核設施退役場景的仿真實現技術研究

晁楠，劉永闊，李夢堃，彭敏俊，王雙宇，袁成前

哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

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核設施退役場景的仿真實現技術研究

晁楠，劉永闊，李夢堃，彭敏俊，王雙宇，袁成前

哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

摘要：從核設施退役的需求出發，應用虛擬現實技術對核設施退役場景進行規劃設計，提出了一種核設施退役仿真的實現方法。研究中利用Unigraphics(UG)三維建模軟件建立退役人員、工具及核設施的三維(3D)模型，在此基礎上應用C#4.0語言和WPF(windows presentation foundation)實現了三維仿真漫游、場景布置、虛擬人仿真控制等交互功能，提供了基于手動模擬與優化路徑模擬2種工作方案規劃方式，開發了核設施退役場景仿真系統。研究結果表明，該系統能夠實現核設施退役三維場景的虛擬仿真。

關鍵詞：核設施；虛擬現實；退役；安全性；仿真培訓；手動模擬；優化路徑模擬

劉永闊(1977-)，男，副教授，博士.

核設施運行一定年限后需要退出服役過程，由于其運行環境帶有放射性，同時考慮到人員訓練安全、訓練成本等因素，使得退役工作存在很大難度。隨著虛擬現實技術的快速發展，其已經被廣泛應用于各個領域，目前世界有核國家普遍采用虛擬現實技術進行危險環境下的人員培訓。國外對核設施退役方面的虛擬現實應用研究比較早，世界核工業界針對不同類型核設施退役取得了不少經驗[1-2]，相關的軟件支持也得到了很多成果[3-5]。其中，比利時開發了用于工作前培訓的三維可視化ALARA計劃工具(VISIPLAN 3D ALARA planning tool)[6]；歐洲核能機構利用虛擬現實技術模擬退役拆除工作，并培訓操作人員和評價拆除裝置的性能[7]；巴西核工程研究所利用游戲引擎Unreal模擬輻射場三維場景，用于輻射場工作人員的培訓[8]等。我國對于核設施退役方面的相關研究還十分缺乏。文中考慮到核設施退役的需求，運用虛擬現實技術開發了核設施退役場景仿真系統，工作人員通過與三維場景的交互，熟悉退役場景和工作流程，進而實現人員培訓、提高操作安全性與優化退役方案的目的，研究成果可以為核設施退役工作提供一定的參考和借鑒。

1核設施退役場景仿真系統構建

核設施退役場景仿真系統基于Visual Studio.Net 2010平臺，采用WPF開發。系統構建流程如圖1所示，主要分為3個部分：核設施三維建模、虛擬人動畫建模、仿真程序的開發。

圖1　系統構建流程

2三維場景的開發與實現

2.1三維模型的建立

核設施與虛擬人的3D模型在UG中建立，根據三維模型各部分之間的父子關系，采用樹狀結構構建，建立好的模型需要進行大量的優化工作和必要的格式轉換，最終獲得精簡準確的三維模型文件。研究中所使用的靜態三維模型格式為“.obj”格式，“.obj”文件是Wavefront公司開發的一種標準3D模型文件格式，很適合用于不同3D模型格式之間的互導。核設施退役場景仿真系統中設計有模型導入接口，該接口按照樹狀層次結構轉換和保存3D模型，能夠將不同的設備模型導入到核設施退役場景仿真程序中，在此基礎上進行靜態場景仿真。模型導入后的效果如圖2所示。

圖2　導入3D模型

2.2場景規劃功能的實現

1)模型操作

核設施退役場景仿真系統對3D模型的操作能力是實現布置虛擬場景、虛擬拆除演示功能的基礎。3D模型在核設施退役場景仿真程序內部由WPF的Model3DGroup類按父子關系存儲。利用碰撞檢測判斷所選模型所屬的子Model3DGroup對象，可以對該部分模型進行刪除、重定位和重定向。同理將此所選的子Model3DGroup對象作為父節點，可以添加其他3D模型。在執行模型操作時，首先選取模型上一點，通過碰撞檢測獲取該點處的最小Model3DGroup對象，通過將該對象與坐標變換工具綁定，實現對象與坐標變換工具的同步變換；若將此Model3DGroup對象作為父代容器，可以在其下添加另一子Model3DGroup對象，則實現模型的添加；相反，若將此Model3DGroup對象從父代節點移除，實現模型的刪除操作。其中，3D模型平移的效果如圖3所示。

圖3　平移3D模型效果

2)路徑標記

為模擬實際退役工作人員在核設施場景中的工作過程，在核設施虛擬場景中需要給虛擬人員設計工作路徑并提供輻照劑量最小的最優工作路徑。工作路徑的設計采用手動添加路徑節點來完成，最優路徑的搜索可根據具體需求通過優化算法獲取，也可借鑒機器人領域相關的路徑規劃方法[9-10]，本次研究采用局部導航算法[11]搜索最優路徑。算法將路徑節點數據通過劑量計算模塊接口傳遞到三維場景中，在三維場景中通過在路徑節點處添加路標和路線，將路徑進行可視化展示。最優路徑計算界面如圖4，最優路徑在三維場景中的展示效果如圖5。

圖4　最優路徑計算界面

圖5　三維場景最優路徑展示

3)漫游

三維漫游是指在一個真實或假想場景的虛擬空間中，用戶可以借助必要的外部設備從任意角度對環境進行觀察，也稱為交互式的虛擬漫游。研究中采用了3種漫游方式：自主漫游、路徑漫游、視角切換漫游。自主漫游功能通過WPF的3D開發幫助類來實現。操作中采用鼠標和鍵盤作為控制器，控制各個角度的變換，增強虛擬場景的真實感。路徑漫游是將攝像機和虛擬人關聯，以虛擬人的視角按照預先設置的路徑自行移動觀察虛擬場景，路徑漫游避免了自主漫游過程中較復雜的控制方式[12]。視角切換漫游根據用戶預先保存的幾組模型姿態或視角，攝像機平滑地從當前視角過渡到下一個視角，該方法適合用戶對場景中幾個常用的區域進行瀏覽。

路徑漫游與視角切換漫游流程如圖6所示。

圖6　漫游路徑和視角切換漫游流程

自主漫游、路徑漫游和視角切換漫游的實際效果如圖7所示。

(a) 自主漫游

(b) 路徑漫游

(c) 視角切換漫游(1)

(d) 視角切換漫游(2)圖7　三種漫游效果

3虛擬人仿真控制的開發與實現

3.1虛擬人動作的建立

虛擬人模型由UG建模軟件來建立，利用ZAM3D設計虛擬人動作，轉換成XAML格式的資源供核設施退役場景仿真系統加載。ZAM3D是一種微型3D建模軟件，它可以創建網格，并設計動畫，能夠將自己的輸出文件導出成WPF能夠識別的XAML文件。研究中將虛擬人、動作分別建立獨立的模型資源，可實現模型的重復利用與資源重新組合，實現可擴展性。資源制作流程如圖8所示。

圖8　資源制作流程

3.2虛擬人控制的實現

虛擬人仿真控制是人機交互的重要組成部分，用戶通過人機界面、鼠標與虛擬對象交互，實現基本的工作演示。WPF提供了豐富的動畫類集合[13]，研究中采用了關鍵幀動畫，仿真程序內部通過動作列表中的動作序列，依次將不同動作資源與不同種類虛擬人進行重新組合綁定，完成虛擬人的動作切換銜接，實現工作序列的順序模擬。其仿真設置流程如圖9所示。虛擬人的行為控制同樣可以通過鍵盤直接進行操作。

圖9　虛擬人動作設置流程

4核設施退役場景的仿真實現

核設施退役場景仿真系統的仿真效果如圖10所示。圖中操作序列為：1)布置虛擬場景，向虛擬場景中添加退役工具，并進行平移、旋轉等操作，效果如圖10(a)所示；2)添加3個虛擬人，并手動為每個虛擬人設置工作路徑，效果如圖10(b)所示；3)模擬多人工作場景，設置虛擬人動作序列，并控制播放，效果如圖10(c)、(d)所示，其中設置一位虛擬人拾起物體，設置另一位虛擬人觀察場景，其他動作均設置為行走。

(a) 布置虛擬場景

(b) 設置虛擬人路徑

(c) 設置虛擬人動畫

(d) 虛擬人拾取動畫圖10　核設施退役場景仿真效果

5結束語

文中利用C#4.0語言實現了核設施退役場景仿真系統的開發，完成了3D模型導入、場景布置、路徑設置、漫游等功能，并利用鼠標鍵盤等設備與核設施退役場景仿真系統交互，可以滿足核設施退役三維場景操作、漫游的基本需求。研究中實現了虛擬場景中虛擬人的仿真控制，能夠實現多人工作的設置與展示。通過實際3D模型的測試，核設施退役場景仿真系統能夠實現核設施退役三維場景的虛擬現實仿真，為實現核設施退役的虛擬現實技術模塊的開發提供一定的參考。

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網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20151206.1016.014.html

A scene simulation system for decommissioning of nuclear facilities

CHAO Nan, LIU Yongkuo, LI Mengkun, PENG Minjun, WANG Shuangyu, YUAN Chengqian

A Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

Abstract：The objective of this paper is to develop a simulation method to meet the demand of nuclear facilities decommissioning. Virtual reality technology is applied in planning and designing decommissioning scenarios of nuclear facilities. The research uses Unigraphics (UG) three-dimensional (3D) modeling software to establish a 3D model, for retired personnel, tools and nuclear facilities. On this basis, by using C# 4.0 language and windows presentation foundation(WPF), the research realizes the 3D simulation roaming, scene arrangement, simulation control of virtual human and other interactive features, provides a planning way based on two types of working plans, namely manual simulation and optimized route simulation, and develops a simulation system for decommissioning scene of nuclear facilities. The results of the research show that the system is able to realize virtual simulation of 3D scene for decommissioning of nuclear facilities.

Keywords：nuclear facilities; virtual reality; decommissioning; safety; simulation training; manual simulation; optimized route simulation

通信作者：劉永闊，E-mail：liuyongkuo@hrbeu.edu.cn.

作者簡介：晁楠(1991-)，男，博士研究生；

收稿日期：2015-02-28.網絡出版日期：2015-12-06.

中圖分類號：TL36

文獻標志碼：A

文章編號：1009-671X(2015)06-062-05

doi:10.11991/yykj.201502008