虛擬現(xiàn)實技術在核設施退役中的應用

摘 要：法國CEA（法國原子能委員會）退役事業(yè)部開展了一項RD研究開發(fā)項目，專門為退役項目提供先進的虛擬現(xiàn)實設計手段。為此，建立了帶有沉浸感、力感及聲效功能的虛擬現(xiàn)實實驗室。多種虛擬現(xiàn)實軟硬件的集成和應用，使用戶與由計算機仿真的虛擬場景進行交互式的人-機操作。該文簡要介紹該實驗室的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺構成，以及借助虛擬現(xiàn)實技術優(yōu)化APM—馬庫爾乏燃料后處理中試廠414熱室的退役操作方案。希望對我國核設施退役及廢物管理發(fā)揮參考和借鑒作用。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實 退役方案 優(yōu)化和驗證

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

對核設施的拆除和清理污染場址是世界各核設施運營單位面臨的最大難題。應對這一全球性的挑戰(zhàn)，各國退役工作者既要制定安全、可靠的退役計劃，又必須兼顧提高效率、降低費用等問題。退役計劃是一項系統(tǒng)工程，需要對各環(huán)節(jié)、技術方案的個體、整體及相互關聯(lián)進行反復對比和推敲，既要利用現(xiàn)有科學技術手段，又要創(chuàng)新以達到最優(yōu)化的退役過程的最優(yōu)化和確保萬無一失。近年來，國外發(fā)達國家核燃料循環(huán)應用研發(fā)中心（如法國CEA、德國Karlsruhe、美國Hanford、英國BNFL等）不斷開展了大量的先進退役應用研究工作，無論是從退役方案的性能指標，還是從項目經濟性角度，借助虛擬現(xiàn)實技術進行退役方案可行性的驗證和優(yōu)化已經成為解決復雜退役難點和退役難題不可或缺的重要手段。法國退役的同行介紹，在各種退役項目中，虛擬現(xiàn)實技術已經得到了廣泛的認可并且被大量的運用。對于核設施的退役項目，常規(guī)的做法是在二維圖紙基礎上進行退役方案設計，但針對某些較復雜的退役項目，采用繪制三維模型在此基礎上再進行方案設計。但是，借助虛擬現(xiàn)實技術解決復雜的退役項目和退役難點中的關鍵技術方案，虛擬現(xiàn)實技術在我國目前退役中的使用依然處于較為落后的狀態(tài)。該文將就虛擬現(xiàn)實技術在退役應用中的優(yōu)勢進行淺顯的論述，重點介紹了法國馬庫爾APM軍用生產堆乏燃料后處理中試廠退役項目中的一個高放熱室的退役，借用虛擬現(xiàn)實技術優(yōu)化退役操作方案和優(yōu)化退役機具方案。

1 虛擬現(xiàn)實技術和實現(xiàn)途徑

CEA（法國原子能委員會）目前正在開展借助虛擬現(xiàn)實技術對其馬庫爾核燃料循環(huán)研究中心內后段的一些退役項目的拆除、清理以及整治改造等活動的操作方案驗證和優(yōu)化，目前開展采用虛擬現(xiàn)實技術的退役項目有UP1生產堆后處理廠、APM中試廠和PHENIX快堆。CEA于2008年底在馬庫爾創(chuàng)建了沉浸感虛擬現(xiàn)實實驗室（以下簡稱沉浸感實驗室），下屬于LSTD實驗室。通過情景模擬，目的是對退役操作方案和整治的可行性、可達性進行驗證。該實驗室將為十余個退役項目提供設計上的技術支持。

1.1 虛擬現(xiàn)實的建模技術

建模是對現(xiàn)實對象或環(huán)境的逼近真實的仿真模擬。一般情況下，對象具有靜態(tài)特征，包括位置、方向、材料和屬性等特征，還具有運動特征，它反映對象的運動、行為、約束條件（如碰撞檢測與響應）以及力的作用等。虛擬對象的建模意味著對象的靜態(tài)特征和運動特征各個方面的建模，也就是對形狀、外觀、運動學約束、智能行為和物理特性等方面的建模。通過建模，既可以方便表達出復雜的、難以理解的運動學約束特征，又能夠“試驗”更多不同的退役方案，此外還可用于培訓操作人員。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術的實現(xiàn)方式

退役過程虛擬現(xiàn)實技術由搭建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和建模過程構成。待退役設施的廠房建筑物的三維模型通過激光掃描或照相合成技術并輔以半自動的擬合軟件獲得，而退役機具的設備模型由三維造型軟件設計得到。劑量率的三維空間分布由專用的放射性仿真軟件計算得到。將設施的三維模型和退役機具的三維模型在虛擬現(xiàn)實平臺上相融合，然后對其進行建模，一方面使對象具有基本的物理特性，另一方面使其遵循特定規(guī)律的運動學特點。在完成了上述幾何建模、對象虛擬、物理建模和行為建模后，即創(chuàng)建出了退役方案可能的場景，然后通過虛擬現(xiàn)實交互性設備和立體顯示系統(tǒng)，即可進行操作演練，驗證各種操作過程的可達性、可行性，該操作方式與真實退役工控機端的操作方式完全一致。劑量率仿真用于優(yōu)化退役操作方式，空間劑量率的分布情況可伴隨上述退役操作方案而動態(tài)變化，以便及時調整退役方案。

2 虛擬現(xiàn)實技術在退役項目中的作用

2.1 個人劑量防護的最優(yōu)化

目前，劑量評估的常用方法主要是根據(jù)距離輻射源的遠近來估算。但對于結構復雜，輻射源較多的環(huán)境，難以準確的估算出人員的所受劑量率，從而影響整個方案的工期和預算。從歐美發(fā)達國家的退役經驗表明，將可視化的虛擬現(xiàn)實與仿真計算相結合，利用輻射防護計算功能模塊，可以快速計算作業(yè)現(xiàn)場空間任意位置、任意時刻的劑量

率[1-3]，對指導退役方案以及現(xiàn)場實施非常方便有效。

2.2 退役機具設計方案及操作方案驗證

各退役設施之間相互存在差異，即便同類型設施甚至同一設施內的相似廠房環(huán)境也或多或少存在差異。退役方案力求盡可能結合這些現(xiàn)狀情況，使得退役機具（以下簡稱機具）在選用上要兼顧這些現(xiàn)狀情況，做到一機多用途。因此，借助虛擬現(xiàn)實技術就可以在“虛擬機”上驗證機具的適用性，找出可滿足退役項目的現(xiàn)有機具或提出需要進行適應性改進的具體技術要求。這樣可以及早發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)省研發(fā)周期及費用。從法國退役項目經驗看，機具在研發(fā)過程中特別是在方案設計階段，越早發(fā)現(xiàn)和暴露問題，越能夠簡化修改，而他們普遍采用的設計方法是借助虛擬現(xiàn)實技術。借助虛擬現(xiàn)實平臺的沉浸感演示、動作捕捉和力反饋等功能，可以試驗和檢查虛擬機的操作路徑、可維護性和操作的可達性。通過力反饋設備的人-機交互碰撞干涉檢查功能，一方面通過定量比選不同拆除方案的拆除路徑的優(yōu)缺點，另一方面通過定量確定碰撞干涉點以確定操作路徑。并在此基礎上規(guī)劃并優(yōu)化拆除路徑、維修路徑，確定拆除范圍和相應的拆除方式。

2.3 便于表達和溝通

通過虛擬現(xiàn)實平臺對退役機具方案及退役遙控操作技術方案進行情景模擬演示，能夠直觀的呈現(xiàn)方案的整體思路，便于使審管部門、業(yè)主、供貨商及設計人員之間的溝通和理解。此外，可視化的方式可以暴露“原設想”方案實施過程中存在的安全隱患和不合理之處。

2.4 制作用于現(xiàn)實遙控操作的控制和監(jiān)視系統(tǒng)的界面

借助VR系統(tǒng)建立的機具模型、環(huán)境幾何模型，和經過驗證的操作路徑，在退役實施時還將用于制作機具遙控操作控制和監(jiān)視系統(tǒng)的界面。

3 虛擬現(xiàn)實技術在APM退役項目中高放熱室退役的應用

3.1 414熱室介紹

APM是法國的乏燃料后處理中試廠。1962年開始調試運行，1997年結束生產活動關閉，目前該設施正在進行清理、去污和拆除工作。414熱室在APM后處理主工藝流程中的作用是化學首端的取樣、澄清、料液貯存和浸煮。其中主要設備有溶解器、離心分離機及戽斗流量計等，熱室尺寸為20 m×4 m×6 m，內部工藝管線總長約5 km，受污染的設備管道總重約18 t。退役初態(tài)源項調查結果顯示，熱室內熱點數(shù)量為16個、周圍劑量當量率為20 mSv/h。由于殘留的輻射源活度很高相應引起的劑量場水平不允許人工直接拆卸操作，所以退役方案設計采用偏安全的操作方式—采用遠距離依靠遙控拆除整個設備室，但不排除調整操作方式、優(yōu)化操作方案的可能。對熱室內設備、管道遠距離遙控拆除機具選擇采用了Maestro—主-從操作方式的電隨動機械臂，需要依賴遠距離遙控的方式進行。位于414熱室的一側在設計之初就預留有專用通道，頂部設置了沿水平方向吊車軌道，作為檢查、去污和退役拆除的進出路徑。

3.2 遠距離遙控操作機具方案

3.2.1 Maestro機械手

遙控遠距離操作系統(tǒng)由兩部分組成：主手和從手，見圖1（左）所示。Maestro為從動臂，是一種先進的核用遠距離操作電隨動的主-從式操作的電隨動機械手[4-5]。該手用于完成人員無法進入惡劣環(huán)境下且具有完成一定負荷和完成精細化程度較高任務的操作能力，如核污染區(qū)調查、維護/整改、切割和去污、清理污染環(huán)境等。Maestro機械手可實現(xiàn)多任務操作，包括檢查、維護、拆除和清理等。該設備在復雜性、靈活性以及操作能力及操作方式方面，具有6個自由度、手臂伸直至2.0 m時可達105 kg，與同類型機械臂相比較具有突出優(yōu)勢，見圖2。此外，該機械手的控制模式，不僅可用在機器人控制模式（編程預教導—自動模式內），還可由操作者用操縱桿人工控制，既可借助也可不借助力反饋的管理模塊實現(xiàn)。

主手由多關節(jié)的操作桿及控制系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)采用笛卡爾坐標系，且該關節(jié)臂具有力反饋的功能。主-從操作的隨動控制系統(tǒng)采用TAO2000控制系統(tǒng)。

414熱室的拆除，將是Maestro型機械臂首次被用于從頭到尾拆除一個完整熱室的

案例。

3.2.2 機械手配套運載工裝

承載機械手進入414熱室的配套運載工裝是嚴格按照414熱室的廠房及工藝設備布置特點并結合拆除任務的要求而設計的，是非標準化的工裝設備[6]，設備方案三維模型簡圖見圖3。圖中箭頭顯示了該吊車式運載工裝的運動學特性—共有6個自由度，其中包括2個水平方向自由度、2個垂直方向自由度和2個旋轉自由度。該套工裝通過位于升降機構上的托架承載Maestro從動臂和各種工具頭沿熱室長度方向上移動，其移動范圍可以覆蓋熱室的各個區(qū)域、角落，長度方向上為20 m，垂直方向上為3 m。運載工裝由水平方向行走機構（以下簡稱：大車）、垂直升降機構、和車載托架（以下簡稱：小車）組成，另外在大車車體上還有管理Maestro臍帶電纜格架和存放各種功能頭的工具格架。小車具有兩個功能：可以在其上安裝吊籃用于暫時存放拆卸、解體物，也可以安裝夾具用于機械臂切割時握緊被拆除

對象。

運載工裝由原熱室預留的吊車水平方向軌道由檢修廊Ⅱ區(qū)進入熱室Ⅰ區(qū)，檢修廊用于在此對成套遙控操作設備進行組裝、檢修和拆卸，遙控操作的控制間設置在相鄰區(qū)域的廠房Ⅲ區(qū)。目前整套系統(tǒng)已完成工廠驗收，待其在非放廠房內進行設備聯(lián)動冷調試后，方可進入退役拆除工作（圖3）。

4 結語

本次采用虛擬現(xiàn)實技術進行退役方案的驗證[7]，是CEA第一次采用該技術驗證退役方案，同時也是Maestro機械手第一次被應用在全遙控拆除整個設備室的任務中。為了實現(xiàn)對拆除方案情景模擬，建立具有沉浸感效果并輔以力感、聲效等功能的虛擬現(xiàn)實實驗室，情景模擬使用了廠房、機具及工裝的三維模型、帶有力反饋功能的物理引擎、動作捕捉和具有沉浸感效果的可視化立體演示系統(tǒng)有機結合，最終實現(xiàn)驗證退役操作方案及機具設備方案的目的—可達性、可行性和可維護性。

方案驗證及早發(fā)現(xiàn)和充分暴露問題，并及時在設計階段做調整特別是設備方案，盡量減少制造后的修改工作量甚至翻車的風險。通過這次嘗試，體會之一首先是模型的精度。如果模型的精度與現(xiàn)實情況有偏差，機器人或熱室模型的準確度不足，將無法證實現(xiàn)場使用可否按照方案設計的步驟和方式實施。體會之二是物理引擎也受到限制，這是由計算機的運算能力決定的。就目前所使用的硬件配置條件看，還不能做到對機器人和整個熱室的物理化模擬如高精度的碰撞檢查和實時的仿真模擬。這也是只能對機器人和受關注的熱室區(qū)域進行動力學仿真的原因。體會之三是將輻射防護計算軟件作為插件嵌入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過這種方式，使ALARA優(yōu)化與方案設計同步進行，大大提高設計效率和優(yōu)化的程度。體會之四是該系統(tǒng)最初建立的初衷是用于方案驗證和優(yōu)化，但由于模擬器的主-從操作方式與現(xiàn)實情況的主-從操作方式相似以及監(jiān)控界面相同，因此還可以為機具操作人員提供操控培訓，訓練退役操作人員，告知哪里有輻射源，采用何種操作方案更加安全、合理，盡量避免和降低人員受到輻射

照射。

參考文獻

[1]MERCURAD-3D Simulation Software for Dose Rate Calculation.Canberra Co，Ltd.Application Note.

[2]NARVEOS-A New Tool Supporting ALARA Studies.Euriware Co，Ltd.IAEA Training Course on Decommissioning Dose Assessment Dose Optimization.2011.

[3]陳勇.赴法國CEA學習培訓工作匯報.2006.

[4]Maestro- an Advanced Remote Manipulator System.Cybernetix Co，Ltd.

[5]Large Range of Tools for Remote Manipulator.Cybernetix Co，Ltd.

[6]Remote Handling System for the Pilot project APM-CEA Marcoule.Cybernetix Co，Ltd.

[7]謝小龍.赴法國CEA學習培訓工作匯報.2010.