核电站电气设备故障可视化3D仿真技术

黄昌军，王 欣，张 轩，滕晓雷

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

0 引 言

随着用户对电能的需求不断上升，核电在电能中的占比也在逐步提高。核电站作为电能的始发站，需要确保其运行的安全稳定，核电站运维人员的技术水平成为电站能否安全发电的重要因素[1]。可视化技术能够直观清晰地展示核电站各处的工况，便于新入职的运维人员快速学习，有助于运维人员对故障的快速处理。

为保证学员对核电站电气设备故障具备充分的认知，可以使用虚拟现实技术可视化描述各个电气设备。这种新兴的软件技术凭借其清晰直观的优势，在文物保护、医疗设备、娱乐影视行业、建筑工程、军事演练以及教育行业等众多工作领域拥有广阔的应用前景[2-4]。同时，在核电站电气设备可视化培训方面，相对于传统人力教学，更能展现出虚拟现实技术所具有的优势[5]。

本文基于虚拟现实技术可视化开发核电站电气部分，重点研究设备故障状态的直观描述方法。先使用3DMAX软件构建完整的核电站电气部分模型，包括全部一次设备和二次设备，然后在Unity引擎中对所构建的电气模型进行渲染和优化，使学员在漫游巡视、设备学习、操作演练以及故障仿真等众多联系环节中能够观察到逼真的设备故障效果，产生直观的视觉冲击，成为相关运维人员专业学习、技能培训以及技能鉴定考核的重要平台。

1 虚拟场景及硬件开发

核电站电气设备3D仿真培训系统是基于实际核电站电气部分的工况，与3D虚拟仿真技术相结合，共同构建一个3D可视化的虚拟核电站培训环境，使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。核电站电气设备3D仿真培训系统架构如图1所示。

图1 核电站电气设备3D仿真培训系统架构

1.1 模型融合

依据核电站建设的CAD图纸，使用3DMAX软件构建核电站电气部分的模型。将CAD图纸导入3DMAX软件中，以此为参照提高3D建模的准确度，保证按照实际比例还原核电站电气部分。

上述流程所生成的核电站电气部分3D模型较为生硬，无法充分展现电气设备故障后的状态，如冒烟、着火以及爆炸等。因此需要将模型转化为FBX文件导出，方便Unity引擎兼容，在Unity中进行虚拟场景开发。

由于3DMAX软件与Unity引擎的底层不尽相同，所以在模型导出是需要注意以下几点。首先是比例关系，Unity引擎中的参考单位是米，而3DMAX软件中的参考单位是毫米，两者之间存在1 000倍的比例关系，因此在导出模型前应提前做好比例换算工作。其次是参考方向，Unity引擎中默认Y轴为3D图形高度计量轴，而在3DMAX软件中的Z轴为3D图形高度计量轴，因此在导出模型前应提前做好3D图形旋转工作。再次是镜像差异，Unity引擎和3DMAX软件都可以对3D图形进行镜像翻转操作，但3DMAX软件使3D图形镜像翻转后，该图形的法线法相也发生了反向，这会导致所导出的FBX文件不能被Unity引擎识别，因此使用3DMAX将图形翻转后，需要再次对该图形的法线进行翻转，生成FBX文件。最后是材质库，虽然Unity引擎支持3DMAX软件的材质，但在使用Unity引擎打开FBX文件前仍需要将所需的材质库贴图提前导入Unity项目文件夹中，否则无法正确识别3D图形。

1.2 场景渲染

使用Unity引擎打开FBX文件后，所展现的画面是单一的，并且没有任何光线效果，因此需要优化渲染外场景和各个电气设备以达到良好的视觉效果，更好地模拟冒烟、着火以及爆炸等故障工况。

光线在各个工况情景中都将起到举足轻重作用，光源决定了场景环境的明暗、色彩以及氛围。Unity引擎包含多种光源，如注入点光源会让区域光源等。通过组合不同种类的光源，就可以模拟故障场景的光效果，如火焰产生的光源和烟雾差生的阴影等，以此提高故障仿真的真实性，有助于提高培训效果。此外，由3DMAX软件生成的模型导入Unity引擎后不具备碰撞效果，即当两个模型发生碰撞时，模型会直接穿过对方，没有任何的交互作用。这将无法仿真隔离开关和断路器等众多设备，更无法模拟设备爆炸等极端故障情况，失去了仿真培训应有的效果。

为解决上述问题，需要调用Unity引擎的碰撞体组件，如网格碰撞体、球碰撞体、胶囊碰撞体、车轮碰撞体、盒碰撞体以及地形碰撞体等。针对不同的工况和故障效果，选择某个或某几个碰撞体的组合，进而实现对碰撞效果的渲染。

Unity引擎联机商店还有丰富的渲染资源可以下载，包括纹路解析和粒子特效等。完成对核电站电气部分的渲染后，即可在该场景中进行漫游。观察者可以在不同高度和不同视角全方位地观测相关设备的工况，使用方向键在电站内漫游的同时，还可以在小地图中点击其他观测位置，并瞬移至该位置。

2 可视化系统应用

使用Unity引擎完成场景渲染后，需要依据设备的地理位置对相关设备再次进行校验，并依据主电路图纸将设备进行碰撞连接，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2所示。

图2 核电站3D虚拟模型

本文重点展示了核电站电气设备故障后的状态，主变压器模拟爆炸起火效果如图3（a）所示，该效果主要利用了Unity引擎的粒子特效渲染以及光源渲染功能，创建火焰材质球来完成，使火焰效果更加真实。站内电抗器常见过热故障，产生冒烟现象，如图3（b）所示，制作烟雾同样需要粒子特效渲染，并对周围进行暗化和阴影处理，使其效果更加逼真。

图3 核电站电气设备故障效果

3 结 论

本文综合利用3DMAX和Unity两种软件，基于虚拟现实技术构建了核电站电气部分的可视化系统。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。此外，核电站电气设备故障3D仿真技术能够在原有可视化培训系统的基础上使用Unity引擎模拟核电站电气设备的故障状态，使学员更加清晰直观地观察到故障情形和故障所带来的严重后果。同时通过该技术可在短时间技能培训里获得更好的技术提升效果，对保证核电站电气部分的安全运行和降低事故的概率具有重要意义。