虚拟现实技术在热室遥控维护中的应用研究

陈盛贵，李荣泳，陈海彬，何伟锋，孙振忠

(东莞理工学院机械工程学院，广东东莞 523808)

1 热室

进行高放射性试验和操作的屏蔽室俗称热室，它广泛应用于辐射防护领域［1］。该领域有多数核心部件长期运行于高辐射区域，需要考虑辐照损伤对其寿命的影响，因此在设计中考虑了常规的维护和更换［2］。由于部件材料在高辐射区域受到辐射后会引起感生放射性，对于那些被活化或表面污染部件的维护操作:组装、拆卸、分解、运输动作都是在热室中使用主从机械手或伺服机械手以及各种工装夹具透过铅玻璃屏蔽窥视窗进行的，而非人员直接操作完成，避免了辐射对维护人员的危害［3］。

由于热室环境的特殊性，遥控维护发挥了非常重要的作用。目前，国内外辐射防护研究及相关人员培训时大多需要接触真实的环境，或者进行Mock-up(即建造1∶1实物模型)培训，在防护设施和手段大多不是很完备的情况下，这无疑增加了被辐射的风险和培训平台建设的资金投入［4-5］。为了保证热室遥控维护的可行性和安全性，保护维护人员的辐射防护安全，针对热室装备在装配中存在的问题开展虚拟现实技术研究，建立高度逼真的虚拟维修培训系统，形成优化的遥控维护工艺方案和操作规程。

2 虚拟现实

虚拟现实技术(virtual reality)是指采用现代化的计算机信息技术生成逼真的视、听、触觉等多重感应的虚拟环境，用户借助必要的设备与虚拟世界中的物体进行交互作用，从而产生如临其境般的感受和体验［6］。虚拟现实系统由计算机、输入输出设备、应用软件系统和数据库组成，系统的组成如图1所示。国内外一些机构已将虚拟现实技术成功应用到辐射防护领域，如进行维护人员的虚拟维修培训、ALARA设计分析、辐射场/剂量的分布计算与显示等［7］。

图1 虚拟现实系统的组成

在虚拟环境中进行维护具有安全性和可重复性，利用虚拟现实系统对辐射环境下的热室遥控维护或从事其他高危险高成本工作的维护人员进行培训，不但可以优化操作过程、节省大量经费，还能够以生动形象的视觉、听觉和触觉感受给予维护人员真实的操作体验。在维护人员进行错误操作的时候能够及时在输出系统上给出警示信息和更正建议，甚至可以刻意模拟能够引发事故的操作，并给出事故后果，使被培训的维护人员对各种操作的危害有更加深刻的认识。

3 应用研究

辐射防护领域的虚拟现实系统有其自身的特点。对于场景、人物和动作的建模，现在已有很多专用或通用的建模工具软件可以使用，如3D MAX与EON Studio，VRML与JAVA，Cult3D等。针对不同的应用目的，选择其中某些软件即可进行系统开发。

3.1 虚拟现实软件

虚拟维修是虚拟现实技术在维护领域的应用，是虚拟现实技术的发展分支。它以计算机技术与虚拟现实技术为依托，在由计算机生成的、包含了产品数字样机与维护人员3D人体模型的虚拟场景中，通过驱动人体模型来完成整个维修过程仿真的综合性应用技术［8］。

EON Studio是美国EON Reality Inc公司研制开发的专业虚拟现实软件。这种软件具有可视化的编程界面，它将VRML语言集成为一些可视的功能节点(node)，用户只需选择并拖动节点到模拟树(simulation tree)上即可实现对场景的相应动作，省去编写VRML源代码的麻烦，EON Studio支持Java Script和VB Script两种脚本语言，具有很好的二次开发潜力。

3.2 三维建模

三维建模是虚拟维修的基础，建模的好坏直接关系到交互性和沉浸感的实现。很多三维CAD软件如Solid-Works，Pro/Engineer，UG等都可以用来建立零部件的实体模型。建模过程中应在保证模型外形特征的前提下，尽可能地减少特征面的数量，删减模型表面的三角形网格，以提高虚拟环境中图形的显示速度。主从机械手的实体模型如图2所示。

图2 主从机械手三维实体模型

3.3 虚拟维修场景

虚拟维修场景由维修环境(热室)、维修对象(有放射性的装备)和维修工具(机械手等)组成，用户通过交互接口操纵维修工具对场景中的维修对象进行操作，完成维修过程的仿真。要生成虚拟维修场景有2种实现方法:一种是将模型直接导入EON Studio，该方法的缺点是导入之后模型的失真严重，重新调整模型的工作量大;另外一种方法是使用EON Studio为3dmax提供的输出插件EONRaptor For 3dmax.dle，在3dmax中将模型导出为EON Studio的文件格式*.eoz，这种方法生成的虚拟维修场景真实感强，场景文件的容量小。图3是在EON Studio中生成的机械手虚拟维修场景，维修场景生成后还需要调整场景的仿真树结构，将场景中的零部件对象分门别类，根据热室装备的结构关系，按照零件一部件—装配体的顺序组织成有层次的树状结构。热室遥控维护的虚拟维修场景如图4所示。

4 总结

采用虚拟现实技术建立热室遥控维护的虚拟维修培训系统，可以有效地减少实际维护中出现的问题，提高维护效果。基于虚拟现实软件对热室遥控维护过程中的三维建模、虚拟维修场景生成等关键技术进行了研究，为热室遥控维护的虚拟维修培训系统提供了技术支持。

虚拟现实技术在辐射防护领域有其应用的优势与前景，在热室遥控维护等工程的检修与维护工作中，虚拟现实技术对工程中的辐射防护最优化设计和维护人员培训都是适合的。利用虚拟现实技术，不仅可以优化热室遥控维护的操作过程，节省大量经费，提高维护效果，而且可以用于维护人员操作前的培训，有效地降低维护人员在实际操作中被辐射的风险。

［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，Felipe 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，Felipe 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］胡小强.虚拟现实技术［M］.北京:北京邮电大学出版社，2005.

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

［8］杨宇航，李志忠，郑力.虚拟维修研究综述［J］.系统仿真学报，2005，17(9):2191-2195.