一種開發核電廠虛擬教學模型方法研究

李向昭 崔龍波 楊磊

摘 要：本文總結了國內外核電廠虛擬模型系統研究及開發現狀，分析了當前虛擬模型開發復雜度、性能及價格之間的關系和矛盾。在此基礎上利用Google Sketchup， D Fusion， Unity3d等共享軟件以及Kinect， PC等設備組成了一套虛擬模型支持與開發系統，嘗試制作了反應堆核心三維結構和廠區動態漫游系統，日常教學結果表明較好。系統的搭建和使用難度低，總開發時間在三周左右。上述結果表明該系統平臺低廉且搭建簡單，開發效率讓人滿意，適合非圖形建模專業個人或小組使用。（本文原刊于南京師大學報社會科學版2014年8月）

關鍵詞：虛擬核電廠模型；增強現實技術；體感技術； 實用解決方案；

基金項目：山東省高校教學改革（重點）項目（編號：2012025）；煙臺大學教學改革與研究（重點）項目（編號：A009）

1 引言

核電廠因結構復雜，涉及學科門類多，部分廠區存在高放射性有停留時限等特點，使得有關工作如工程設計、人員培訓、退役計劃制定、學生專業教育等需要借助各種模型系統來進行。

對于高校專業教學用核電廠模型，要求堆型齊全，注重設施設備的工作原理、運行流程、工程組件結構及安裝拆卸等細節展示，訓練方式靈活多樣，對系統價格和自主升級也很關心。目前滿足以上條件的可選方案較少，本文利用近年來快速發展的增強現實、體感及三維投影等技術，嘗試提出了一套虛擬核電廠教學模型的實用開發與支持系統方法。

2 核電廠模型系統發展現狀

目前核電廠模型可以分為實物和虛擬模型兩大類。前者的優點是直觀，技術難度低；缺點是靈活性不高，與理論教學銜接不足，多用于入門教學。虛擬模型是隨著虛擬現實技術[1]的發展而出現的，其依托計算機生成逼真的虛擬動態場景，支持用戶互動，用戶自然沉浸感好，還可以根據需要切換不同訓練場景，使學員得到有效訓練，進而順利過渡到現實工作場合，整體效費比達到最優。

從國外情況來看， I.Yukihiro等[2]在日本Fugen核電廠的退役工程支持系統中開發了基于虛擬現實技術的輻射劑量評估系統，G. Romero等[3]開發了變電站虛擬現實仿真系統，2011年俄羅斯RosEnergoAtom公司應用虛擬現實技術來展示核電站的三維全景，2012年英國謝菲爾德核技術先進制造研究中心（NAMRC）利用虛擬現實系統來輔助核電廠設計和制造大型復雜設備部件。

從國內情況來看，目前多家科研院所在核電站虛擬3D漫游[4] 和綜合仿真 [5，6]，核設施輻射劑量場展示[7]，反應堆退役虛擬演練系統[8，9]等多方面開展了大量研究工作。工程應用領域方面，中廣核仿真技術有限公司等開發了系列核電站全范圍模擬機，中視典、曼恒數字、大連偉岸縱橫科技等公司各自開發有核電應急及培訓用虛擬模型系統。

目前核電廠仿真模型的研發機構逐漸增多并產生了很多成果，但與高校教學存在如下矛盾：

1）目前絕大多數虛擬模型系統多采用全套專有虛擬現實硬件系統和軟件系統，費用昂貴動輒上百萬乃至千萬元。

2）目前虛擬系統的人機接口有實物模擬機和鍵盤鼠標兩大類，前者專業性強但價格昂貴，裝備數量少，不適合學生日常教學；后者價格便宜，數量多但用戶真實感和代入感不足，相比提高學生實踐能力的教學初衷仍顯不足。用“經驗之塔”教育理論[10]來分析，核工程專業學生最缺的就是“做的經驗”即實踐環節有待強化。為此需要尋找合理折中的技術手段。

3）基于商業考慮，系統提供商不會開放相關模型組件和源代碼，而從教學角度來看，為提高專業教學質量和突出特色，用戶勢必要進行二次開發，這類矛盾難以解決。

隨著國內核能核電事業的迅速發展，目前國內高等院校多開設核工程專業，對核電廠教學模型系統需求多，同時要求模型在系統開發難度、靈活性、費用及代碼透明度等方面能合理折中，而目前可選方案很少，為此開展有關技術方法研究十分有必要。

3 虛擬模型開發有關新型技術

目前虛擬模型系統設備包括圖形工作站、三維投影系統、三維空間跟蹤定位設備、數據手套（衣）、系統開發環境等，系統復雜且價格昂貴。隨著近幾年來有關圖形處理器、體感、增強現實、三維投影等新技術的發展，使得組建一套效費比高的虛擬模型開發與支持系統變得可行。

3.1 可編程計算圖形處理器

近幾年來GPU（Graphic Processing Unit， 圖形處理器）性能提高很快，另外出現了CUDA（Compute Unified Device Architecture，統一計算設備架構）和OpenCL（Open Computing Language，開放計算語言） 等GPU通用編程開發平臺，使得GPU在通用領域應用迅速擴展，運算性能是同代CPU的十幾至上百倍。

3.2 體感設備

Kinect是微軟公司2010年推出的新型體感設備，具備多人空間位置即時定位及姿態辨識，影像攝錄，語音識別等功能， 2011年SDK的推出使其應用從游戲迅速擴展到了自動控制、機器人視覺、虛擬實驗等多個領域，最新Kinect2更增加了手指動作辨識、面孔識別等新功能。

Kinect售價低廉，支持通用編程，能替代數據衣、數據手套、麥克風、3D攝像頭等多種標記辨識設備，顯著降低了虛擬模型系統中輸入設備的復雜度，未來將成為虛擬模型系統的重要組成部分。

3.3 增強現實技術及開發工具

增強現實技術起源自虛擬現實技術，但與后者不同的是用戶不是處在完全由系統產生的虛擬場景中，而是處在系統攝錄用戶所處的真實場景后再疊加由計算機產生的虛擬物體后形成“混合”場景中，更符合人類的認知習慣，構建成本也更低廉，硬件設備僅需要PC機、體感設備及必要顯示設備即可，開發支持系統較多如Unity3D、DFusion、EON等，且都有共享版本可用。

4 虛擬開發及支持系統設計

4.1 硬件系統

本文所提系統的硬件部分組成簡單，僅需圖形工作站、Kinect、屏幕、3D投影儀和眼鏡，系統開發則只需PC機、Kinect、顯示器等。好處如下：

（1）系統簡化使得設備初期投資小、日常維護簡單。

（2）可直接獲得所需場景，開發人員能集中開發模型系統，從而減輕開發難度和工作量。

4.2 軟件系統

圖1 系統布局示意圖

軟件系統包括圖形建模和系統開發兩部分。綜合考慮制作效果、學習難度和費用等因素，圖形建模選擇了Google Sketchup，其具有簡單易用、免費模型庫支持、效果明快等優點，適合非專業建模人員使用。系統開發選擇了DFusion和Unity3D，前者著重增強現實建模，后者則在地形和動態跟蹤方面簡單易行，均支持Kinect。開發語言選擇了C#，因其具備大中型系統開發支持能力，其內存自動回收機制能保證系統整齊度和代碼健壯性，降低工作爛尾風險。

基于上述方案，系統整體布局如下圖1所示，每次可供10人左右單獨或合作展開互動培訓操作。

5 教學模型實例開發

組建完開發系統后，即進入虛擬核電廠教學模型分析和開發工作階段。從實際需要出發，模型的功能分類[4，5，9]如圖2所示，模型所需數據參考自核電廠工程技術手冊[11，12]。

圖2 系統的功能關系

從軟件工程設計角度來看，模型應包括設施設備組件模型庫、動作（漫游、安裝、拆卸）記錄數據庫、輻射劑量數據庫、物理分析與計算模塊、場景模塊、虛擬人、體感設備輸入接口等，涉及三維圖形建模、機械裝配、輻射物理計算、學習關卡設定、設備驅動等多領域內容，因此盡量采用自動化開發工具并按照功能模塊分階段開發以降低開發風險是非常必要的。

圖3 核電廠整體布局展示

圖4 反應堆結構展示

經過論證與嘗試開發，目前初步實現了靜態三維展示（核電廠整體布局和反應堆內部結構）如圖3和圖4所示，以及核電廠區的動態漫游如圖5所示。

靜態模型采用Google Sketchup 8.0和DFusion完成，用戶通過移動、轉動標記物，能從任意角度查看核電廠和反應堆的3D構造，模型能任意放大縮小，進而查看各個子設施細節。從學生反饋情況來看，相比圖片和實物模型，教學效果要更深刻。

圖5 廠區漫游功能

漫游功能由Google Sketchup 8.0、Unity3D和Kinect實現，目前暫用坦克模型作為第一視角對象。通過人體姿態配合Kinect或鼠標鍵盤，可以控制坦克移動、轉動，進入廠區、山谷任意位置對視野內的物體進行觀察，還可以縮放視野進行廠區總覽或觀察設施細節，配合設備支持，在一定程度上可以代替實地參觀。

6 結論

本文提出了一種虛擬模型支持與開發系統，硬件少且組建方式簡單，整體費用低，且充分考慮了開發者非專業圖形建模人員。整體工作花費時間在三周左右，主要困難在于模型建模。從學生反饋結果來看，體感設備的引入使得模型能夠保證較好的用戶代入感和真實感。

隨著開發者知識結構、工具使用經驗和協作能力進一步的磨合和提高，開發效率、模型質量還會有進一步提高。同時所用的軟硬件工具大部分都基于新型技術，改進和換代速度很快，這會進一步增加上述方案的可用性和效能。（本文原刊于南京師大學報社會科學版2014年8月）

參考文獻

[1] 百度百科. 虛擬現實技術[EB/OL]. http：//baike.baidu.com/view/95269.htm， 2012-09-28.

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[12] 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

作者簡介

李向昭：（1965- ），男，本科，實驗師，主要研究方向：電子教育教學。

* 通信作者：楊磊，男，講師