一种开发核电厂虚拟教学模型方法研究

李向昭 崔龙波 杨磊

摘 要：本文总结了国内外核电厂虚拟模型系统研究及开发现状，分析了当前虚拟模型开发复杂度、性能及价格之间的关系和矛盾。在此基础上利用Google Sketchup， D Fusion， Unity3d等共享软件以及Kinect， PC等设备组成了一套虚拟模型支持与开发系统，尝试制作了反应堆核心三维结构和厂区动态漫游系统，日常教学结果表明较好。系统的搭建和使用难度低，总开发时间在三周左右。上述结果表明该系统平台低廉且搭建简单，开发效率让人满意，适合非图形建模专业个人或小组使用。（本文原刊于南京师大学报社会科学版2014年8月）

关键词：虚拟核电厂模型；增强现实技术；体感技术； 实用解决方案；

基金项目：山东省高校教学改革（重点）项目（编号：2012025）；烟台大学教学改革与研究（重点）项目（编号：A009）

1 引言

核电厂因结构复杂，涉及学科门类多，部分厂区存在高放射性有停留时限等特点，使得有关工作如工程设计、人员培训、退役计划制定、学生专业教育等需要借助各种模型系统来进行。

对于高校专业教学用核电厂模型，要求堆型齐全，注重设施设备的工作原理、运行流程、工程组件结构及安装拆卸等细节展示，训练方式灵活多样，对系统价格和自主升级也很关心。目前满足以上条件的可选方案较少，本文利用近年来快速发展的增强现实、体感及三维投影等技术，尝试提出了一套虚拟核电厂教学模型的实用开发与支持系统方法。

2 核电厂模型系统发展现状

目前核电厂模型可以分为实物和虚拟模型两大类。前者的优点是直观，技术难度低；缺点是灵活性不高，与理论教学衔接不足，多用于入门教学。虚拟模型是随着虚拟现实技术[1]的发展而出现的，其依托计算机生成逼真的虚拟动态场景，支持用户互动，用户自然沉浸感好，还可以根据需要切换不同训练场景，使学员得到有效训练，进而顺利过渡到现实工作场合，整体效费比达到最优。

从国外情况来看， I.Yukihiro等[2]在日本Fugen核电厂的退役工程支持系统中开发了基于虚拟现实技术的辐射剂量评估系统，G. Romero等[3]开发了变电站虚拟现实仿真系统，2011年俄罗斯RosEnergoAtom公司应用虚拟现实技术来展示核电站的三维全景，2012年英国谢菲尔德核技术先进制造研究中心（NAMRC）利用虚拟现实系统来辅助核电厂设计和制造大型复杂设备部件。

从国内情况来看，目前多家科研院所在核电站虚拟3D漫游[4] 和综合仿真 [5，6]，核设施辐射剂量场展示[7]，反应堆退役虚拟演练系统[8，9]等多方面开展了大量研究工作。工程应用领域方面，中广核仿真技术有限公司等开发了系列核电站全范围模拟机，中视典、曼恒数字、大连伟岸纵横科技等公司各自开发有核电应急及培训用虚拟模型系统。

目前核电厂仿真模型的研发机构逐渐增多并产生了很多成果，但与高校教学存在如下矛盾：

1）目前绝大多数虚拟模型系统多采用全套专有虚拟现实硬件系统和软件系统，费用昂贵动辄上百万乃至千万元。

2）目前虚拟系统的人机接口有实物模拟机和键盘鼠标两大类，前者专业性强但价格昂贵，装备数量少，不适合学生日常教学；后者价格便宜，数量多但用户真实感和代入感不足，相比提高学生实践能力的教学初衷仍显不足。用“经验之塔”教育理论[10]来分析，核工程专业学生最缺的就是“做的经验”即实践环节有待强化。为此需要寻找合理折中的技术手段。

3）基于商业考虑，系统提供商不会开放相关模型组件和源代码，而从教学角度来看，为提高专业教学质量和突出特色，用户势必要进行二次开发，这类矛盾难以解决。

随着国内核能核电事业的迅速发展，目前国内高等院校多开设核工程专业，对核电厂教学模型系统需求多，同时要求模型在系统开发难度、灵活性、费用及代码透明度等方面能合理折中，而目前可选方案很少，为此开展有关技术方法研究十分有必要。

3 虚拟模型开发有关新型技术

目前虚拟模型系统设备包括图形工作站、三维投影系统、三维空间跟踪定位设备、数据手套（衣）、系统开发环境等，系统复杂且价格昂贵。随着近几年来有关图形处理器、体感、增强现实、三维投影等新技术的发展，使得组建一套效费比高的虚拟模型开发与支持系统变得可行。

3.1 可编程计算图形处理器

近几年来GPU（Graphic Processing Unit， 图形处理器）性能提高很快，另外出现了CUDA（Compute Unified Device Architecture，统一计算设备架构）和OpenCL（Open Computing Language，开放计算语言） 等GPU通用编程开发平台，使得GPU在通用领域应用迅速扩展，运算性能是同代CPU的十几至上百倍。

3.2 体感设备

Kinect是微软公司2010年推出的新型体感设备，具备多人空间位置即时定位及姿态辨识，影像摄录，语音识别等功能， 2011年SDK的推出使其应用从游戏迅速扩展到了自动控制、机器人视觉、虚拟实验等多个领域，最新Kinect2更增加了手指动作辨识、面孔识别等新功能。

Kinect售价低廉，支持通用编程，能替代数据衣、数据手套、麦克风、3D摄像头等多种标记辨识设备，显著降低了虚拟模型系统中输入设备的复杂度，未来将成为虚拟模型系统的重要组成部分。

3.3 增强现实技术及开发工具

增强现实技术起源自虚拟现实技术，但与后者不同的是用户不是处在完全由系统产生的虚拟场景中，而是处在系统摄录用户所处的真实场景后再叠加由计算机产生的虚拟物体后形成“混合”场景中，更符合人类的认知习惯，构建成本也更低廉，硬件设备仅需要PC机、体感设备及必要显示设备即可，开发支持系统较多如Unity3D、DFusion、EON等，且都有共享版本可用。

4 虚拟开发及支持系统设计

4.1 硬件系统

本文所提系统的硬件部分组成简单，仅需图形工作站、Kinect、屏幕、3D投影仪和眼镜，系统开发则只需PC机、Kinect、显示器等。好处如下：

（1）系统简化使得设备初期投资小、日常维护简单。

（2）可直接获得所需场景，开发人员能集中开发模型系统，从而减轻开发难度和工作量。

4.2 软件系统

图1 系统布局示意图

软件系统包括图形建模和系统开发两部分。综合考虑制作效果、学习难度和费用等因素，图形建模选择了Google Sketchup，其具有简单易用、免费模型库支持、效果明快等优点，适合非专业建模人员使用。系统开发选择了DFusion和Unity3D，前者着重增强现实建模，后者则在地形和动态跟踪方面简单易行，均支持Kinect。开发语言选择了C#，因其具备大中型系统开发支持能力，其内存自动回收机制能保证系统整齐度和代码健壮性，降低工作烂尾风险。

基于上述方案，系统整体布局如下图1所示，每次可供10人左右单独或合作展开互动培训操作。

5 教学模型实例开发

组建完开发系统后，即进入虚拟核电厂教学模型分析和开发工作阶段。从实际需要出发，模型的功能分类[4，5，9]如图2所示，模型所需数据参考自核电厂工程技术手册[11，12]。

图2 系统的功能关系

从软件工程设计角度来看，模型应包括设施设备组件模型库、动作（漫游、安装、拆卸）记录数据库、辐射剂量数据库、物理分析与计算模块、场景模块、虚拟人、体感设备输入接口等，涉及三维图形建模、机械装配、辐射物理计算、学习关卡设定、设备驱动等多领域内容，因此尽量采用自动化开发工具并按照功能模块分阶段开发以降低开发风险是非常必要的。

图3 核电厂整体布局展示

图4 反应堆结构展示

经过论证与尝试开发，目前初步实现了静态三维展示（核电厂整体布局和反应堆内部结构）如图3和图4所示，以及核电厂区的动态漫游如图5所示。

静态模型采用Google Sketchup 8.0和DFusion完成，用户通过移动、转动标记物，能从任意角度查看核电厂和反应堆的3D构造，模型能任意放大缩小，进而查看各个子设施细节。从学生反馈情况来看，相比图片和实物模型，教学效果要更深刻。

图5 厂区漫游功能

漫游功能由Google Sketchup 8.0、Unity3D和Kinect实现，目前暂用坦克模型作为第一视角对象。通过人体姿态配合Kinect或鼠标键盘，可以控制坦克移动、转动，进入厂区、山谷任意位置对视野内的物体进行观察，还可以缩放视野进行厂区总览或观察设施细节，配合设备支持，在一定程度上可以代替实地参观。

6 结论

本文提出了一种虚拟模型支持与开发系统，硬件少且组建方式简单，整体费用低，且充分考虑了开发者非专业图形建模人员。整体工作花费时间在三周左右，主要困难在于模型建模。从学生反馈结果来看，体感设备的引入使得模型能够保证较好的用户代入感和真实感。

随着开发者知识结构、工具使用经验和协作能力进一步的磨合和提高，开发效率、模型质量还会有进一步提高。同时所用的软硬件工具大部分都基于新型技术，改进和换代速度很快，这会进一步增加上述方案的可用性和效能。（本文原刊于南京师大学报社会科学版2014年8月）

参考文献

[1] 百度百科. 虚拟现实技术[EB/OL]. http：//baike.baidu.com/view/95269.htm， 2012-09-28.

[2] Yukihiro IGUCHI， Yoshiki KANEHIRA， Mitsuo TACHIBANA，et al.. Development of decommissioning engineering support system （DEXUS）of the Fugen nuclear power station[J].Journal of Nuclear Science and Technology，2004，41（3）：367-375.

[3] G. Romero， J. Maroto， J. Félez， et al.. Virtual reality applied to a full simulator of electrical substations[J]. Electric Power Systems Research，2008，78（3）：409-417.

[4] 秦政，袁硐，吴勤勤，等. 基于虚拟现实技术的核电站三维视景仿真系统研究[J].中国西部科技， 2011，10（26）：39-41.

[5] 刘鹏飞，杨燕华，杨永木，等. 虚拟现实技术在核电厂仿真中的应用[J]. 原子能科学技术，2008，（S1）：169-175.

[6] 杨永木. 虚拟现实在核电站主控室仿真设计中的应用[D]. 上海，上海交通大学，2008.

[7] 王晓静. 虚拟现实技术在核电站辐射防护中的应用研究[D]. 合肥工业大学，2010，合肥.

[8] 刘永阔，谢春丽，夏虹. 虚拟现实技术在普贤核电退役工程中的应用[J]. 应用科技，2009，36（12）：48-53.

[9] 刘中坤，彭敏俊，朱海山. 核设施退役虚拟仿真系统框架研究[J]. 原子能科学技术，2011，45（9）：1080-1086.

[10] 张燕翔，朱赞，董东，等. 从“经验之塔”理论看增强现实教学媒体优势研究[J]. 现代教育技术，2012，22（5）：22-25.

[11] 顾军. AP1000核电厂系统与设备[M]. 北京：原子能出版社，2010.

[12] 林诚格. 非能动安全先进核电厂AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

作者简介

李向昭：（1965- ），男，本科，实验师，主要研究方向：电子教育教学。

* 通信作者：杨磊，男，讲师