AP1000核電站虛擬現實技術模型簡化①

(山東核電有限公司,山東　煙臺　264000)

虛擬現實技術(Virtual Reality，VR)是近年來興起的以計算機技術為核心的研究熱點之一[1]，包括計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、傳感器技術和高度并行的實時計算機技術，VR技術在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互能力。目前VR技術已在軍事、醫學、設計、娛樂等眾多領域得到了廣泛應用，并成為最熱點的研究方向之一。

目前，核電站由于其生產對象和生產手段的特殊性，其安全運行要求核電站工作人員必須熟悉電站各設備布置，熟練掌握電站運行原理,維修人員具備拆解、維修、回裝設備的能力，但目前大量核電設備結構復雜、安裝位置不易操作、部分區域由于高溫、高壓、高放射性等原因導致電站工作人員無法直接觀察和操作設備，特別是以AP1000為代表的第三代先進核電技術，與傳統的二代及二代加核電相比，其設計、系統和設備都有較大改動，更需要從業人員快速掌握AP1000三代核電技術。當前只能通過書籍、技術規范書、運維手冊、設備圖紙、拆解模擬體、現場操作實體設備等途徑學習了解設備的知識，但是這種學習途徑，不僅不夠直觀，且受制于廠房區域控制授權管理、設備資料提交進度、設備交付安裝進度等制約，因此無法全面的保證電站工作人員及時掌握崗位所需的技術和知識。因而虛擬現實技術對于具有放射性環境核電站，尤其是新型的第三代AP1000核電站更具有應用價值。

當前，虛擬現實技術在核電站的應用，國內外已進行了一些研究，如O. Fridtjov 研究了虛擬現實在核電站事故管理中的應用[2]；歐洲核能機構(ENEA)啟動了退役中的虛擬現實工程，比利時開發了工作前培訓三維可視化系統；日本開發了核電站檢修期間輻射劑量的計算機虛擬仿真系統[3]；美國西屋公司開發了輻射場三維空間分布可視化軟件，主要用于形象的顯示輻射源和屏蔽體結構變化時空間輻射劑量分布的變化[4]；劉鵬飛研究了虛擬現實技術在核電站仿真中的應用[5]。此外，國內核電站也進行了對應的研究，中廣核工程公司設計院已正式成立“虛擬現實工程應用實驗室”，正式將虛擬現實技術引入設計過程，將以“華龍一號”項目建設為契機，在輔助建筑設計、客戶體驗、核電智能電站三個方面開展虛擬現實技術應用嘗試[6],海陽核電站也開發了AP000電站地理漫游系統。但當前核電站虛擬現實技術的應用受制于海量幾何模型數據，僅能簡單繪制地理漫游和展示，無法全面模擬工藝、設備運行狀態，實時逼真的展示電站全貌，使用戶難以獲得沉浸感，因而如何有效的簡化模型數據使模型實時顯示就成為核電站虛擬現實技術應用的關鍵之一。

考慮同一模型由于視點遠近對于模型精度要求不同，本文基于QEM簡化算法建立不同精度的層次AP1000設備模型，并在場景的實時動態顯示中，利用連續細節層次現實技術，對于近距離觀察時，采用精細的模型進行繪制；反之，遠距離觀察時，則選擇粗糙的模型進行表示，提高顯示效率與實時性，最后對AP1000設備模型進行了簡化效果驗證。

1　AP1000設備虛擬現實模型建立和顯示

1.1　STL三角網格文件

MicroStation、CAD、Pro/E等三維軟件系統建立的模型雖然能精確的表示模型的幾何信息，但包含模型信息過多導致數據量巨大，無法實現模型快速導入導出，不能滿足虛擬現實技術的實時性與真實感要求，因此目前虛擬現實技術一般采用網格格式表示。而在網格面片格式如SLP格式、STL格式、WRL格式、PLY格式等文件中,STL三角網格文件格式，是利用三角面片擬合表示模型外形結構[7]，具有數據結構簡單，數據較少，容易讀取，可以直接導入到虛擬環境中，便于模型的顯示與快速渲染操作等優點，而且作為一種中性格式，常用的三維CAD系統造型軟件如MicroStation、CAD、Pro/E等都能直接輸出這種格式模型，因而現在已經成為三維制圖系統與快速成型系統進行數據傳遞的較為普遍的文件格式與事實上的接口標準。

圖1分別展示了模型幾種格式的顯示效果，圖1(a)為MicroStation建立的AP1000堆內構件RVI 半環板模型，圖1(b) MicroStation模型轉化后的STL網格填充效果圖，通過對比不難發現STL模型保持了原始模型的幾何外形。

STL三角網格文件中，模型幾何位置信息都由離散的三角面片的集合記錄。每一個三角面片都是由組成三角形的3個頂點的坐標和1個法向量來描述的。STL文件有兩種表示類型，一類是文本文件(ASCII)，另一類則是二進制文件(Binary)，STL文件的兩種格式各有優缺點，二進制格式的文件占用的存儲空間較小，一般為同文件ASCII格式的20%[8]，能夠節省存儲空間，但是ASCII格式的文件能用記事本打開，易于直觀識別，本文采用ASCII格式。

圖1　模型不同格式表示效果Fig.1　Display of different model type

1.2　STL三角網格文件

讀取STL文件時，只需要按行讀入每個三角面片單位法矢與定點的坐標數據即可。當STL文件讀入之后，借助于OpenGL來進行STL三角網格的繪制和顯示，在OpenGL函數庫中，直接提供了渲染與繪制三角面片的函數glBegin(GL_TRIANGLES)，能夠方便快捷的實現STL網格文件的繪制與顯示。讀取與顯示STL網格文件的流程圖如圖2所示。

圖2　讀取與顯示STL網格文件流程圖Fig.2　Flow chart for reading and displaying STL mesh

2　AP1000設備虛擬現實模型數據簡化

本文建立不同細節層次簡化模型采用通用的基于“二次誤差度量” (Quadric Error Metrics，簡稱QEM)的簡化算法，其中基于QEM的簡化算法以邊折疊為基礎，引入了點到三角網格平面距離的平方作為誤差度量[9]，同時本文利用雙向鏈表記錄了簡化序列，可以實時獲得相應連續細節層次的模型。

2.1　邊折疊簡化算法原理

邊折疊簡化基本思想是：首先選取一組誤差準則，選取出一條邊上的兩個頂點，然后根據相應準則把此邊上兩點合并為一個點，即邊轉化為一點，然后更新三角面片頂點與法向量信息。

圖3　邊折疊算法原理圖Fig.3　Schematic of edge folding algorithm

如圖3所示，假定{g，h}兩頂點所確定的邊作為折疊邊，{h}為折疊后保留點，即邊{g，h} 折疊為點{h}[10]。

2.2　基于QEM的簡化算法原理

2.2.1二次誤差矩陣Q計算

基于QEM簡化算法的邊折疊簡化，模型的每一個頂點都被給予一個誤差值，鑒于模型中各個頂點又為一組三角面片的交點，故考慮頂點時應關聯頂點相鄰的三角面片，為了計算誤差值，假定三角面片所在平面的方程為：

ax+by+cz+d=0

(1)

根據平面方程定義可知向量(a,b,c)為平面ax+by+cz+d=0的法向量，STL網格模型中三角面片法向量為單位法矢，故a2+b2+c2=1，由此可計算平面外一頂點v(x,y,z,1)T與ax+by+cz+d=0平面距離平方：

D(v)=|ax+by+cz+d|2

(2)

現將平面方程各項系數假定成為一個一維矩陣p=[a,b,c,d]T，則平面外一頂點與平面距離的平方D(v)，則可以表示成為：

D(v)=|ax+by+cz+d|2=(pTv)2
=(vTp)(pTv)=vT(ppT)v

(3)

對于公式(3)中的(ppT)一項，為簡化表示，可以設定為Kp，則公式(3)可以簡單的表示為：

D(v)=vTKpv

(4)

公式(4)中Kp定義為平面ax+by+cz+d=0的二次矩陣，由矩陣定義可以計算出Kp的表達式為：

(5)

依此方法可以求得模型中頂點v距離其所有相鄰平面的平方和，首先假設頂點v相鄰平面集合為：

TriPlane(v)=(TriPlane1,TriPlane2,……TriPlanen)

(6)

根據Kp定義可知，模型中頂點v到所有鄰近平面距離之平方和為KTriPlane1+KTriPlane2+……KTriPlanein，為簡便表示可以令：

(7)

根據二次誤差定義可以求得出v(x,y,z,1)T點的二次誤差值：

(8)

(9)

由Kp定義可以得出二次誤差矩陣Q所表示的意義，即與點v(x,y,z,1)T鄰近所有三角面片二次誤差矩陣之和。

2.2.2折疊頂點計算選取

由二次誤差定義假設網格模型一頂點對為v1與v2由公式(9)可以分別計算出其二次誤差矩陣Q1與Q2，則將頂點v1與v2折疊的二次誤差矩陣可以認為二者之和：

Q=Q1+Q2

(10)

計算網格模型中所有相鄰兩頂點的二次誤差值，從中選取二次誤差值最小的頂點對進行邊折疊簡化，設折疊后的頂點為v(x,y,z,1)T，由公式(8)與公式(9)可知折疊操作后，得到點v(x,y,z,1)T的二次誤差為：

Δ(v)=vTQv=vT(Q1+Q2)v

(11)

理論上折疊后選取的頂點v(x,y,z,1)T應當使得二次誤差值Δ(v)最小，即求取Δ(v)=vTQv的最小值。

(12)

然而考慮到算法的復雜程度及誤差影響大小，本文選取折疊頂點對v1于v2的幾何中點v=(v1+v2)/2作為二次誤差代價最小的極值點作為折疊后頂點，即邊{v1，v2}折疊為點{(v1+v2)/2}。

2.3　連續細節層次技術實現

三角網格模型的細節層次(Level of Detail)表示是由原始網格模型與其不同精度層次簡化模型組成[11]。細節層次通常對一個原始的網格模型建立不同精度的層次模型，在不影響視覺的前提下，根據視點的遠近有條件的選取不用層次的模型，即當模型據視點較近時，選擇精細的模型繪制，以便于觀察模型的細節；當模型距離視點較遠時，模型細節部分觀測到的概率較小且占據屏幕區域減少，故選擇較粗糙的模型來繪制在相應環境中選取特定精度的層次模型，不同細節層次模型如圖4所示。從而，在AP1000電站虛擬現實實時場景顯示時，通過減少過多的細節繪制，既能縮短計算時間又不會減低場景的逼真程度，從而提高顯示效率[12]。

圖4　軸承不同層次細節模型Fig.4　Different levels of detail for bearing model

3　AP1000虛擬現實技術模型簡化效果驗證

本文利用MicroStation建立了設備模型，建立的模型為AP1000堆內構件RVI堆芯圍筒，包含：堆芯底板、4組C板組件、4組W版組件、4個下部半環板垂直支撐、20個中部半環板垂直支撐、4個上部半環板垂直支撐、半環板、頂板、4個上部C板組件、4個上部W板組件、4個鑲嵌塊等部件。原始模型如圖5所示，其對應的STL網格填充圖如圖6(a)所示，STL網格圖如圖6(b)所示。

圖5　RVI堆芯圍筒原始模型Fig.5　Original model of RVI Shroud

3.1　AP1000虛擬現實技術模型簡化系統開發環境及主要功能

本文軟件系統開發環境如表1所示：

表1　系統開發環境

3.2　采用基于QEM算法簡化建立不同細節層次AP1000設備模型顯示效果分析

對于圖6RVI原始模型采用QEM算法簡化后，不同精度的模型如圖7所示。

圖6　RVI 堆芯圍筒STL模型Fig.6　STL model for RVI Shroud

本文系統主要實現的功能有：

1)STL網格模型讀取與繪制；

2)三角面片數統計；

3)網格數據及模型更新；

4)模型QEM簡化算法實現；

5)模型旋轉與遠近大小的改變;

6)模型連續細節層次顯示的建立

通過對比圖6與圖7簡化前后模型網格拓撲結構可以發現，當采用基于QEM算法簡化模型到14977個面片即簡化率為74.03%時，模型大部分細節能得以保留，繼續簡化到3446面片時即簡化率為94.02%時，模型基本細節可以保留，簡化率見表2。

圖7　RVI堆芯圍筒STL簡化模型Fig.7　Simplification of STL model for RVI shroud

RVI簡化前STL模型面片數57 672RVI簡化后STL模型面片數3 446簡化率94.02%

圖8展示了利用簡化后建立的模型連續細節層次效果，結果顯示細節層次表示視覺效果較好，沒有視覺上大的跳躍感。

圖8　簡化后建立的連續層次模型顯示效果Fig.8　Continuous level of detail for simplification models

4　結語

本文通過利用基于QEM簡化算法建立了不同精度的AP1000核電站設備層次模型，分析且驗證了基于QEM簡化算法的簡化效果，與此同時利用雙向鏈表記錄了簡化的順序，實現了邊折疊與點分裂互逆操作，實現了模型連續細節層次表示，為解決虛擬現實技術模型復雜性和顯示實時性提供了一種方案，有利于虛擬現實技術在AP1000核電站中的進一步應用。