虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在熱室遙控維護(hù)中的應(yīng)用研究

陳盛貴，李榮泳，陳海彬，何偉鋒，孫振忠

(東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

1 熱室

進(jìn)行高放射性試驗(yàn)和操作的屏蔽室俗稱(chēng)熱室，它廣泛應(yīng)用于輻射防護(hù)領(lǐng)域［1］。該領(lǐng)域有多數(shù)核心部件長(zhǎng)期運(yùn)行于高輻射區(qū)域，需要考慮輻照損傷對(duì)其壽命的影響，因此在設(shè)計(jì)中考慮了常規(guī)的維護(hù)和更換［2］。由于部件材料在高輻射區(qū)域受到輻射后會(huì)引起感生放射性，對(duì)于那些被活化或表面污染部件的維護(hù)操作:組裝、拆卸、分解、運(yùn)輸動(dòng)作都是在熱室中使用主從機(jī)械手或伺服機(jī)械手以及各種工裝夾具透過(guò)鉛玻璃屏蔽窺視窗進(jìn)行的，而非人員直接操作完成，避免了輻射對(duì)維護(hù)人員的危害［3］。

由于熱室環(huán)境的特殊性，遙控維護(hù)發(fā)揮了非常重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)外輻射防護(hù)研究及相關(guān)人員培訓(xùn)時(shí)大多需要接觸真實(shí)的環(huán)境，或者進(jìn)行Mock-up(即建造1∶1實(shí)物模型)培訓(xùn)，在防護(hù)設(shè)施和手段大多不是很完備的情況下，這無(wú)疑增加了被輻射的風(fēng)險(xiǎn)和培訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)的資金投入［4-5］。為了保證熱室遙控維護(hù)的可行性和安全性，保護(hù)維護(hù)人員的輻射防護(hù)安全，針對(duì)熱室裝備在裝配中存在的問(wèn)題開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究，建立高度逼真的虛擬維修培訓(xùn)系統(tǒng)，形成優(yōu)化的遙控維護(hù)工藝方案和操作規(guī)程。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality)是指采用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)等多重感應(yīng)的虛擬環(huán)境，用戶(hù)借助必要的設(shè)備與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互作用，從而產(chǎn)生如臨其境般的感受和體驗(yàn)［6］。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、輸入輸出設(shè)備、應(yīng)用軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，系統(tǒng)的組成如圖1所示。國(guó)內(nèi)外一些機(jī)構(gòu)已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功應(yīng)用到輻射防護(hù)領(lǐng)域，如進(jìn)行維護(hù)人員的虛擬維修培訓(xùn)、ALARA設(shè)計(jì)分析、輻射場(chǎng)/劑量的分布計(jì)算與顯示等［7］。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成

在虛擬環(huán)境中進(jìn)行維護(hù)具有安全性和可重復(fù)性，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)輻射環(huán)境下的熱室遙控維護(hù)或從事其他高危險(xiǎn)高成本工作的維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，不但可以?xún)?yōu)化操作過(guò)程、節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)，還能夠以生動(dòng)形象的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)感受給予維護(hù)人員真實(shí)的操作體驗(yàn)。在維護(hù)人員進(jìn)行錯(cuò)誤操作的時(shí)候能夠及時(shí)在輸出系統(tǒng)上給出警示信息和更正建議，甚至可以刻意模擬能夠引發(fā)事故的操作，并給出事故后果，使被培訓(xùn)的維護(hù)人員對(duì)各種操作的危害有更加深刻的認(rèn)識(shí)。

3 應(yīng)用研究

輻射防護(hù)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)。對(duì)于場(chǎng)景、人物和動(dòng)作的建模，現(xiàn)在已有很多專(zhuān)用或通用的建模工具軟件可以使用，如3D MAX與EON Studio，VRML與JAVA，Cult3D等。針對(duì)不同的應(yīng)用目的，選擇其中某些軟件即可進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件

虛擬維修是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在維護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展分支。它以計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，在由計(jì)算機(jī)生成的、包含了產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)與維護(hù)人員3D人體模型的虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)人體模型來(lái)完成整個(gè)維修過(guò)程仿真的綜合性應(yīng)用技術(shù)［8］。

EON Studio是美國(guó)EON Reality Inc公司研制開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。這種軟件具有可視化的編程界面，它將VRML語(yǔ)言集成為一些可視的功能節(jié)點(diǎn)(node)，用戶(hù)只需選擇并拖動(dòng)節(jié)點(diǎn)到模擬樹(shù)(simulation tree)上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的相應(yīng)動(dòng)作，省去編寫(xiě)VRML源代碼的麻煩，EON Studio支持Java Script和VB Script兩種腳本語(yǔ)言，具有很好的二次開(kāi)發(fā)潛力。

3.2 三維建模

三維建模是虛擬維修的基礎(chǔ)，建模的好壞直接關(guān)系到交互性和沉浸感的實(shí)現(xiàn)。很多三維CAD軟件如Solid-Works，Pro/Engineer，UG等都可以用來(lái)建立零部件的實(shí)體模型。建模過(guò)程中應(yīng)在保證模型外形特征的前提下，盡可能地減少特征面的數(shù)量，刪減模型表面的三角形網(wǎng)格，以提高虛擬環(huán)境中圖形的顯示速度。主從機(jī)械手的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 主從機(jī)械手三維實(shí)體模型

3.3 虛擬維修場(chǎng)景

虛擬維修場(chǎng)景由維修環(huán)境(熱室)、維修對(duì)象(有放射性的裝備)和維修工具(機(jī)械手等)組成，用戶(hù)通過(guò)交互接口操縱維修工具對(duì)場(chǎng)景中的維修對(duì)象進(jìn)行操作，完成維修過(guò)程的仿真。要生成虛擬維修場(chǎng)景有2種實(shí)現(xiàn)方法:一種是將模型直接導(dǎo)入EON Studio，該方法的缺點(diǎn)是導(dǎo)入之后模型的失真嚴(yán)重，重新調(diào)整模型的工作量大;另外一種方法是使用EON Studio為3dmax提供的輸出插件EONRaptor For 3dmax.dle，在3dmax中將模型導(dǎo)出為EON Studio的文件格式*.eoz，這種方法生成的虛擬維修場(chǎng)景真實(shí)感強(qiáng)，場(chǎng)景文件的容量小。圖3是在EON Studio中生成的機(jī)械手虛擬維修場(chǎng)景，維修場(chǎng)景生成后還需要調(diào)整場(chǎng)景的仿真樹(shù)結(jié)構(gòu)，將場(chǎng)景中的零部件對(duì)象分門(mén)別類(lèi)，根據(jù)熱室裝備的結(jié)構(gòu)關(guān)系，按照零件一部件—裝配體的順序組織成有層次的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。熱室遙控維護(hù)的虛擬維修場(chǎng)景如圖4所示。

4 總結(jié)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立熱室遙控維護(hù)的虛擬維修培訓(xùn)系統(tǒng)，可以有效地減少實(shí)際維護(hù)中出現(xiàn)的問(wèn)題，提高維護(hù)效果?；谔摂M現(xiàn)實(shí)軟件對(duì)熱室遙控維護(hù)過(guò)程中的三維建模、虛擬維修場(chǎng)景生成等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為熱室遙控維護(hù)的虛擬維修培訓(xùn)系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在輻射防護(hù)領(lǐng)域有其應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與前景，在熱室遙控維護(hù)等工程的檢修與維護(hù)工作中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)工程中的輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)和維護(hù)人員培訓(xùn)都是適合的。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅可以?xún)?yōu)化熱室遙控維護(hù)的操作過(guò)程，節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)，提高維護(hù)效果，而且可以用于維護(hù)人員操作前的培訓(xùn)，有效地降低維護(hù)人員在實(shí)際操作中被輻射的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］P.T.Spampinato，V.B.Graves:System Requirements Document for the Spallation Neutron Source Target System.

［2］Mark J.Rennich and Thomson W.Burgess:Remote handling in the Spallation Neutron Source target facility.

［3］ASTM C 1533:Standard Guide for General Design Considerations for Hot Cell Equipment.

［4］Lamela B，F(xiàn)elipe A，Sánchez-MayoralML，et al.Applications of Virtual Reality to Radiation.11th International Congress of the International Radiation Protection Association，Madrid Spain，2004-05-23.

［5］Ródenas J，Zarza I，F(xiàn)elipe A，et al.Developing a Virtual Reality Application for Training Nuclear Power Plant Operators:Setting up a Database Containing Dose Rates in the Refuelling Plant.Radiation Protection Dosimetry，2004，111(2):173.

［6］胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2005.

［7］Vermeersch F.ALARA Pre-job Studies using the VISIPLAN 3D ALARA Planning Tool.Radiation Protection Dosimetry，2005，115(1-4):294.

［8］楊宇航，李志忠，鄭力.虛擬維修研究綜述［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(9):2191-2195.