TECNOMATIX系統在核電維修中的應用研究

劉吉雙，陳飛，葉清，蔡國輝，袁鑫

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

TECNOMATIX系統在核電維修中的應用研究

劉吉雙，陳飛，葉清，蔡國輝，袁鑫

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

基于TECNOMATIX軟件，從工程應用角度，介紹核電虛擬維修仿真與評價的一般流程與方法。結合某計量泵的解體檢修過程，通過構建虛擬維修仿真場景，依據計量泵解體的具體過程對其進行可達性與可視性、拆卸姿勢、工作負荷等與維修性相關的人機工效分析，并輸出維修仿真視頻指導工人現場工作。

虛擬維修；計量泵；人機工效分析

0 前言

在核電站中，反應堆的特殊運行環境導致設備故障率較高，為保證其能快速恢復到穩定運行狀態，要求維修人員具備良好的現場維修技能。核電設備結構復雜，裝配技術要求高，維修人員要在較短時間內掌握設備拆裝工藝，實現就地維修有很大困難。在傳統的維修培訓中，人們往往結合紙質技術資料和簡單的等比例物理樣機對受訓人員進行培訓，使其對維修對象的結構形式和維修過程進行學習和了解。在培訓中，紙質技術資料顯示的內容不直觀。而利用物理樣機進行培訓，則會因為樣機的型號、數量以及場地限制，使受訓人員的數量和質量受到影響，從而降低培訓效率。此外，在核電設備維修過程中，還存在著作業空間狹小、維修操作不正確、工人操作姿勢不科學，以及作業強度大等諸多難以回避的問題。

伴隨著運動仿真學和計算機圖形學的快速發展，虛擬現實技術也得到了很快的發展。在基于桌面式虛擬現實的基礎上，利用建模技術，對核電維修過程中所涉及的設備、工具、工人以及廠房進行建模，之后將建好的三維模型集成到虛擬的維修場景中，依據實際維修過程對該設備模型進行虛擬維修仿真，提前發現維修過程中存在的不合理操作，然后結合人機工效分析對維修過程進行改進和優化。TECNOMATIX是德國西門子公司推出的一款虛擬維修仿真軟件，其強大的3D設計功能保證了進行虛擬維修仿真的可行性與可靠性。本文結合某計量泵的解體檢修過程，探討TECNOMATIX系統在核電維修中的應用方法，總結開展核電虛擬維修的優勢和在后續工作中需進一步解決的問題。

1 核電設備虛擬維修過程

1.1 虛擬維修仿真流程

TECNOMATIX的虛擬維修仿真流程，以實際維修過程為基礎，在建立虛擬維修對象、工具以及維修人員人體模型的基礎上，將整個維修過程形象、逼真的再現出來，同時利用人機工效分析對維修過程進行優化和改進，最后將虛擬維修過程以視頻的形式輸出。仿真流程見圖1。

1.2 構建虛擬維修環境

對核電設備進行維修仿真及評價，需要在計算機上建立設備、工人、工具和廠房模型，要求設備模型能夠表現出實體的幾何、物理特性并能描述零部件間的關聯運動和約束關系，人體模型可以代表不同比例人群的身體特征，廠房模型則需合理地反映廠房的布局。在TECNOMATIX中，通過人機工程模塊來創建維修人員的全尺寸模型；設備模型和廠房模型則可以通過讀取CAD軟件中的三維數據模型文件來進行加載。在完成三維建模后，將維修作業涉及的對象集成到一個虛擬的維修場景中。

圖1 核電設備維修過程仿真流程圖

2 維修工藝規劃

在完成虛擬維修環境的構建之后，要對維修作業進行分析，以便制定維修工序，劃分維修操作。任何一個維修事件都是由若干維修單元（維修工序）構成，每個維修單元則是由若干維修操作動作合成，將操作動作進一步分解后，即得到運動的最基本的單元——動素[1]。任何動作單元都可以由若干個不同的動素進行合成。

不同維修單元涉及的部件以及執行的維修操作不同，因此在維修單元制定之后，要根據實際維修情況確定維修單元之間的操作順序，并對各維修單元進行規范化設計，確定各維修單元操作的部件以及該維修單元執行的維修操作，使維修過程標準化。在TECNOMATIX系統里對維修作業的分析主要表現為對維修過程進行工藝規劃（圖2）。

3 維修過程仿真

虛擬維修仿真是在虛擬環境下對實際維修過程進行再現和預演，要求能夠形象、逼真地反映出維修過程中設備、維修人員以及工具所發生的各種行為[2]。完成維修工藝規劃之后，用戶可利用TECNOMATIX系統對維修過程中人的運動、操作姿勢以及人與維修對象之間發生交互運動進行仿真，真實地反映出整個維修過程。并在仿真過程中實時進行干涉檢查，檢查在維修過程中工人、設備、工具與環境之間是否存在干涉，以便及時調整維修操作。

4 仿真過程分析

仿真過程分析是在詳細了解維修任務的基礎上，考慮各維修操作的協調性以及維修過程中維修人員作業空間的開敞性，對維修過程進行優化與改進，刪除無效的維修動作、降低運輸工作量等，從而減少維修作業時間。

5 人機工效評定

目前，核電維修作業仍屬于重體力作業，很容易引起疲勞作業。設備、環境等因素都會對人體的心理、生理產生直接或間接的影響，從而影響維修操作。另外，維修過程中的可達性、可視性與干涉碰撞現象也會影響工人的維修操作。人機工效分析主要對環境、設備以及工人之間的相互關聯性、相互協調性進行分析評估，進而進行改進與優化，以保證工人操作的安全性和舒適性并提高工作效率[3、4]。

（1）工作負荷分析。單位時間內人體承受的體力活動工作量即體力工作負荷必須處于一定的范圍之內。目前國際上廣泛采用的工作負荷定量分析方法是人體動作能耗預測模型，用能耗來分析工作負荷[5]。該模型采用基于動作分解的方法，將維修操作分解為基本的維修動素，通過維修動素的能耗累加得到執行維修作業的總能耗。

（2）可視性與可達性分析。在維修過程中，可視性與可達性是最基本的要求，即：維修人員要能夠看見即將操作的部件以及自己的維修操作，并且在指定的維修地點能夠伸手觸及將要進行維修操作的部件。

（3）干涉碰撞分析。干涉碰撞分析主要是檢查在維修過程中人體模型與維修對象、工具與維修環境之間是否存在干涉[6]。當發生干涉現象時，可以通過調整人體模型的作業姿勢以及運動路徑來進行優化。

（4）作業姿勢分析。作業姿勢分析有OWAS、NOISH、RULA等分析方法。OWAS（Ovako Working-posture Analyzing System）用于分析維修人員工作時的身體姿勢，并依照該姿勢所可能引發的肌肉骨骼傷害程度予以評定等級，提供維修人員對現場工作進行改善的參考依據[6]。OWAS主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個部位的姿勢和人體承受的負重，然后根據這5項進行編碼，之后將編碼按照特定的組合方式展現出來。通過綜合分析這5種要素之間的相互作用，來評定4種疲勞等級，代表當前姿勢的健康程度以及需改進的迫切程度。OWAS編碼定義以及疲勞等級分類（圖3）。

例如，計量泵維修仿真，選用計量泵解體檢修過程作為研究實例，結合虛擬維修仿真操作流程，分別建立計量泵、工具、廠房以及人體等模型后，集成到虛擬環境中，并進行布局，從而真實模擬維修環境（圖4）。

圖2 維修事件分解圖

圖3 OWAS編碼定義以及疲勞等級分類

圖4 虛擬維修環境

在完成虛擬維修環境構建之后，進行維修工藝規劃。本例為計量泵的解體檢修過程，維修工作人員可根據實際檢修過程在TECNOMATIX中對各道工序進行更細致的劃分，得到該檢修過程的工藝樹（圖5）。

圖5 計量泵解體檢修工藝樹

完成工藝規劃之后，就要進行維修過程仿真及分析。維修過程仿真是在計算機中對維修過程進行模擬，將計量泵解體檢修過程中人體動作以及設備、工具的運動路徑真實的展現出來，并在模擬過程中實時進行干涉檢測，以便發現維修過程中不合理之處，提前解決實際維修中可能存在的問題。圖6是工人維修仿真場景。對于維修過程中存在的不合理之處，可通過調整工序順序以及部件運動路徑來進行改善。

在完成維修過程仿真之后，依據人機工效原理對維修過程進行人機工效分析，如圖7所示。

通過工作負荷分析來衡量人體疲勞度，判斷工人在維修操作過程中是否疲勞作業；通過干涉碰撞分析，可以檢測工人在維修過程中是否與周圍的物體存在干涉，從而改善工人的操作姿勢及運動路徑，消除維修事故；通過可視性分析，檢查故障部件是否在工人的視野范圍內，防止誤操作以及事故的發生；通過可達性分析，檢查在操作過程中故障部件是否處于人體可達范圍之內；通過人體姿態優化，保證工人在較長時間處于舒適的工作姿勢，推遲疲勞作業。最后，對仿真過程產生的視頻進行輸出，對現場工作人員進行維修操作指導，圖8。

圖6 維修過程仿真

圖7 人機工效分析

圖8 維修仿真視頻文件輸出

6 結束語

通過講述TECNOMATIX系統在核電維修上的應用過程，并以計量泵的解體檢修過程為實例進行虛擬維修仿真，維修人員可提前模擬真實的維修過程，提高維修人員的實際維修能力；在仿真過程中結合人機工效分析，改善維修過程中不合理的操作與姿勢，減少疲勞作業，降低人為因素對核電維修事故的影響；仿真生成的演示視頻文件，對現場作業有一定指導意義，可用于對維修人員進行培訓的素材，減少培訓周期。

［1］柳輝，郝建平.基于虛擬維修仿真的維修性分析系統設計與實現[J].系統仿真學報，2006，2.

［2］郝建平.虛擬維修仿真理論與技術[M].北京:國防工業出版社，2008.

［3］郭伏，錢省三.人因工程學[M].北京:機械工業出版社，2005.

［4］袁修干，莊達民.人機工程[M].北京:北京航空航天大學出版社. 2002.

［5］尹良.基于虛擬裝配仿真的人機工效分析[D].武漢:華中科技大學，2012.

［6］王異香.基于虛擬維修的仿真人機工效分析研究[D].南京:南京航空航天大學，2007.

〔編輯 王永洲〕

TM623

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.01