核电站电气设备3D仿真培训技术研究

张 轩

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

0 引言

随着我国核电事业的不断发展，核电站的电气设备复杂度也在不断提升，电气设备是保证核电站安全稳定运行的基础设备[1]。针对核电站电气设备开发三维可视化仿真培训系统，实现对其直观地调试与仿真，保证运维人员的能够快速、扎实地提升技术水平。

目前，国内外已有高校及科研机构对新型站内电气设备的仿真方法进行设计。文献[3]提出了一种将站内电气设备和软件技术相结合的混合仿真方式，这种方式虽然能够较为直接地反映出站内电气设备的工况，但投入的成本巨大并且拓展性较低。文献[4]依据可扩展对象库，提出了一种三维仿真平台的构建方法，该方法虽然能够有效提升系统的扩展性，但其无法有效反映出站内的信息交互。总而言之，目前的方法大多面向智能化变电站[5]，电气设备三维可视化技术在核电站中应用较少。

本文针对核电站电气设备3D仿真培训技术的不足，提出一种对核电站电气设备3D可视化仿真技术。基于3DMAX软件构建核电站电气部分的3D虚拟场景，使亟待培训的运维人员面对逼真的动画场景，提高3D可视化仿真培训界面的真实性，使相关运维人员能够产生直观的视觉冲击，提高培训的效果。

1 核电站电气设备仿真培训系统

核电站电气设备3D仿真培训系统是基于实际的核电站电气部分的工况，与3D虚拟仿真技术相结合，共同构建的3D可视化的虚拟核电站培训环境，相关运维人员能够在该虚拟环境中进行真实的仿真培训，掌握与核电站电气部分运维相关的各种专业技能，如图1所示。

核电站电气设备3D虚拟模型可以分为规则模型和不规则模型两大类。其中，规则模型包括长方体、球体、圆柱体等，对应的实际电气设备如互感器、线路、杆塔、断路器等。规则模型为外形结构较为复杂的电气设备，如变压器、隔离开关、绝缘子串等。针对上述两种类型的3D虚拟模型，可以分别采用简单建模法和多边形建模法。

简单建模法采用长方体、球体、圆柱体等基本图形对电气设备进行3D构建，但其只能完成设备的主体架构的设计，无法对细节进行细致的描述，因此还需要多边形建模法对细节进行处理。

多边形建模需要使用3DMAX软件，对相关模型进多边形行编辑和修改，具体方法为：（1）创建电气设备主体，并将其转化为可编辑的多边形；（2）对设备主体进行点或面的编辑和修改，得到成型的3D电气设备；（3）用3DMAX软件对设备进行渲染。以核电站变压器为例，所得到的3D变压器效果图如图2所示。

图1 核电站电气设备3D仿真培训系统架构

图2 变压器3D虚拟模型

2 3D仿真培训系统开发及应用

2.1 核电站电气部分主体构建

3D虚拟核电站电气设备仿真系统的建模工作庞大，依据前文所述，必须运用3DMAX进行实现，将核电站电气部分的主接线以及各个设备的建筑图纸导入3DMAX中，使用简单建模法和多边形建模法进行同比例建模，同时还需建立相关的电气二次设备及二次回路的3D虚拟模型，例如各种互感器、控制机柜以及继电保护机柜等。完成各个设备的独立3D虚拟建模后，需要依据设备的地理位置对相关设备进行安放，并依据主电路图纸将设备进行连接，以建成完整的核电站电气设备3D虚拟模型，核电站整体场景及电气部分场景如图3所示。

图3 核电站3D虚拟模型

2.2 仿真系统主界面构建

仿真系统的主界面包括用户注册登录界面以及仿真培训主菜单界面，如图4所示。

用户注册登录界面是每一个完整操作系统都必需的界面，可以保证每个待培训的运维人员都能够完成相关的培训演练。通过在Canvas创建Button、InputFiled和Text控件完成登录界面制作，当学员单击注册按钮后，跳出注册界面，判别学员所输入的注册用户名是否已经被占用。已经注册过的学员在输入用户名和密码后，点击登录，即可进入自己的核电站电气设备仿真培训系统，完成相关的培训与练习。

学员登录系统后进入仿真培训主菜单界面，主菜单清晰明了，包含了“设备学习”“操作演练”“漫游巡视”“故障仿真”四个按钮。点击不同的按钮，即可打开对应的学习和练习界面。

2.3 虚拟漫游技术

学员可以通过虚拟漫游技术在核电站电气部分场地中360°无死角地观察各个设备的运行工况，同时虚拟场地中的摄像机会上传其所在的位置信息，该信息将在漫游界面的小地图中显示，使学员更加清晰明了地了解自己所在的位置。常规的漫游操作仅需要通过键盘方向键以及鼠标控制，同时还可以在小地图中进行选址，瞬间移动至学员需要观察的电气设备，学员的巡视记录以及对电气设备的相关操作会被保存并审核。

学员在漫游的同时，还可以进入飞行模式，即可以在不同的高度对核电站电气设备进行观测，将飞行模式与地面漫游相结合，使学员能够全方位地了解核电站电气设备的场景切换，从而提高仿真培训的效果。

室外主电路区域漫游效果及室内控制区域漫游效果如图5所示。

图4 仿真系统的主界面

3 结论

本文基于3DMAX软件提出了一种核电站电气设备3D可视化仿真培训技术。首先，介绍了目前已有的电站电气设备仿真技术的不足之处及其对新型核电站的不适用性。通过对核电站一次电气设备及二次电气设备可视化组件的构建，组件核电站3D虚拟可视化仿真培训系统。所开发的核电站电气设备3D可视化仿真培训系统囊括了核电站的各个场景，使用虚拟漫游技术，从宏观至微观皆可查看。通过该技术，不但能够充分提高学员的学习效率，也能为日后其他核电站可视化培训系统打下组件基础，进一步缩小开发成本。