基于VR 技术的堆外中子剂量计培训系统开发

顾登明

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

堆外中子剂量计采用多箔活化法测量反应堆压力容器所承受的快中子注量。监测期间，需要将中子活化探测片安装在反应堆压力容器保温层与水泥屏蔽墙之间，其安装和更换工作主要在反应堆厂房的R140 和R440 房间。这两个房间中的设备和部件长期承受中子和Gamma 射线辐照，被高度活化，导致即使在停堆期间这些房间内的环境剂量水平也非常高[1]。实际测量结果表明，这两个房间内的平均剂量率达12 mSv/h，最高剂量率可达15 mSv/h。出于人员剂量控制的要求，电厂严格控制工作人员剂量，通常个人单日剂量不超过1 mSv。特殊情况下，单日个人剂量不超过2 mSv。而在堆外中子剂量计安装过程中，提高单日个人剂量限值至5 mSv。即便如此，R140 和R440 房间内的堆外中子剂量计安装和更换工作也需在30 min 内完成。

由于现场环境复杂，搭建的模拟体很难反映真实环境状况，这造成在模拟体上训练过的人员无法清楚了解真实安装和更换环境，进入工作环境时就会受现场环境和电子剂量计报警声音等的影响，使他们心情紧张，影响正常工作进行。为了尽可能降低安装和更换期间工作人员的剂量水平，满足核电厂要求，保证顺利完成安装和更换任务，提高安装更换人员对现场环境的熟悉程度和对安装更换工作流程的熟练程度，有必要建立安装和更换模拟体，模拟现场工作环境。

1 模型建立

1.1 现场数据获取

利用三维激光扫描技术对对福清二号机反应堆压力容器底部进行三维信息获取[2]，获取了完整的压力容器管嘴环廊的三维点云数据。福清二号机是典型的二代加核电，完全适用于大亚湾堆外中子剂量计安装EVND 项目。利用三维激光扫描技术是获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等特点实现逼真的现场，完美解决了VR（Virtual Reality，虚拟现实技术）虚拟现实中数据不精确、可操作性不强等问题。扫描的点云如图1 所示。

1.2 安装场景模型建立

将点云扫描的点云数据数据处理后导入到三维建模软件3DMax 中建模，高精度的点云数据使得模型的精度达到了毫米级别（图2、图3）。

1.3 安装构件模型建立

图1 点云

图2 3DMax 建模

图3 场景模型

堆外中子剂量剂安装体零件模型由探测盒、限位器、链夹、中间块4 部分组成，各部分之间由链条连接，均采用CATIA 精确建模再导入到3DMax 中利用实际照片纹理贴图制作而成（图4）。

图4 构件模型

2 VR 交互制作

2.1 实现场景漫游

创建一个新的项目之后，按照图5 所示流程实现场景漫游。HTC VIVE 具有硬件成本低、开发集成度高、开发成本低、分辨率高、定位精确、沉浸感强等特点。在Unity 的资源商店下载并导入SteamVR 插件，这是HTC VIVE 硬件必须要导入的插件，为了方便快速开发导入另一个插件VRTK，其将大大提高VR 开发的效率。

VRTK 的主要功能有：①用常用别名封装的控制器按钮事件；②控制器世界光标指针；③玩家传送机制；④用控制器抓取、握住游戏对象；⑤用控制器和游戏对象交互；⑥把游戏对象转化为可交互的UI 元素（即应用程序里可以看见的任何可视元素）。替换手柄模型使看不到手柄的模型取而代之的是真实手的模型，更加提高了场景的沉浸感。瞬移功能可以减小对架设HTC VIVE 场景空间大小的需求。

2.2 链子的制作

链子通过Hinge Joint 来制作，各个的Hinge Joint 相互连接各个关节点就形成了链子。珠链的直径约0.003 m，在实际制作过程中如果低于0.01 m 就会失去链子效果，造成混乱。不过把场景和人物整个进行放大即可解决这个乱象，项目中将人物和场景统一扩大了100 倍。

链子连接与断开的大体思路是：点击时连接件部分的Hinge Joint 会脱离关系，当把链子接上去时将Hinge Joint 的设置为头尾钢体。（图6、图7）。

3 结语

图5 开发流程

图6 给连接件添加的代码

图7 连接件配置

提出了基于VR 技术的堆外中子剂量计安装培训的实现过程与技术优势，利用三维激光扫描获取高精度的场景数据来建模，用UNITY 与HTC VIVE 作为VR 开发的平台。该系统帮助堆外中子剂量计安装人员提供从理论学习到实践训练，具有精度高、沉浸感强、交互性强、实用性强、开发周期短成本低、可推广性强等优点。该系统目前只有漫游与交互训练等内容，在未来将会把评价考核添加进来，以进一步健全系统功能[3]。