VR技術在核電站施工中的應用研究

王晰+高揚+雷欣

【摘 要】本文針對核電站施工特點以及施工過程中的實際需求，從技術手段上分析了VR技術與信息管理系統的數據融合，提出了構建核電站廠房實景系統的方案，結合VR技術與信息管理系統的優點，以實現核電站廠房施工過程的可視化管理，對核電站的施工管理進行了積極探索。

【關鍵詞】VR；核電站；施工

0 引言

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是近些年來在計算機圖形圖像技術方面的研究熱點之一，其目的是利用計算機構建與現場一致的模擬真實環境，通過視覺、觸覺等多種手段，實現更高端的人機交互[1]。這一特點，使得VR在教育、軍事、航天、工程、煤礦、醫學等領域獲得了廣泛應用。

核電站的施工過程是一個需要多工種協調配合的復雜過程，利用目前流行的BIM技術可以對建筑結構和設備管道等的設計和布置進行優化和整合，極大提高施工效率。但電站的施工同時也是一個動態過程，BIM對于施工動態的記錄則缺少連續性和直觀性。隨著VR技術的日趨成熟，該技術已逐漸應用于建筑工程領域，對核電站的施工過程進行連續記錄則成為可能，VR技術在核電站施工中的應用對于施工效率的提高和施工經驗的承載都具有十分積極的意義。

1 核電站施工中的需求分析

華龍一號是我國自主研發的第三代核電技術[2]，今后必將成為我國核電建設的主力堆型。由于核電項目建設的相似性和連續性，前期建造的核電項目對于后期項目在很大程度上具有重要的參考價值，尤其是在施工階段，設備或設施的安裝調試可能面臨一些預想不到的難題，這時參考電站的施工經驗則變得尤為重要。經驗的傳承往往以圖紙和文件為載體，但是這些資料往往不夠具有直觀性，因此，在解決個別問題時，設計、施工人員可能需要前往參考電站進行實地勘察。然而隨著電站施工的不斷推進，廠房內的狀態一直不斷變化，實地勘察的時機可能將不復存在。特別地，當參考電站已經進入服役狀態，實地勘察也將會變得難以進行。

使用VR技術定期采集各個廠房內的場景信息，并以此為基礎構建核電站廠房的實景展示系統，則可以完整保存電站的施工情況，不僅為項目本身積累了重要的過程資料，也可為后續項目提供參考。

2 系統方案設計

2.1 用戶群分析

目前國內核電項目大多采用EPC模式，核電項目中的施工反饋和設計改進等工作主要集中在總承包公司內完成[3]。因此，總承包公司是首要的潛在用戶。

土建公司和安裝公司是核電工程的具體實施者，核電項目的逐步擴建使得建安公司的新增從業人員數量逐漸增加，高級技術人才的比例則因此降低。實景系統的使用對于建安公司的新員工盡快熟悉核電工程也具有很大幫助。

業主作為核電站的最終運營方，如果能從前期就介入核電站的施工，對于后期的運維工作也具有積極意義。

綜上，核電站實景系統的用戶群為總承包公司、土建公司、安裝公司和業主。

2.2 系統物理構架

系統采用了客戶端/服務器模式，通過廣域網和局域網相結合的方式，實現了分布式可視化的信息管理，整個系統由數據服務器、界面服務器和客戶端組成，數據服務器和界面服務器位于總承包公司的管理中心，客戶端則位于用戶群的信息中心。

3 VR技術方案設計

3.1 建模方法概述

3.1.1 數據建模法

通過對建筑結構、管道布置等設計資料的收集和個別數據實地測量相結合的方式獲取廠房內的幾何信息和材料數據，運用三維設計軟件建立類似于BIM的廠房模型。該方法建立的模型界面精致、材質合理，但建立過程較為復雜。

3.1.2 掃描建模法

通過激光掃描儀在各個方向進行測量，建立點陣數據，通過數碼相機等設備獲取建筑物的表面數據。然后建立點云數據和表面數據的映射，用計算機視覺技術進行三維點與表面數據的擬合，從而實現建筑物的模型重建。該方法建模較為精確，但是，資源消耗高，設備成本過大。

3.1.3 照片建模法

通過高分辨率全景照相機拍攝高精度的圖像數據，利用計算機視覺處理軟件對照片進行處理，將2D的照片直接轉換為3D模型。該方法可以快速地獲取建筑模型。但該3D模型事實上為偽3D模型，即僅在視覺上呈現3D效果，但并不能通過該模型獲取空間中兩點的相對位置。

3.2 建模方法選定

通過以上3種建模方式的對比，可以明顯看出，照片建模法最為方便快捷，唯一的問題就是偽3D。然而近些年BIM技術也在不斷發展進步，在核電項目中已經逐漸開始使用類似的三維設計系統。BIM很好地解決了空間機構中的碰撞問題，而VR系統則能完整地記錄過程信息。兩者可以互為補充，協同解決核電站施工。因此，建模方法選定為照片建模法。

3.3 VR全景圖的制作

傳統的三維全景圖是由多角度拍攝的數張照片使用軟件進行拼接，再使用全景工具軟件制作而成[4]。近些年，部分相機中已集成拼接功能，所謂的全景相機已成為技術相對成熟的產品，使用全景相機可直接拍攝出高分辨率的全景圖像。再使用Pano2VR等軟件即可將全景圖像處理生成具有三維效果的swf格式的模型圖，該模型圖中可添加熱點，方便與廠房、設備信息系統融合。

4 VR系統與信息系統的集成和使用

VR影像的采集因攝像技術要求以房間為單位，核電站中核島的輻射分區、設備布置等信息也恰好以房間為單位進行劃分。因此，VR系統與電站內其他類型的信息系統宜從房間層次融合，橫向延伸到所有廠房，縱向貫穿至各個標高，最終形成整個核島的數據。使用者以VR界面為初始界面，即可開始在核電站廠房中的踏勘。對于想了解的設備，可利用其中的熱點直接鏈接至設備說明書或系統手冊，方便發散式獲取相關信息。

對于總承包公司、土建公司、安裝公司和業主均可開放寫入權限，即所有用戶只要按照規定要求采集影像，均可導入系統與其他用戶共享。在電站建設周期內連續采集的數據可匯總實現“時間線”功能，即類似于延時攝影的高速回放，隨時瀏覽某房間從初始時間到當前觀察節點的安裝進度情況。

5 結語

基于VR技術拓展并搭建的核電站廠房實景系統集成了虛擬現實、信息管理技術和數據庫技術，構建了一整套針對核電站施工階段廠房內形貌及房間內系統設備的管理系統，有助于總承包公司直觀地了解施工進度，有助于建安公司合理地調配施工進程，有助于業主完整地記錄電站的過程信息，具有很強的可延伸性和可拓展性，對優化核電站的施工管理具有重要的意義。本系統目前已完成底層平臺的搭建，隨著后期的數據錄入和影像采集，必將在核電項目的建設中發揮實際作用。

【參考文獻】

[1]申蔚，曾文琪.虛擬現實技術[M].北京：清華大學出版，2015.

[2]邰江.“華龍一號”安全特性分析[J].中國核電，2015，8（4）：293-299.

[3]李京彥.設計管理在核電EPC項目中的實施[J].中國核電，2009，2（3）：249-257.

[4]張曉亮，李麗.全景圖拼接技術研究及應用[J].現代計算機（專業版），2011（19）：27-30.endprint