虛擬現實技術在核電理論教學中的應用

劉航宇，張光昱，楊小宇

（中廣核（北京）仿真技術有限公司，廣東 深圳 518100）

0 引言

核電在全球能源戰略中發揮著重要作用，然而由于其生產對象及生產過程的特殊性，核電站的安全運行和維護問題一直備受關注。隨著國內投產的核電機組逐步增多，核電行業對員工的需求也在成倍增長。眾所周知，核電在員工培訓方面需要花費很高的成本，主要是因為核電站系統規模大、設備結構復雜、安全風險系數高。因此，需要引入新技術來保障安全，降低成本，提升質量。運用虛擬現實技術是改進核電培訓問題的一項關鍵舉措，通過虛擬現實技術可以實現多種數據的整合，并以直觀、立體及交互式的方式把核電站原理的相關內容體現出來，對于核電理論教學培訓具有積極的作用，可以有效提高工作效率。

圖1 核電廠房環境構建流程Fig.1 The construction process of nuclear power plant environment

1 核電廠廠房環境構建

1.1 構建流程

通過三維建模，逆向掃描，美術引擎渲染一比一還原核電廠廠區，以及核島、汽輪機各個廠房內部的場景。該虛擬現實系統的實現首先需要進行高精度虛擬現實場景構建，通過三維建模技術對真實環境進行建模，并且經過模型輕量化、美術渲染及粒子系統來制作特效，并使用多種粒子特效的組合以實現水蒸氣、水流、氣泡、設備爆裂等效果。合理地利用實時、烘焙、混合等燈光技術，使學員仿佛置身于真實的核電環境中。

1.2 三維建模

通過三維建模技術，對核電廠房、設備、系統和工具進行外觀級三維建模。對于核電重大設備（反應堆及壓力容器、穩壓器、主泵、蒸汽發生器、汽輪機、發電機、冷凝器、汽水分離器、除氧器），以及一回路及相關系統進行高精度三維建模，確保數據的精確度及信息的準確性、條理性。結合三維模型數據設計資料、現場收集的照片和視頻等素材，一比一還原核電重大設備與一回路系統。在建立好模型的基礎上，調整模型的布線與頂點拓撲結構。決策需要使用貼圖表現和模型表現的部分，需在保證高精度建模的基礎上，進行模型輕量化的處理，在三維軟件中優化和排除不合理的點線面，降低資源消耗，包括所有物體需要模塊化的需要大幅減少模型頂點數，模型數據規范，確保不存在游離點、大于四邊的面、法線翻轉的面、錯誤的光滑組，模型命名科學統一。最終，保證模型可以在引擎中流暢運行，利于編輯，并且高度還原原始場景。

圖2 核電廠三維模型Fig.2 Three-dimensional model of nuclear power plant

圖3 設備虛擬裝配Fig.3 Virtual assembly of equipment

1.3 美術渲染

制作的素材按照統一規范導入引擎，路徑和命名統一規劃。在引擎中制作材質球并賦予物體，制作材質將使用材質實例化對材質的最終渲染進行優化。視覺效果方面，采用顏色、高光與法線貼圖技術，以及使用Alpha透貼材質對三維模型進行美化和資源優化，使得三維模型更加美觀逼真。采用若干實時光源外，其余燈光、陰影、反射均使用燈光烘培技術，為后臺運行節省更多資源，降低硬件配置。管道內的氣態介質和液態介質采用shader特效表現，通過持續偏移材質的UV值實現液體流動動畫效果。

2 VR培訓系統功能

2.1 部件結構學習

VR培訓系統主要用于學員對核電廠內部廠房、系統和設備的理論學習，熟悉各自的結構和工藝原理。設備及系統結構方面的功能包括：①實現自動拆解與組裝，既可以手動拆解與組裝展示，又可以剖面展示；②自動拆解與組裝能手動控制播放進度；③選中的結構部件能夠獨立旋轉、縮放。通過對遮擋部件的隱藏或半透明處理，直觀展示設備的內部結構和裝配關系以及工作過程動畫。

圖4 仿真數據接口通訊架構Fig.4 Simulation data interface communication architecture

2.2 工藝原理學習

核電重大設備和系統工作原理的展示，對于理論學習來說也是至關重要的，主要包括如下幾個部分的內容：①設備正常運行時的狀態模擬展示，如設備中介質的實際流動情況；②介質的相態轉變；③介質溫度、流量等主要參數的變化；④設備的轉動部分如何運轉等；⑤設備中其他特有的功能、工作原理的模擬；⑥將電廠流程圖中設備、管線、閥門、儀表等元素與虛擬工藝流程各部分關聯鏈接，流程圖成為虛擬場景中的快速導覽工具，可以讓學員直觀地在二維流程圖和三維模型中進行切換。

2.3 理論考核

針對學員的學習情況，設置理論考核模塊。理論考核結合設備及系統的三維模型，設置考題對學員進行理論考核，比如設備及系統工藝原理功能認知；部件認知手動拆解與組裝考核，讓學員在規定的時間完成考核；考核結束后，自動計算成績，顯示給學員。

3 仿真數據接口

通過把虛擬現實系統與仿真平臺對接，在虛擬現實場景中對各種工況的模擬數據進行實時讀取，并通過三維動畫特效的方式展示出來，從而實現對培訓場景的數據支撐。最后，需要開發軟硬件通訊接口，定義相應的通訊規則和協議，進行實時交互功能，實現多平臺的無縫集成，包括仿真平臺與虛擬現實系統實時雙向數據通訊。另外，系統需要具備擴展性，學員提供了在不改變原有系統結構的情況下，通過系統提供的接口，向系統內增加新功能的能力。

圖5 硬件交互設備架構圖Fig.5 Hardware interactive device architecture diagram

4 VR硬件應用

通過VR數據頭盔，立體沉浸式顯示系統把場景呈現在學員的眼前，學員可以利用手套、手柄等體感設備與虛擬現實系統進行交互，模擬出各個核電系統的狀態，達到親臨核電現場的體驗。VR套件作為外接設備，提供輸入與交互的功能，配合后臺渲染服務器，數據庫服務器和后臺服務器來實現系統的各項功能，還可利用易用的人機交互設計，融合視覺、聽覺和觸覺可感知的三維虛擬環境，結合圖像渲染系統、數據頭盔、數據手套以及人機交互系統和設備。支持多種發布方式，單機、多通道、立體顯示，操作簡單，具有良好的交互界面。學員可通過外設與虛擬環境中的對象進行交互，以達到等同真實環境的感受和體驗。

5 結論

綜上所述，隨著虛擬現實技術的快速發展，其推廣與應用也將更加廣泛。在核電理論教學中應用虛擬現實技術，可以有效提升工作效率和節約成本。把虛擬現實技術運用于核電理論教學領域，將填補國內空白，引領技術發展，有利于建立標準和規范，對于提高國內核電人才培養水平具有重要助推作用，對促進核電的良好運行有著深遠的影響。