(chǎng)景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BIM、PDMS可讀數(shù)據(jù)。

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

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

d）模型設(shè)計(jì)的精度要求高，需要大量前期材料、設(shè)備、土建等數(shù)據(jù)。

目前，VR的使用已不局限于室內(nèi)既定的體驗(yàn)區(qū)，它還可以在任何復(fù)雜多變的項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用。設(shè)計(jì)者結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地理位置和環(huán)境因素能夠設(shè)計(jì)出更具有針對(duì)性、更合理的模型。

2.3 AR在橫向設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

在役核電站的設(shè)計(jì)任務(wù)被稱作橫向設(shè)計(jì)。橫向設(shè)計(jì)、施工任務(wù)有幾個(gè)特點(diǎn)：工程窗口期極短、環(huán)境復(fù)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(shè)計(jì)者可直接實(shí)時(shí)了解電廠運(yùn)行狀態(tài)，無需到工程現(xiàn)場(chǎng)就可以整合資料，得到設(shè)計(jì)的先決條件，從而給出更好的設(shè)計(jì)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(shù)結(jié)合攝像頭全方位掃描現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景形成虛擬模型，從而了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。完成設(shè)計(jì)后，通過投影設(shè)備將修改方案投射到相應(yīng)位置，通過遠(yuǎn)程觀測(cè)檢測(cè)設(shè)計(jì)的合理性。

3 VR、AR在施工階段的應(yīng)用

3.1 核電工程施工的難度及特點(diǎn)

核電站屬于大型工業(yè)建筑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)周期長(zhǎng)，秉承“安全第一、質(zhì)量第一”和“三個(gè)凡是”的建設(shè)原則，建設(shè)施工階段需要土建、機(jī)械、電氣、管道、暖通、消防等多個(gè)專業(yè)合力完成。核電站施工有以下難點(diǎn)和特點(diǎn)：

1）工程量巨大且要求真實(shí)詳盡的施工記錄。

2）設(shè)備、材料價(jià)值高，浪費(fèi)的代價(jià)高。

3）施工空間狹小、施工邏輯順序要求極為嚴(yán)謹(jǐn)。

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(jì)算。

3.2 VR、AR能解決什么問題

當(dāng)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(yùn)用AR技術(shù)將施工中采集的無數(shù)照片或視頻進(jìn)行處理，可以疊加成數(shù)據(jù)庫，真實(shí)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(gè)時(shí)間點(diǎn)，看到這個(gè)時(shí)間點(diǎn)整個(gè)核電站的各個(gè)位置的詳情。也可以跟蹤一個(gè)物項(xiàng)，便可以詳盡地知道物項(xiàng)的整個(gè)制造、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、安裝、調(diào)試、運(yùn)營過程，或者將整個(gè)工序的相關(guān)物項(xiàng)組合成數(shù)據(jù)包，整體跟蹤，而且這個(gè)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(shí)時(shí)掌握施工情況，跟蹤任何工程進(jìn)度，監(jiān)督安全施工，安排施工計(jì)劃，控制施工質(zhì)量進(jìn)度。

借助AR設(shè)備展示計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的虛擬空間，設(shè)計(jì)者可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)交底。施工單位對(duì)復(fù)雜施工情況可進(jìn)行模擬施工，可以避免重復(fù)施工或施工誤差帶來的設(shè)計(jì)變更，節(jié)省材料、人力、時(shí)間。

現(xiàn)場(chǎng)安裝人員可以攜帶便攜式AR設(shè)備，通過連接數(shù)據(jù)庫，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留的無線測(cè)量基點(diǎn)，將需要安裝的物項(xiàng)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(xiàng)。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(fèi)。

其技術(shù)要點(diǎn)在于：

1）數(shù)據(jù)采集量十分巨大，需要布置大量采集設(shè)備。

2）圖片和視頻數(shù)據(jù)運(yùn)算處理成三維模型的算法復(fù)雜。

3）平臺(tái)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(shù)對(duì)常規(guī)的平面ISO圖紙進(jìn)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(xiàng)技術(shù)也是VR技術(shù)在工程中發(fā)展的一個(gè)方向，將大大避免人因失誤，提高施工交底和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的效率。

4 AR在運(yùn)營階段的運(yùn)用

為了實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備信息和遠(yuǎn)程讀取設(shè)備信息的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，需要就地操縱員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)獲取就地設(shè)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(wù)的紙質(zhì)工單進(jìn)入核電現(xiàn)場(chǎng)，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(chǎng)數(shù)據(jù)，返回后錄入計(jì)算機(jī)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(yán)重，如寫錯(cuò)、漏記等；③無法得知關(guān)聯(lián)參數(shù)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題不能做出及時(shí)且正確地處理。

已運(yùn)行的電廠可結(jié)合AR技術(shù)更加便捷地實(shí)現(xiàn)就地操作：第一步，運(yùn)行人員攜帶便攜式AR設(shè)備進(jìn)入核電站，對(duì)作業(yè)場(chǎng)景信息進(jìn)行掃描，識(shí)別作業(yè)場(chǎng)景中的關(guān)鍵物項(xiàng)，為獲取數(shù)據(jù)提供條件；第二步，精確定位到關(guān)鍵物項(xiàng)，將就地參數(shù)如溫度、震動(dòng)、噪聲等信息錄入AR設(shè)備；第三步，將獲得的運(yùn)行參數(shù)結(jié)合與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)對(duì)比，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在操作員眼前；第四步，指導(dǎo)就地操縱員維修作業(yè)。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)用AR的互動(dòng)性可以提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持，技術(shù)專家可以不到維修現(xiàn)場(chǎng)；通過AR設(shè)備采集的就地實(shí)時(shí)音視頻，以第一視角觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，并通過標(biāo)記及發(fā)送文件等方式遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修作業(yè)。

5 結(jié)論

AR、VR在核電中的運(yùn)用前景相當(dāng)可觀。一方面核電造價(jià)高，節(jié)約資金的需求極高；另一方面，國內(nèi)核電建造周期一般為5年，設(shè)計(jì)周期更長(zhǎng)。核電設(shè)計(jì)、建造工期長(zhǎng)的特點(diǎn)使得核電工作者急需改進(jìn)方法，提高效率。最后，自卡拉奇核電商運(yùn)后，中國自主設(shè)計(jì)的三代核電已經(jīng)加入世界核電出口的競(jìng)爭(zhēng)中，降低造價(jià)、縮短工期、精細(xì)施工，將在競(jìng)爭(zhēng)中取得極大優(yōu)勢(shì)。所以，將AR和VR等先進(jìn)的技術(shù)引進(jìn)到核電站的設(shè)計(jì)建造中非常必要。