VR技术在核电站施工中的应用研究

王晰+高扬+雷欣

【摘 要】本文针对核电站施工特点以及施工过程中的实际需求，从技术手段上分析了VR技术与信息管理系统的数据融合，提出了构建核电站厂房实景系统的方案，结合VR技术与信息管理系统的优点，以实现核电站厂房施工过程的可视化管理，对核电站的施工管理进行了积极探索。

【关键词】VR；核电站；施工

0 引言

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近些年来在计算机图形图像技术方面的研究热点之一，其目的是利用计算机构建与现场一致的模拟真实环境，通过视觉、触觉等多种手段，实现更高端的人机交互[1]。这一特点，使得VR在教育、军事、航天、工程、煤矿、医学等领域获得了广泛应用。

核电站的施工过程是一个需要多工种协调配合的复杂过程，利用目前流行的BIM技术可以对建筑结构和设备管道等的设计和布置进行优化和整合，极大提高施工效率。但电站的施工同时也是一个动态过程，BIM对于施工动态的记录则缺少连续性和直观性。随着VR技术的日趋成熟，该技术已逐渐应用于建筑工程领域，对核电站的施工过程进行连续记录则成为可能，VR技术在核电站施工中的应用对于施工效率的提高和施工经验的承载都具有十分积极的意义。

1 核电站施工中的需求分析

华龙一号是我国自主研发的第三代核电技术[2]，今后必将成为我国核电建设的主力堆型。由于核电项目建设的相似性和连续性，前期建造的核电项目对于后期项目在很大程度上具有重要的参考价值，尤其是在施工阶段，设备或设施的安装调试可能面临一些预想不到的难题，这时参考电站的施工经验则变得尤为重要。经验的传承往往以圖纸和文件为载体，但是这些资料往往不够具有直观性，因此，在解决个别问题时，设计、施工人员可能需要前往参考电站进行实地勘察。然而随着电站施工的不断推进，厂房内的状态一直不断变化，实地勘察的时机可能将不复存在。特别地，当参考电站已经进入服役状态，实地勘察也将会变得难以进行。

使用VR技术定期采集各个厂房内的场景信息，并以此为基础构建核电站厂房的实景展示系统，则可以完整保存电站的施工情况，不仅为项目本身积累了重要的过程资料，也可为后续项目提供参考。

2 系统方案设计

2.1 用户群分析

目前国内核电项目大多采用EPC模式，核电项目中的施工反馈和设计改进等工作主要集中在总承包公司内完成[3]。因此，总承包公司是首要的潜在用户。

土建公司和安装公司是核电工程的具体实施者，核电项目的逐步扩建使得建安公司的新增从业人员数量逐渐增加，高级技术人才的比例则因此降低。实景系统的使用对于建安公司的新员工尽快熟悉核电工程也具有很大帮助。

业主作为核电站的最终运营方，如果能从前期就介入核电站的施工，对于后期的运维工作也具有积极意义。

综上，核电站实景系统的用户群为总承包公司、土建公司、安装公司和业主。

2.2 系统物理构架

系统采用了客户端/服务器模式，通过广域网和局域网相结合的方式，实现了分布式可视化的信息管理，整个系统由数据服务器、界面服务器和客户端组成，数据服务器和界面服务器位于总承包公司的管理中心，客户端则位于用户群的信息中心。

3 VR技术方案设计

3.1 建模方法概述

3.1.1 数据建模法

通过对建筑结构、管道布置等设计资料的收集和个别数据实地测量相结合的方式获取厂房内的几何信息和材料数据，运用三维设计软件建立类似于BIM的厂房模型。该方法建立的模型界面精致、材质合理，但建立过程较为复杂。

3.1.2 扫描建模法

通过激光扫描仪在各个方向进行测量，建立点阵数据，通过数码相机等设备获取建筑物的表面数据。然后建立点云数据和表面数据的映射，用计算机视觉技术进行三维点与表面数据的拟合，从而实现建筑物的模型重建。该方法建模较为精确，但是，资源消耗高，设备成本过大。

3.1.3 照片建模法

通过高分辨率全景照相机拍摄高精度的图像数据，利用计算机视觉处理软件对照片进行处理，将2D的照片直接转换为3D模型。该方法可以快速地获取建筑模型。但该3D模型事实上为伪3D模型，即仅在视觉上呈现3D效果，但并不能通过该模型获取空间中两点的相对位置。

3.2 建模方法选定

通过以上3种建模方式的对比，可以明显看出，照片建模法最为方便快捷，唯一的问题就是伪3D。然而近些年BIM技术也在不断发展进步，在核电项目中已经逐渐开始使用类似的三维设计系统。BIM很好地解决了空间机构中的碰撞问题，而VR系统则能完整地记录过程信息。两者可以互为补充，协同解决核电站施工。因此，建模方法选定为照片建模法。

3.3 VR全景图的制作

传统的三维全景图是由多角度拍摄的数张照片使用软件进行拼接，再使用全景工具软件制作而成[4]。近些年，部分相机中已集成拼接功能，所谓的全景相机已成为技术相对成熟的产品，使用全景相机可直接拍摄出高分辨率的全景图像。再使用Pano2VR等软件即可将全景图像处理生成具有三维效果的swf格式的模型图，该模型图中可添加热点，方便与厂房、设备信息系统融合。

4 VR系统与信息系统的集成和使用

VR影像的采集因摄像技术要求以房间为单位，核电站中核岛的辐射分区、设备布置等信息也恰好以房间为单位进行划分。因此，VR系统与电站内其他类型的信息系统宜从房间层次融合，横向延伸到所有厂房，纵向贯穿至各个标高，最终形成整个核岛的数据。使用者以VR界面为初始界面，即可开始在核电站厂房中的踏勘。对于想了解的设备，可利用其中的热点直接链接至设备说明书或系统手册，方便发散式获取相关信息。

对于总承包公司、土建公司、安装公司和业主均可开放写入权限，即所有用户只要按照规定要求采集影像，均可导入系统与其他用户共享。在电站建设周期内连续采集的数据可汇总实现“时间线”功能，即类似于延时摄影的高速回放，随时浏览某房间从初始时间到当前观察节点的安装进度情况。

5 结语

基于VR技术拓展并搭建的核电站厂房实景系统集成了虚拟现实、信息管理技术和数据库技术，构建了一整套针对核电站施工阶段厂房内形貌及房间内系统设备的管理系统，有助于总承包公司直观地了解施工进度，有助于建安公司合理地调配施工进程，有助于业主完整地记录电站的过程信息，具有很强的可延伸性和可拓展性，对优化核电站的施工管理具有重要的意义。本系统目前已完成底层平台的搭建，随着后期的数据录入和影像采集，必将在核电项目的建设中发挥实际作用。

【参考文献】

[1]申蔚，曾文琪.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版，2015.

[2]邰江.“华龙一号”安全特性分析[J].中国核电，2015，8（4）：293-299.

[3]李京彦.设计管理在核电EPC项目中的实施[J].中国核电，2009，2（3）：249-257.

[4]张晓亮，李丽.全景图拼接技术研究及应用[J].现代计算机（专业版），2011（19）：27-30.endprint