MR技術在核電站換料大修中的應用

陳茜，王坤，楊俊豪，陳相羽，馬山林，萬浩，徐世超，王曉童

（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，成都 610213）

1 概述

1.1 MR技術簡介

人與機器交互方式是隨著計算機技術的發(fā)展而演進變化的。在20世紀80年代，哈佛大學的Jaron Lanier[1]首次提出虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）的概念，并逐漸被學術界認可。VR的定義可簡述為：由電腦模擬的一種融合了視覺、聽覺、觸覺的三維虛擬世界。21世紀以來，虛擬現(xiàn)實設備開始落地應用，商業(yè)領域中有用于飛行員訓練的飛行模擬器，在個人穿戴虛擬現(xiàn)實設備領域則有谷歌公司的Cardboard、三星公司的GEAR VR、Oculus Rift及HTC VIVE等，如圖1所示。

圖1 個人穿戴虛擬現(xiàn)實設備

而增強現(xiàn)實技術（Augment Reality,AR）的發(fā)展則要成熟得多。增強現(xiàn)實技術，顧名思義即是在真實世界中實時疊加相關的虛擬信息，給人的主觀感受是虛擬世界“懸浮”或者“粘貼”在現(xiàn)實世界上。目前的應用包括戰(zhàn)斗機和汽車的平視顯示系統(tǒng)，用于個人穿戴的Google Glass等。

混合現(xiàn)實技術（Mixed Reality ,MR）則是在虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的基礎上發(fā)展而來的全新一代虛擬交互技術。相比于虛擬現(xiàn)實，增強現(xiàn)實技術融合了虛擬世界和真實世界,打破了兩者的界限，相比于增強現(xiàn)實，混合現(xiàn)實技術可以實現(xiàn)虛擬世界和真實世界的互動[2]，而不僅僅是將信息簡單疊加在真實世界之上。目前較為成熟的產(chǎn)品為微軟公司的Hololens，并且已經(jīng)在波音公司的新機型開發(fā)中獲得了應用，相比原有工作方式，提高了大約40%的工作效率。

1.2 核電站換料大修簡介

截止2019年1月，國內(nèi)在運行的核電機組45臺，在建機組11臺，籌備中核電機組15臺，每臺機組1～2 a進行一次小修換料，約10 a進行一次大修換料[3-4]，因此后續(xù)國內(nèi)核電站換料大修操作將更加頻繁。如何安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成核電站換料大修工作，是目前亟待解決的難題。

核電站大修的目的是更換燃耗殆盡的燃料組件，同時對核島、常規(guī)島的相關設備進行檢查、維修及改造升級，這是核電站運行過程中最為重要的工作之一。同時，在保證安全的前提下，盡可能縮短大修換料周期，減少換料檢修人員的輻照劑量，也是各國核電站運營商普遍追求的目標。

2 國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

目前MR技術在國內(nèi)外主要有如下應用場景：

1）工業(yè)產(chǎn)品制造。在復雜產(chǎn)品的組裝維修過程中，通過使用MR技術進行實時操作引導，可以使得從未接觸過該產(chǎn)品的裝配人員或維修人員，完成復雜產(chǎn)品的裝配及維修。

2）模擬訓練。通過使用MR技術，搭建與真實世界結(jié)合的仿真訓練場景，可以完成諸如航天員訓練、士兵的軍事訓練、飛機駕駛模擬訓練等諸多訓練，取代原本需要極高訓練成本甚至無法實現(xiàn)的訓練任務。

3）數(shù)據(jù)可視化。通過MR技術，可以在設備安裝制造現(xiàn)場及其運行維護期間，將設備的各項技術資料、運行參數(shù)等實時疊加展示到對應的設備上，方便技術人員查閱，極大提高信息的使用效率；同時借助計算機三維成像技術，將傳統(tǒng)的一維或者二維的數(shù)據(jù)通過3D模型展示出來，顯著提高了數(shù)據(jù)的易讀性。

4）運行維護。對于無法直接觀測的設施設備，可以通過MR技術，使用設備內(nèi)置各類傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時對設備進行可視化重建，并且準確反映設備的運行狀態(tài)，這樣就可以通過MR顯示設備，對設備進行實時巡檢，并且極大降低人員的勞動強度，提高巡檢的效率，降低人因失誤風險。目前，在火電廠運行維護指導及管網(wǎng)巡檢中均有相關的應用研究。

在核電領域，MR技術主要應用于人員培訓方面，例如：日本Fugen核電站的DEXUS系統(tǒng)，用于核電站退役解體的操作培訓；歐洲原子能共同體的EURATOM系統(tǒng)，以及位于俄羅斯列寧格勒的VR換料模擬機等[5]；在國內(nèi)則有學者提出基于大亞灣核電站的VRP平臺，該平臺利用虛擬現(xiàn)實技術實時展示電站中的輻射場分布，便于現(xiàn)場人員進行輻射劑量管理。

3 MR技術核電應用領域及構(gòu)想

核電站的換料大修，是核電站運行過程中最為關鍵和重要的環(huán)節(jié)之一，也是一項極為復雜的系統(tǒng)工程，涉及的部門廣泛、人員眾多、設備龐雜，核電站大修換料的成功與否，直接決定了核電站的運行情況及電廠經(jīng)濟效益。電站換料大修主要可分為2個部分：1）核島及常規(guī)島的設備檢修；2）反應堆燃料的卸出和新燃料裝載。

3.1 核島及常規(guī)島的設備檢修

核電站大修之前會制定相關的大修計劃，大修計劃一般分為主線計劃和輔線計劃，主線計劃主要用于控制關鍵項目節(jié)點，輔線計劃主要包含大修預檢、常規(guī)島主機檢修、常規(guī)島輔機檢修、核島檢修、核島人員控制等。以秦山核電2007年10月開展的30 萬kW機組的換料大修為例，需要完成的檢修項目多達7255項，重大設備改進項目37項，而大修的計劃工期只有68 d；而田灣核電一號機組在2007年底進行的大修項目則包含共計約9700余項標準檢修項目，約370余項設備改進項目，并且在大修期間發(fā)生多項計劃外工況，整個大修工期約達到100 d[6]。

目前沒有過MR技術在核電站換料大修中的應用報道，但是參考其他行業(yè)，例如德國蒂森克虜伯公司在電梯維保工作中使用Holoens輔助操作，將工作效率提高了約4倍。

3.2 MR技術在大修預檢中的應用概述

在大修預檢時，需要根據(jù)制定的大修計劃，對關鍵設備進行提前檢查，同時檢查各項準備工作是否充分，備品備件是否齊全，工器具狀態(tài)是否良好，設備狀態(tài)是否滿足大修換料條件。

但是在實際的預檢過程中，核島及常規(guī)島設備極其龐雜，涉及到的設施設備分布在核電廠的各個位置，并且經(jīng)過一個周期的使用，部分設施的狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生改變，難以及時作出判斷，這就必然導致預檢效率低下和人力物力的巨大消耗。

針對上述問題，通過混合現(xiàn)實技術，可以預先將所有待檢設備的正常狀態(tài)儲存到個人佩戴的MR設備上，通過室內(nèi)定位技術引導檢修人員按照最佳的行進路線執(zhí)行檢修工作。到達預定的檢修點后，MR設備自動識別出需要檢查的設備、備品備件及工器具，同時在MR頭盔上展示設備應有的狀態(tài)，便于檢修人員對比檢查；對于復雜設備或者零件，還可以通過遠程專家系統(tǒng)獲得專家的在線支持，并且將檢修完畢的狀態(tài)進行記錄。

相比于查閱手冊的方式，使用MR技術可以解放操作人員的雙手，后者所展示的信息也更加豐富直觀，能極大地提高預檢的效率，及時發(fā)現(xiàn)各種異常情況，為后續(xù)的換料大修工作打好基礎。

3.3 MR技術在常規(guī)島主輔機檢修中的應用概述

在常規(guī)島檢修過程中，檢修人員需要對照維修手冊逐項進行對比檢查及維修，對于復雜設備還需使用專用操作工具并且多人配合操作，這就對維修人員的維修技能提出了較高的要求，同時效率也會大大降低，人因失誤風險增高。

對于超出維修手冊之外的意外工況，或者在維修過程中產(chǎn)生的誤操作，目前也無法及時向相關的專家求助。例如在田灣1號機組首次大修期間，發(fā)生了異物掉入了壓力容器的事故，于是暫?，F(xiàn)場的工作，討論制定相應的處置方案，最后由現(xiàn)場人員實施，前后花費整整2 d時間。電站廠房隔間多達上千座，電站運維檢修人員走錯機組隔間的事件常有發(fā)生，這將導致正常機組的意外停堆、設備損壞甚至人員傷亡。雖然通過設置標志物、強化現(xiàn)場人員的培訓可以一定程度上解決上述問題，但是各個隔間的開閉狀態(tài)時常發(fā)生變化，單純依靠標志無法根本解決這一問題。

在核電站大修換料過程中，人因失誤造成的計劃外事件占全部計劃外事件的比例超過75%。例如，自大亞灣核電站建成運行以來，在歷次大修中人因事件占所有意外事件的90%[7]。因此減少人因事件，降低由于人的安全意識薄弱、作業(yè)技能不熟練等因素造成的意外事件是目前核電站大修換料急需解決的問題之一。

針對上述常規(guī)島檢修過程中的問題，可以通過混合現(xiàn)實技術，將檢修手冊上的對應信息實時投影到正在維修的設備上面，對于復雜設備還可以使用誘導操作的模式，引導一名或者多名操作人員完成復雜設備的拆裝維修工作，這樣即使對設備本身完全不了解，甚至是毫無工作經(jīng)驗的人員，也可以完成復雜設備的維修工作。

對于維修手冊外的意外工況，也可以在線獲得專家的支持，完成對意外工況的處理。

而對于電站廠房隔間過多、容易走錯的情況，可以利用MR設備結(jié)合室內(nèi)高精度定位技術，對佩戴者進行實時定位，然后根據(jù)預存的廠房地圖及目的地的相對位置，生成最短的行走路徑，并且可以根據(jù)隔間及各個通道的開閉情況，避開封閉的通道，極大地提高人員轉(zhuǎn)移效率，同時也避免了人員走錯隔間的事件發(fā)生。

通過上述相應技術手段，可以大大降低人因事件發(fā)生，減少意外工況的發(fā)生，縮短換料大修周期。

3.4 MR在核島檢修及人員控制中的應用

對于核島主機維修，除了在常規(guī)島維修時應用到的技術之外，核島主、輔檢修還有區(qū)別于常規(guī)島的特點：1）核島在正常運行期間不允許人員進入，因此檢修核島設備的維修經(jīng)驗較少；2）相比于常規(guī)島，核島現(xiàn)場輻射管理、人員劑量管理更為嚴格，需要極力避免人員輻照劑量超標。

通過MR技術，可以利用MR技術的操作培訓功能，在操作人員無法進行實物操作的時候，通過一比一的虛擬操作，實現(xiàn)對設備的熟悉，豐富維修人員的經(jīng)驗，例如在航天員的訓練當中引入MR技術，引導航天員完成相關的航天器控制模擬操作，或者空間站實驗模擬操作。在田灣核電站RMS系統(tǒng)的安裝時（如圖2），現(xiàn)場操作人員提出了一種區(qū)別于原有安裝方案的全新方案，能夠極大提高操作的效率，減少人員操作，降低安全風險，但是新方案的操作流程從未實際應用，多項設備也為首次應用，而堆上操作必須保證一次成功，這對現(xiàn)場安裝技術人員提出了巨大的挑戰(zhàn)。如果前期應用MR技術進行模擬操作訓練，并且在實際操作的時候進行逐步逐人誘導操作，能夠極大降低操作風險，提高操作效率。

圖2 RMS系統(tǒng)安裝示意圖

對于現(xiàn)場的輻射管理，可以根據(jù)現(xiàn)場電廠劃分的輻射控制區(qū)（紅區(qū)、橙區(qū)、黃區(qū)和綠區(qū)），建立空間的“輻射地圖”，通過顯示頭盔展示在佩戴者眼前，相比于傳統(tǒng)的標志指示可以更加準確直觀地提示現(xiàn)場人員，并且利用MR技術的數(shù)據(jù)可視化和空間三維顯示技術，可以顯示核島各個區(qū)域的輻射水平，佩戴MR頭盔的工作人員可以隨時看到自己所處環(huán)境的輻射劑量，以及自己的輻射劑量。

但是在核電站換料大修期間，由于放射源的改變，具有放射性設備的更換、維修和存放，導致電廠空間輻射水平發(fā)生變化，輻射控制區(qū)的等級會發(fā)生較大變化，完全按照已有的標志將難以實現(xiàn)人員輻射劑量的精確管理。因此，通過MR技術，根據(jù)現(xiàn)場輻射監(jiān)測儀器的實時數(shù)據(jù)，即時建立空間的“輻射地圖”，就可以反映大修現(xiàn)場實際輻射場分布，從而實現(xiàn)輻射控制區(qū)的精確化管理，消除人員受到過量照射的風險。極大方便對現(xiàn)場人員的輻射安全管控和人員劑量管理。

3.5 核電站換料演示

核電站反應堆換料是整個換料大修項目中的關鍵環(huán)節(jié)，安全、高效的換料方案對縮短整個換料大修周期、減少人員輻照劑量、保證電站安全穩(wěn)定地運行具有決定性作用。核電站燃料布置如圖3所示。

圖3 核電站燃料布置示意圖

核電站換料模式常見的有“全進全出”、“堆內(nèi)倒換”、“邊進邊出”3種模式，除此之外還有應急情況下，對破損燃料的應急更換，例如田灣一號機組在U1C5運行過程中，為應對反應堆內(nèi)出現(xiàn)燃料組件破損情況，提出對破損燃料進行更換，并適當調(diào)整其他燃料組件位置的緊急換料方案[8]。

換料過程最關注的便是換料的核安全性及換料的效率。為了對比不同換料方案的優(yōu)劣，除進行必要的理論計算之外，還需要進行換料的模擬操作。傳統(tǒng)的方式是利用卡片、縮比模型進行模擬演示，利用換料經(jīng)驗估算出每個操作環(huán)節(jié)的時間，從而大致推算出整個換料操作的時間。

而在混合現(xiàn)實的支持下，可以按照核島及反應堆實際工況進行一比一三維建模，模擬不同方案的反應堆換料操作，并且可以依據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)或者可能出現(xiàn)的意外情況，模擬意外工況的發(fā)生，并驗證應急方案是否能夠解決問題，模擬換料完成的時間即可認為是實際操作完成的時間。

同時在換料操作過程中，亦可以使用增強現(xiàn)實技術輔助操作，實現(xiàn)對燃料裝卸全過程把控，減少人因失誤，提高換料的安全性和效率。

3.6 存在的問題

應用MR增強現(xiàn)實設備輔助核電站換料大修還存在以下問題：1）設備三維建模工作量巨大，核電站設備眾多，廠區(qū)結(jié)構(gòu)復雜，MR技術應用需要進行大量設備的三維建模和現(xiàn)場環(huán)境的三維重建，在前期需要投入較大的人力物力；2）目前MR設備及技術發(fā)展不夠成熟，其中的關鍵功能——手勢指令、機器視覺識別等受限較大，在復雜環(huán)境下的準確率無法保證；3）MR設備的許多功能需要借助服務器完成，并且各個設備之間的數(shù)據(jù)交換也需要時刻保持無線連接。

4 結(jié)語

1）介紹了MR技術基本概念，描述了核電站換料大修的基本過程和目的要求，簡要介紹了MR技術目前在各行各業(yè)中的應用場景。

2）基于MR技術的特點，并且結(jié)合其在其他行業(yè)中的應用，梳理了在核電站大修換料流程中MR設備的使用場景，包含在大修預檢中的應用、在核島及常規(guī)島設備檢修中的應用、在反應堆換料中的應用，等等。對比說明了MR設備輔助大修換料的優(yōu)勢，包括但不限于提高換料大修效率、降低人員安全風險、方便現(xiàn)場進行人員設備的管理，等等。

3）說明了目前階段在核電換料大修中使用MR設備存在的難點。