增强现实技术在核电模拟机运维中的应用研究

严 敏，岳志录

(国核自仪系统工程有限公司，上海 200241)

0 引言

核电厂(nuclear power plant,NPP)全范围模拟机(full scope simulator，FSS)项目，是新建核电厂用于开展操纵员培训与执照考试必不可少的项目[1-2]，具有开发周期长、涉及专业多、文件资料庞杂、数据迭代更新、偏差项琐碎繁多等特点。核电厂全范围模拟机融合了反应堆工程、热能动力、电气、仪控、计算机、数字计算等诸多领域的高新技术[3]。模拟机研制完成并投入培训运行后，运行和维护环节大部分采用纸质和人工记录方式完成，包括工作单和偏差项管理、备品备件的管理等，记录单多、查询工作量大、效率低、流程可追溯性差。针对核电厂全范围模拟机运行和维护特点，需要开发一套核电模拟机运维支持系统。系统需具备以下功能：自动识别核电厂全范围模拟机运维环境；实现仿真主控室、教练员室、远距离停堆室等区域的各个工作站以及服务器运行状态的数据可视化；通过自助运维以及远程专家协助，及时解决运维人员在现场发现的问题；对运行状态数据、运维人员运维时长数据等进行后台统一存储，实现运维全过程的数字化管理，运维过程可追溯；对历史的运维数据进行分析，改进运维方法，提高运维效率，实现降低运维成本。

1 增强现实技术

增强现实(augmented reality，AR)技术是在虚拟现实技术上发展起来的新兴技术[4-5]，涉及仿真技术、计算机图形技术、图像处理技术、交互技术及传感器技术等。AR 技术是通过将计算机生成的虚拟物体或信息和真实环境实时叠加在一起，给用户呈现一个感官效果真实、场景信息丰富的情境。

增强现实技术具有三大特性[6]。

①虚实融合显示，使虚拟模型和真实世界中的物体共存于用户的视线中。

②人机实时交互，用户可以与视线中的真实物体和虚拟物体进行实时交互。

③三维尺度上的匹配，利用自动跟踪技术将虚拟模型和真实物体精确地对准，解决虚实匹配的问题。

增强现实技术已在国外医学、遥操作、制造与维修、可视化与教育培训等领域成功应用[7]。在核电领域，国外已将增强现实技术应用于核电站退役部件的拆解、运送和安置[8]，核电室内环境的维护[9]，核事故中反射性扩散时人员的疏散撤离等领域[10]。

2 基于AR技术的核电模拟机运维架构设计

核电全范围模拟机维护是一项以技术为基础的系统性工作，工作内容繁杂，涉及专业广，工作流程严谨。维护工作主要包括模拟机日常维护、备件工具管理、设备更换、软件、系统升级及修改等。AR技术包括虚拟信息的建立和渲染、真实世界中的跟踪和定位、虚拟信息在真实场景中的注册、显示输出和实时的人机交互。

核电模拟机当前运维多以人工现场巡检为主，并以手工纸质记录，存在数据关联性差、标准化工作站或服务器等设备的识别需要根据图纸或编码确认的问题。对于时间较长的运维过程，技术人员容易产生疲劳，影响记录和判断的正确性，产生人因错误，并且无法实现在线的专家诊断和协助。专家仅能够根据记录的问题或故障进行判断，记录和发现问题的详细程度完全取决于运维人员的专业能力和综合素质。这不利于专家进一步分析故障原因和后期的经验反馈，会导致运维成本较高、效率低。

针对以上存在的问题，基于AR技术的模拟机运维支持系统的目标是提高模拟机的管理和运行维护效率。对模拟机投入运行后的运维进行程序化、流程化处理，基于后台数据库，保存运行各阶段工作单、调试差异报告(discrepancy report,DR)以及操作人员记录，实现运行维护电子化记录、易查询和追溯。基于AR技术的核电模拟机运维支持系统结构如图1所示。

图1 基于AR技术的核电模拟机运维支持系统结构图

系统结构包括用户配置管理模块、巡检模块、运维模块以及培训模块。系统功能包括：巡检、运维过程的数据管理；巡检作业的智能化指导；3D可视化信息数据的全方位识别展示；设备维护全过程的数据跟踪与记录；远程专家实时协助检修。该系统能够有效解决传统运维效率不高、巡检容易遗漏、运维人力成本高等现实问题。

首先，建立核电全范围模拟机仿真环境和硬件设备的3D模型。本文采用3D建模技术[11-12]，完成全范围模拟机环境和设备模型的搭建，包括仿真主控室、教练员室、远距离停堆室、应急指挥中心、蓄电池室、配电室以及计算机房及其硬件设备、网络设备和I/O系统设备等；完成AR互动界面设计。其次，完成数据通信和建立数据库，将全范围模拟机仿真环境和硬件设备的3D模型数据参数信息与后台数据库关联，实现实时数据显示，并将运维数据信息通过AR终端设备得以虚拟复现和记录存储。运维数据管理由无线传输模块、数据管理与控制模块以及辅助决策模块三部分组成。无线传输模块用于接收远端数据并将处理后的实时数据或信息传回AR智能终端。数据管理与控制模块在接收远端数据后，对其进行处理。当数据为操作指令信息时，模块通过模拟机实时数据网传递并执行操控命令。辅助决策模块对实时数据的当前状态进行判断，为模拟机运维人员提供技术支持与操作指导。全范围模拟机的每一个区域或设备唯一匹配一个图形标记卡。标记卡被置于现场运维识别所对应的实际位置。模拟机运维巡检人员佩戴AR便携式智能穿戴设备进行日常巡检或处理报警和故障情况。当视线范围内存在标记卡时，AR设备自动捕获所有标记信息，并将其传输给识别系统。识别系统将图形信息转换为数值信息，再由移动端无线传输系统将其传输到服务器。服务器对数据进行处理后，通过模拟机实时数据网读取相关数据，并由服务器端无线传输系统将其传回AR终端设备处理系统。由AR设备将数据以图形的方式渲染，以增强现实的形式展示在标记卡位置的上方，将虚拟对象与真实环境融为一体并显示来，从而为现场运维人员提供一个效果真实的运维环境。现场运维人员在浏览虚拟化信息的同时，可以通过手势或动作与系统之间进行一定的交互操作。

基于AR技术的模拟机运维支持系统的设计，包括用户配置管理、巡检、运维、培训等功能模块。

用户配置管理模块包含用户和角色管理、模拟机工单管理以及日常运维计划管理。用户和角色管理是指客户端输入运维人员信息，并同步到 AR便携式智能穿戴设备，使运维人员可以查看姓名、员工编号等身份认证信息。模拟机工单管理指用户可以使用 AR 便携式智能穿戴设备直接查看当前任务清单、巡检工作内容等。

(1)巡检模块的功能包括查看模拟机总体概貌、巡检定位和运维指引、运维流程管理、模拟机仿真控制室设备3D可视化信息展示、报警管理以及巡检和运维记录等。

①查看模拟机总体概貌：运维人员可以实时查看核电厂全范围模拟机总体运行情况。比如：仿真主控室、教练员室、远距离停堆室、应急指挥中心、蓄电池配电室；模拟机机房的温度、湿度；所有设备的运行情况等。

②巡检定位和运维指引：基于 AR 便携式智能穿戴设备的空间扫描和空间定位，能够实时计算运维人员在全范围模拟机对应区域中的位置，并映射到3D的全范围模拟机仿真环境地图中，以实现实时定位。

③运维流程管理：AR 便携式智能穿戴设备显示对应该区域巡检任务的巡检任务列表。通过识别巡检任务中待巡检的设备，将虚拟任务信息叠加在真实设备上，从而帮助运维人员快速进行巡检。

④3D可视化信息展示：AR 运维支持系统将模拟机仿真控制室设备3D 可视化信息依次、有序地叠加在真实设备上，包括指示灯状态、数字仪表盘数字、开关状态、设备位置、运行状态、模拟机仿真控制室环境数据等。

⑤报警管理：后台服务器对传感器状态进行实时监测，如果发现设备异常，将设备报警推送到AR设备中。运维人员可以看到报警提示叠加在异常设备正前方，并能以虚拟点击方式查看详细故障信息。

⑥巡检和运维过程记录：巡检和运维过程中，AR 设备实时录制巡检过程的视频，并传输给后台服务器；同时，管理人员能够使用控制台程序直接查看实时视频。巡检工作完成后，AR 巡检模块自动生成巡检报表，包括仿真主控室、教练员室、远距离停堆室、计算机房、配电室、蓄电池室、维护工程师室等的温度、湿度、UPS主机电压、排风、是否报警等信息表单。

(2)运维模块的功能主要包括运维导航、运维流程管理、远程专家协助。该模块能够将运行状态数据、运维人员运维时长数据等保存至后台统一管理，实现运维全过程的数字化管理、运维过程可追溯，以及对历史的运维数据进行分析，从而提高运维效率、降低运维成本。

①运维导航：运维人员收到运维工单后，确认并开始运维工作。AR智能穿戴设备通过可见化显示，引导运维人员到达相应区域。

②运维流程管理：运维人员根据运维导航箭头提示迅速到达异常设备处，通过AR智能穿戴设备进行扫描识别，可调取设备的故障维护操作步骤，查看设备相关的文档和说明书。当遇到问题时，可以迅速调取运维数据库的数据进行对比分析，同时能够参考存储在历史服务器中的故障维护视频，准确圈定故障点，实现运维自助。

③远程专家协助：在运维过程中，如需专家远程协助，运维人员可以向专家发起视频会话请求，将所看到的图像实时传送给专家以进行分析处理；同时，可以进行语音交流，以便专家协同解决运维中的难题。

(3)培训模块的功能主要包括现场指导培训、实际操作练习和远程专家指导。

①现场指导培训：适用于初期的运维人员。这些人员对核电全范围模拟机包括的区域和设备熟悉程度较低，可通过现场指导培训模式进行各个运维步骤和交互模块的培训。

②实际操作练习：运维人员根据运维需要，对运维过程、工单流程或报警处理等进行现场操作练习培训，增加经验反馈和体验效果，以自助运维为辅助方式。

③远程专家指导培训：用于指导运维人员在使用远程专家指导功能时的音视频交互方法。

3 结束语

增强现实技术是当前的前沿科技技术之一，通过将计算机产生的三维景象叠加到真实世界背景中，创建一种融合真实的虚拟场景，以增强用户对真实环境的感知和认识。该技术已经逐渐应用到医疗、教育以及电力运维等各个领域，将AR技术应用至核电厂全范围模拟机运行维护具有非常大的现实意义。基于核电模拟机仿真主控制室、教练员室、远距离停堆室、技术支持中心、计算机房等区域的盘台、大屏幕、工作站以及显示器等设备的3D模型，模拟机运维人员通过佩戴增强现实外设工具，可直观和真实地看到设备模型上显现的动态化数据和运行状态，实现运维全过程的数字化管理。该研究是人工智能技术应用于核电模拟机运维领域的一次技术改进创新探索，具有十分广阔的应用前景。