基于VR 技術(shù)的堆外中子劑量計培訓系統(tǒng)開發(fā)

顧登明

（國核電站運行服務技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

堆外中子劑量計采用多箔活化法測量反應堆壓力容器所承受的快中子注量。監(jiān)測期間，需要將中子活化探測片安裝在反應堆壓力容器保溫層與水泥屏蔽墻之間，其安裝和更換工作主要在反應堆廠房的R140 和R440 房間。這兩個房間中的設備和部件長期承受中子和Gamma 射線輻照，被高度活化，導致即使在停堆期間這些房間內(nèi)的環(huán)境劑量水平也非常高[1]。實際測量結(jié)果表明，這兩個房間內(nèi)的平均劑量率達12 mSv/h，最高劑量率可達15 mSv/h。出于人員劑量控制的要求，電廠嚴格控制工作人員劑量，通常個人單日劑量不超過1 mSv。特殊情況下，單日個人劑量不超過2 mSv。而在堆外中子劑量計安裝過程中，提高單日個人劑量限值至5 mSv。即便如此，R140 和R440 房間內(nèi)的堆外中子劑量計安裝和更換工作也需在30 min 內(nèi)完成。

由于現(xiàn)場環(huán)境復雜，搭建的模擬體很難反映真實環(huán)境狀況，這造成在模擬體上訓練過的人員無法清楚了解真實安裝和更換環(huán)境，進入工作環(huán)境時就會受現(xiàn)場環(huán)境和電子劑量計報警聲音等的影響，使他們心情緊張，影響正常工作進行。為了盡可能降低安裝和更換期間工作人員的劑量水平，滿足核電廠要求，保證順利完成安裝和更換任務，提高安裝更換人員對現(xiàn)場環(huán)境的熟悉程度和對安裝更換工作流程的熟練程度，有必要建立安裝和更換模擬體，模擬現(xiàn)場工作環(huán)境。

1 模型建立

1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光掃描技術(shù)對對福清二號機反應堆壓力容器底部進行三維信息獲取[2]，獲取了完整的壓力容器管嘴環(huán)廊的三維點云數(shù)據(jù)。福清二號機是典型的二代加核電，完全適用于大亞灣堆外中子劑量計安裝EVND 項目。利用三維激光掃描技術(shù)是獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，以其快速、精確、無接觸測量等特點實現(xiàn)逼真的現(xiàn)場，完美解決了VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實技術(shù)）虛擬現(xiàn)實中數(shù)據(jù)不精確、可操作性不強等問題。掃描的點云如圖1 所示。

1.2 安裝場景模型建立

將點云掃描的點云數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理后導入到三維建模軟件3DMax 中建模，高精度的點云數(shù)據(jù)使得模型的精度達到了毫米級別（圖2、圖3）。

1.3 安裝構(gòu)件模型建立

圖1 點云

圖2 3DMax 建模

圖3 場景模型

堆外中子劑量劑安裝體零件模型由探測盒、限位器、鏈夾、中間塊4 部分組成，各部分之間由鏈條連接，均采用CATIA 精確建模再導入到3DMax 中利用實際照片紋理貼圖制作而成（圖4）。

圖4 構(gòu)件模型

2 VR 交互制作

2.1 實現(xiàn)場景漫游

創(chuàng)建一個新的項目之后，按照圖5 所示流程實現(xiàn)場景漫游。HTC VIVE 具有硬件成本低、開發(fā)集成度高、開發(fā)成本低、分辨率高、定位精確、沉浸感強等特點。在Unity 的資源商店下載并導入SteamVR 插件，這是HTC VIVE 硬件必須要導入的插件，為了方便快速開發(fā)導入另一個插件VRTK，其將大大提高VR 開發(fā)的效率。

VRTK 的主要功能有：①用常用別名封裝的控制器按鈕事件；②控制器世界光標指針；③玩家傳送機制；④用控制器抓取、握住游戲?qū)ο螅虎萦每刂破骱陀螒驅(qū)ο蠼换ィ虎薨延螒驅(qū)ο筠D(zhuǎn)化為可交互的UI 元素（即應用程序里可以看見的任何可視元素）。替換手柄模型使看不到手柄的模型取而代之的是真實手的模型，更加提高了場景的沉浸感。瞬移功能可以減小對架設HTC VIVE 場景空間大小的需求。

2.2 鏈子的制作

鏈子通過Hinge Joint 來制作，各個的Hinge Joint 相互連接各個關(guān)節(jié)點就形成了鏈子。珠鏈的直徑約0.003 m，在實際制作過程中如果低于0.01 m 就會失去鏈子效果，造成混亂。不過把場景和人物整個進行放大即可解決這個亂象，項目中將人物和場景統(tǒng)一擴大了100 倍。

鏈子連接與斷開的大體思路是：點擊時連接件部分的Hinge Joint 會脫離關(guān)系，當把鏈子接上去時將Hinge Joint 的設置為頭尾鋼體。（圖6、圖7）。

3 結(jié)語

圖5 開發(fā)流程

圖6 給連接件添加的代碼

圖7 連接件配置

提出了基于VR 技術(shù)的堆外中子劑量計安裝培訓的實現(xiàn)過程與技術(shù)優(yōu)勢，利用三維激光掃描獲取高精度的場景數(shù)據(jù)來建模，用UNITY 與HTC VIVE 作為VR 開發(fā)的平臺。該系統(tǒng)幫助堆外中子劑量計安裝人員提供從理論學習到實踐訓練，具有精度高、沉浸感強、交互性強、實用性強、開發(fā)周期短成本低、可推廣性強等優(yōu)點。該系統(tǒng)目前只有漫游與交互訓練等內(nèi)容，在未來將會把評價考核添加進來，以進一步健全系統(tǒng)功能[3]。