VR和AR在核电领域中的应用前景

张勇卫，宋小龙，岳小平，刘 琴，马 宇

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

随着科学技术的发展，特别是计算机图形学和人机交互技术的迅猛发展，虚拟现实和增强现实技术在浸入式多维体验中的功能脱颖而出。中国力争在2030年前达到二氧化碳排放量峰值，努力争取2060年实现二氧化碳中和。推动低碳转型的进程中，新能源一直是中国能源发展的重要方向。核电作为新能源中的佼佼者，其发展也必将受到新一轮政策的影响。将虚拟现实和增强现实技术应用到核电工程的设计、施工、运行的全过程中，寻求更为高效、便捷、安全的方法，成为现阶段核电工程发展的一条可选之路。

1 VR、AR的概念与核电工程

1.1 VR、AR的概念及发展

虚拟现实（VR-Virtual Reality），是指一种能够使用户沉浸到计算机生成的虚拟环境中并与其中的物体进行自然交互的新技术[1]。该虚拟环境由虚拟数据影像和用户实体行为等信息仿真融合而成。用户借助头戴式显示器、感觉手套等专业设备，通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受。虚拟现实技术的要点在于：准确架构虚拟世界、真实反映感知信息、实现交互操作[2]。

增强现实（AR-Augmented Reality），是一种将真实世界和虚拟世界的信息集成新技术。结合计算机图形图像技术、空间定位技术、可视化以及交互技术，将现实世界难以呈现的辅助虚拟数据信息，通过增强现实设备叠加显示在真实物理环境中。真实物体和虚拟信息通过增强现实技术相互补充、叠加。增强现实技术的核心在于：场景信息获取、对场景信息跟踪注册、场景融合绘制、增强显示信息[3]。

VR和AR均通过三维实现可视化的计算机仿真系统，区别在于：VR利用计算机创建一个与现实世界无关的虚拟空间，通过模拟真实环境令用户沉浸其中，给人身临其境的感觉；AR创造了一个与现实世界相关的虚拟空间，通过虚拟与现实世界的合成，形成与现实世界相关，但又不完全相同的超现实空间。

1.2 核电工程

2020年11月27日，华龙一号全球首堆首次并网成功，标志着中国打破外国核技术垄断，正式进入核电技术先进国家行列[4]。中国核电自此开启了三代核电的新篇章，实现了从核电大国到核电强国的跨越。核电工程从研发到设计再到施工、运行通常需要10年乃至更久的时间，且核电工程耗资巨大，工程量、信息量巨大，又对质量和安全的要求极高。在这种情况下，只有引入新技术，才能提高设计精度，缩短工程周期，提升运行安全性，降低工程成本。

2 VR、AR在核电工程设计阶段的应用

2.1 核电工程的三维设计

核电站项目的三维设计工作主要分为：可行性研究、初步设计、施工设计3个阶段。在三维设计过程中，土建、钢结构、管道、设备、电缆通道、暖通等多个专业在同一平台同时进行，目的是为了在核电站狭小的空间中避免碰撞和施工逻辑矛盾的同时，实现最大设计合理化及空间利用率。根据华龙一号设计和施工的经验，这个过程中暴露出5个问题：①部分人行通道和设备运输通道设计有缺陷；②部分施工安装空间与施工设备的匹配程度不高；③部分大型机械设备的运转轨迹与其他设备碰撞；④部分检修空间及检修拆卸运输的通道不足；⑤模块化程度还有待提高。以上问题在实际工程施工中才得以暴露，设计、业主、施工方投入了大量人力物力，通过各种手段进行更正，为此付出了高额的成本。针对以上问题，目前市场上可用软件众多，类似PDMS插件漫游功能可以在一定程度上给设计和施工人员提供帮助，但达不到理想效果。

2.2 VR在设计过程中的应用

结合VR的图像技术、空间定位技术、可视化技术、交互技术，首先将PDMS建模的三维数据导出为TXT格式的文本，运算生成VR软件可读数据。然后，对读入的PDMS数据进一步加工，赋予数据模型能够和外接传感器设备交互的功能。而后，通过VR软件生成虚拟场景。最后，可行性研究阶段的设计者完成初步模型设计后，借助头戴式显示器进入VR的虚拟核电站中。基于VR的特征和穿戴的传感器，直接观察、亲身体验模型虚拟现实是否合理，这是一般的三维软件的碰撞检查功能达不到的效果。设计者在该虚拟模型中可以便捷地实现以下工作：

1）在模型中行走，以检验人行通道、检修通道的设计合理性。

2）结合实体工机具模拟实际施工工序，检验施工空间的设计合理性。

3）模拟大型设备的吊装检验设备运输通道的设计合理性。

4）给定参数模拟动设备的运转空间合理性。

5）模拟复杂设备的装配过程检测设计合理性。

6）模拟控制室的操作工况，使布置合理。

设计者可以对体验的结果进行分析，通过给定权限在浸入式模型中修改模型数据，数据实现实时交互，从而让设计更合理。

其技术要点在于：

a）数据转换，即BIM、PDMS等三维模型数据转换成VR可读数据，VR场景数据转换成BIM、PDMS可读数据。

b）研制高度敏感的点、线、面碰撞传感器，及时反馈实物与虚拟模型之间或者多个虚拟模型之间碰撞的程度。

c）核电站的体量大，实现虚拟现实，需要计算机生成庞大的数据并流畅使用。

d）模型设计的精度要求高，需要大量前期材料、设备、土建等数据。

目前，VR的使用已不局限于室内既定的体验区，它还可以在任何复杂多变的项目现场使用。设计者结合项目现场的实际地理位置和环境因素能够设计出更具有针对性、更合理的模型。

2.3 AR在横向设计过程中的应用

在役核电站的设计任务被称作横向设计。横向设计、施工任务有几个特点：工程窗口期极短、环境复杂、辐射剂量大、施工难度极大，整合的资料量大等。通过前期工程中形成的AR数据库，设计者可直接实时了解电厂运行状态，无需到工程现场就可以整合资料，得到设计的先决条件，从而给出更好的设计方案。如在役核电站的部分区域辐射剂量大，在不停堆的情况下，可以通过AR技术结合摄像头全方位扫描现场场景形成虚拟模型，从而了解现场实际情况和测量现场数据。完成设计后，通过投影设备将修改方案投射到相应位置，通过远程观测检测设计的合理性。

3 VR、AR在施工阶段的应用

3.1 核电工程施工的难度及特点

核电站属于大型工业建筑，结构复杂，建设周期长，秉承“安全第一、质量第一”和“三个凡是”的建设原则，建设施工阶段需要土建、机械、电气、管道、暖通、消防等多个专业合力完成。核电站施工有以下难点和特点：

1）工程量巨大且要求真实详尽的施工记录。

2）设备、材料价值高，浪费的代价高。

3）施工空间狭小、施工逻辑顺序要求极为严谨。

4）多专业协同开展、施工作业面大。

5）施工精度要求极高，误差容许范围通常以mm计算。

3.2 VR、AR能解决什么问题

当前的核电施工中，施工记录常以文字表格的形式记录，不够直观。运用AR技术将施工中采集的无数照片或视频进行处理，可以叠加成数据库，真实记录施工中的过程数据，为核电业主留下可永久追溯的过程数据。工程中，管理人员可以选择一个时间点，看到这个时间点整个核电站的各个位置的详情。也可以跟踪一个物项，便可以详尽地知道物项的整个制造、运输、仓储、安装、调试、运营过程，或者将整个工序的相关物项组合成数据包，整体跟踪，而且这个数据库可以根据每天采集的新图片，使视频持续更新。业主、工程总包、监理通过AR形成的直观数据库，可以实时掌握施工情况，跟踪任何工程进度，监督安全施工，安排施工计划，控制施工质量进度。

借助AR设备展示计算机生产的虚拟空间，设计者可以更准确地进行设计交底。施工单位对复杂施工情况可进行模拟施工，可以避免重复施工或施工误差带来的设计变更，节省材料、人力、时间。

现场安装人员可以携带便携式AR设备，通过连接数据库，结合现场预留的无线测量基点，将需要安装的物项在安装位置上精确三维投影，并增加显示周围所有未安装物项。如此保证了安装精度，也可以及早发现碰撞问题，避免材料和人力的浪费。

其技术要点在于：

1）数据采集量十分巨大，需要布置大量采集设备。

2）图片和视频数据运算处理成三维模型的算法复杂。

3）平台及虚拟数据库的管理难度大。

值得一提的是，采用VR技术对常规的平面ISO图纸进行处理，佩戴头戴式显示器可以将核电施工中管道专业常用的ISO管线图中立体地显示在读者眼前。这项技术也是VR技术在工程中发展的一个方向，将大大避免人因失误，提高施工交底和现场作业的效率。

4 AR在运营阶段的运用

为了实现终端设备信息和远程读取设备信息的对比，实现自动控制的目的，需要就地操纵员到达现场获取就地设备信息。现阶段核电就地操纵员多用的巡检方式是携带有巡检任务的纸质工单进入核电现场，工单上记录了需要巡检的条目，操纵员获取信息后需在纸上填写现场数据，返回后录入计算机系统。这样做的弊端在于：①由于携带量有限，无法记录大量数据；②人因失误严重，如写错、漏记等；③无法得知关联参数，对发现的问题不能做出及时且正确地处理。

已运行的电厂可结合AR技术更加便捷地实现就地操作：第一步，运行人员携带便携式AR设备进入核电站，对作业场景信息进行扫描，识别作业场景中的关键物项，为获取数据提供条件；第二步，精确定位到关键物项，将就地参数如温度、震动、噪声等信息录入AR设备；第三步，将获得的运行参数结合与远程数据对比，增强现实在操作员眼前；第四步，指导就地操纵员维修作业。

当设备出现故障时，运用AR的互动性可以提供远程技术支持，技术专家可以不到维修现场；通过AR设备采集的就地实时音视频，以第一视角观察现场情况，并通过标记及发送文件等方式远程指导现场维修作业。

5 结论

AR、VR在核电中的运用前景相当可观。一方面核电造价高，节约资金的需求极高；另一方面，国内核电建造周期一般为5年，设计周期更长。核电设计、建造工期长的特点使得核电工作者急需改进方法，提高效率。最后，自卡拉奇核电商运后，中国自主设计的三代核电已经加入世界核电出口的竞争中，降低造价、缩短工期、精细施工，将在竞争中取得极大优势。所以，将AR和VR等先进的技术引进到核电站的设计建造中非常必要。