核電站電氣設備故障可視化3D仿真技術

黃昌軍，王 欣，張 軒，滕曉雷

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引 言

隨著用戶對電能的需求不斷上升，核電在電能中的占比也在逐步提高。核電站作為電能的始發站，需要確保其運行的安全穩定，核電站運維人員的技術水平成為電站能否安全發電的重要因素[1]。可視化技術能夠直觀清晰地展示核電站各處的工況，便于新入職的運維人員快速學習，有助于運維人員對故障的快速處理。

為保證學員對核電站電氣設備故障具備充分的認知，可以使用虛擬現實技術可視化描述各個電氣設備。這種新興的軟件技術憑借其清晰直觀的優勢，在文物保護、醫療設備、娛樂影視行業、建筑工程、軍事演練以及教育行業等眾多工作領域擁有廣闊的應用前景[2-4]。同時，在核電站電氣設備可視化培訓方面，相對于傳統人力教學，更能展現出虛擬現實技術所具有的優勢[5]。

本文基于虛擬現實技術可視化開發核電站電氣部分，重點研究設備故障狀態的直觀描述方法。先使用3DMAX軟件構建完整的核電站電氣部分模型，包括全部一次設備和二次設備，然后在Unity引擎中對所構建的電氣模型進行渲染和優化，使學員在漫游巡視、設備學習、操作演練以及故障仿真等眾多聯系環節中能夠觀察到逼真的設備故障效果，產生直觀的視覺沖擊，成為相關運維人員專業學習、技能培訓以及技能鑒定考核的重要平臺。

1 虛擬場景及硬件開發

核電站電氣設備3D仿真培訓系統是基于實際核電站電氣部分的工況，與3D虛擬仿真技術相結合，共同構建一個3D可視化的虛擬核電站培訓環境，使相關運維人員能夠在該虛擬環境中進行真實的仿真培訓，掌握與核電站電氣部分運維相關的各種專業技能。核電站電氣設備3D仿真培訓系統架構如圖1所示。

圖1 核電站電氣設備3D仿真培訓系統架構

1.1 模型融合

依據核電站建設的CAD圖紙，使用3DMAX軟件構建核電站電氣部分的模型。將CAD圖紙導入3DMAX軟件中，以此為參照提高3D建模的準確度，保證按照實際比例還原核電站電氣部分。

上述流程所生成的核電站電氣部分3D模型較為生硬，無法充分展現電氣設備故障后的狀態，如冒煙、著火以及爆炸等。因此需要將模型轉化為FBX文件導出，方便Unity引擎兼容，在Unity中進行虛擬場景開發。

由于3DMAX軟件與Unity引擎的底層不盡相同，所以在模型導出是需要注意以下幾點。首先是比例關系，Unity引擎中的參考單位是米，而3DMAX軟件中的參考單位是毫米，兩者之間存在1 000倍的比例關系，因此在導出模型前應提前做好比例換算工作。其次是參考方向，Unity引擎中默認Y軸為3D圖形高度計量軸，而在3DMAX軟件中的Z軸為3D圖形高度計量軸，因此在導出模型前應提前做好3D圖形旋轉工作。再次是鏡像差異，Unity引擎和3DMAX軟件都可以對3D圖形進行鏡像翻轉操作，但3DMAX軟件使3D圖形鏡像翻轉后，該圖形的法線法相也發生了反向，這會導致所導出的FBX文件不能被Unity引擎識別，因此使用3DMAX將圖形翻轉后，需要再次對該圖形的法線進行翻轉，生成FBX文件。最后是材質庫，雖然Unity引擎支持3DMAX軟件的材質，但在使用Unity引擎打開FBX文件前仍需要將所需的材質庫貼圖提前導入Unity項目文件夾中，否則無法正確識別3D圖形。

1.2 場景渲染

使用Unity引擎打開FBX文件后，所展現的畫面是單一的，并且沒有任何光線效果，因此需要優化渲染外場景和各個電氣設備以達到良好的視覺效果，更好地模擬冒煙、著火以及爆炸等故障工況。

光線在各個工況情景中都將起到舉足輕重作用，光源決定了場景環境的明暗、色彩以及氛圍。Unity引擎包含多種光源，如注入點光源會讓區域光源等。通過組合不同種類的光源，就可以模擬故障場景的光效果，如火焰產生的光源和煙霧差生的陰影等，以此提高故障仿真的真實性，有助于提高培訓效果。此外，由3DMAX軟件生成的模型導入Unity引擎后不具備碰撞效果，即當兩個模型發生碰撞時，模型會直接穿過對方，沒有任何的交互作用。這將無法仿真隔離開關和斷路器等眾多設備，更無法模擬設備爆炸等極端故障情況，失去了仿真培訓應有的效果。

為解決上述問題，需要調用Unity引擎的碰撞體組件，如網格碰撞體、球碰撞體、膠囊碰撞體、車輪碰撞體、盒碰撞體以及地形碰撞體等。針對不同的工況和故障效果，選擇某個或某幾個碰撞體的組合，進而實現對碰撞效果的渲染。

Unity引擎聯機商店還有豐富的渲染資源可以下載，包括紋路解析和粒子特效等。完成對核電站電氣部分的渲染后，即可在該場景中進行漫游。觀察者可以在不同高度和不同視角全方位地觀測相關設備的工況，使用方向鍵在電站內漫游的同時，還可以在小地圖中點擊其他觀測位置，并瞬移至該位置。

2 可視化系統應用

使用Unity引擎完成場景渲染后，需要依據設備的地理位置對相關設備再次進行校驗，并依據主電路圖紙將設備進行碰撞連接，以建成完整的核電站電氣設備3D虛擬模型。核電站整體場景及電氣部分場景如圖2所示。

圖2 核電站3D虛擬模型

本文重點展示了核電站電氣設備故障后的狀態，主變壓器模擬爆炸起火效果如圖3（a）所示，該效果主要利用了Unity引擎的粒子特效渲染以及光源渲染功能，創建火焰材質球來完成，使火焰效果更加真實。站內電抗器常見過熱故障，產生冒煙現象，如圖3（b）所示，制作煙霧同樣需要粒子特效渲染，并對周圍進行暗化和陰影處理，使其效果更加逼真。

圖3 核電站電氣設備故障效果

3 結 論

本文綜合利用3DMAX和Unity兩種軟件，基于虛擬現實技術構建了核電站電氣部分的可視化系統。通過對核電站一次電氣設備及二次電氣設備可視化組件的構建，組件核電站3D虛擬可視化仿真培訓系統。所開發的核電站電氣設備3D可視化仿真培訓系統囊括了核電站的各個場景。使用虛擬漫游技術，從宏觀至微觀皆可查看。此外，核電站電氣設備故障3D仿真技術能夠在原有可視化培訓系統的基礎上使用Unity引擎模擬核電站電氣設備的故障狀態，使學員更加清晰直觀地觀察到故障情形和故障所帶來的嚴重后果。同時通過該技術可在短時間技能培訓里獲得更好的技術提升效果，對保證核電站電氣部分的安全運行和降低事故的概率具有重要意義。