三维模型在核电厂的应用研究

仲昭华 王琳琳

中核辽宁核电有限公司 辽宁葫芦岛 125100

核电工程项目具有投资大、技术难、周期长、接口多、结构复杂、管理复杂等特点。三维虚拟模型是指利用计算机技术，通过大量数据采集、汇集和集成，生成一个逼真的，具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境，用户可使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的技术。三维虚拟模型的建立，是充分利用三维虚拟模型技术，让管理人员以互动式的方式，浏览、体验逼真的三维可视化工厂模型，更准确理解现场环境、系统组成和设备安装部署情况，及时了解电厂建设、运行状态，提高巡检、维修培训、施工、运行的模拟与仿真、应急预案推演等能力，从而提高核电站工程项目管理水平，提高工作质量、工作效率，有效控制工程进度、降低造价，保证核电站运行安全和高效运转[1]。

1 三维模型核电厂应用蓝图

三维虚拟模型建设，充分利用当前云计算、物联网、大数据等新型成熟技术，基于地基及空基感知网络，实现对核电站生产运行数据、辐射、温度等环境监测数据实时监测采集，将数据通过网络层传输到电厂的信息中心，通过工程数据管理、视图控制、空间数据管理、三维可视化、用户交互控制等智慧化的处理技术，为智慧应用层的三维虚拟模型提供数据级的支撑。

在感知层和网络层，应用传感设备对核电站内各种信息进行监测，并将采集到的信息反馈控制中心，或者由物联网传感设备按照设定好的程序进行自动处理。同时，利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、及其人员、物资等联在一起，形成人与物、物与物相连，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。

在数据处理层，通过数据采集工具实现空间数据获取，建立三维虚拟模型，真实展示厂区、道路、交通、建筑、设备等情况，实现三维立体展示。搭建三维管理平台，为后续上层应用建设提供统一的平台环境。建立统一的视图，包括三维模型数据、运行监控数据、综合业务数据、设备数据、管线数据等。

在应用层，基于三维地理信息及数据平台，通过实时视频监控系统，监控关键位置状况，及时反馈图像监测信息。建立运行监控管理，技术采集监测数据，进行日常的巡查养护、分析预警，对预警事件进行日常处理和应急处置。通过集成环境空间数据、危险源数据、监测数据、实时影像数据，采用大数据分析挖掘，启动应急预案进行综合处置，实现人员、设备、资源以及现场综合控制管理，辅助分析决策、指挥调度。开展维修仿真、检修仿真以及技改仿真等工作，实现人员快速实时定位。

2 三维模型核电厂应用场景研究

三维虚拟模型的应用，主要体现在三个层面：

（1）对零件级的三维模型建立，实现检修、维修及技改的仿真及方案的制定。本层面需要模拟核电站的内部构造到零器件级别，同时结合增强现实技术（AugmentedReality，简称AR）及虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）实现对核电站内部零部件细节的模拟仿真，模拟设备检修工艺，进行过程推演，对检修方案进行可视化的制定、演练和人员培训，模拟设备的拆分、安装，采用人机工程分析人员现场操作的可达性和舒适性，并具备实时的碰撞检测能力[2]。

（2）设备级的三维虚拟模型，实现对核电站虚拟化建造，核应急及应急预案的制定。本层面需要模拟核电站厂房建造、建筑物、设备等以轮廓为核心的物体。虚拟建造是在三维设计的基础上，以软件技术为支撑，借助于高性能硬件，在计算机上实现规划设计、性能分析、施工方案决策和质量检验、形成可运行的虚拟化建造环境。核应急预案是基于核电站的建造环境提供一个可视化的应急模拟环境，在应急模拟过程中，受培训人员能够在核电站虚拟场景中直观了解核电站的构造和工作原理，从而增强了应急培训的效果。

（3）电厂厂级的三维虚拟模型，实现核电站人员的定位及摄像头的定位。本层面需要模拟建筑、街道等大致位置为核心的厂级设备。为核电站内人员定位、快速启动某一位置的摄像头提供虚拟环境。

3 实施路线规划

基于上述零件级、设备级及厂房级三维虚拟模型的研究，随着模型精度的增加，建模难度及费用也会大幅度的提升，三维虚拟模型建设大体可分为三个阶段。

首先，近期建立集成电厂厂房、建筑物及街道等核电站建造物的厂房级三维虚拟模型，通过手机等智能终端的定位功能实现核电站的人员定位；通过与视频监控摄像头信息的接入，实现人员定位等基本功能。本层建造仅将核电站的厂区、建造物等一级物体数据进行模拟建造，不对建造过程中的每一个模块、过程进行模拟。

其次，中期建立集成核电站建筑物、设备、道路、车辆、设备信息，满足对核电站的虚拟化建造、核应急演练的需求。本层建造对核电站的厂区道路、通道、建造物、设备物体数据进行模拟建造，动态采集车辆位置信息。将厂区建筑模型及应急事故人物动作模型在虚拟场景中展示出来，提高虚拟建造及应急培训界面的真实性，提高应急管控能力。

第三，长期规划，建立集成核电站运行数据、辐射、温度等环境监测数据的三维仿真巡检、维修模拟平台。可以模拟设备故障、人员维修检修等动作，大大提高维修的精度，提送核电站的工作效率。需投入巨大成本聘请专业人员进行设计。

4 结语

随着信息化技术的发展，三维虚拟模型平台也将越来越成熟，将三维虚拟模型和物联网、大数据、互联网+等技术相结合，应用于核电厂的建造和运行，打造智慧核电，将成为必然趋势，也将极大的提升核电厂的管理水平，为工程建设和运行维护提供极大的便利，加速施工速度、提升施工质量，保障核电厂运行的安全和稳定[3]。