核电站三维动态仿真系统_阎光伟

第３ ６ 卷 第 １ 期 ２ ０ １ ２年１月１ ０日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． １ Ｊ ａ ｎ ． １ ０， ２ ０ １ ２
： ／ ＤＯ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ １ ０ ２ ６． ２ ０ １ ２． ０ １． ０ ２ １ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ０ － ｊ
核电站三维动态仿真系统
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（ ） ２ ０ １ ２， ３ ６ １
ｕ ｌ ｔ ｉ ｅ ｎ Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ软 核电站厂房模型主要采用 Ｍ ｇ 件制作 。 在 Ｃ 并 ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ中 单 独 建 立 各 个 厂 房 模 型， 门窗等赋予材质和纹理 ， 使其能够较好地表 为墙体 、 现核电站真实场景 。 核电 站 某 些 设 备 模 型 结 构 比 较 复 杂 ， 且对细节 建 模 工 具 对 于 创 建结构 展现要求较高 。 而 Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ 较为复杂的设备细 节 效 果 并 不 理 想 ， 因此本系统引 入了 ３ ｄ ｓ Ｍ ａ ｘ 作 为 辅 助 建 模 软 件。 一 些 较 为 精 细 的模型在 ３ 保存为 ３ 然后导 ｄ ｓ Ｍ ａ ｘ 中完成 ， ｄ ｓ格式 ， ， 在Ｃ 入Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ下修正后以ｆ ｌ ｔ格式保存 。 ２． ２ 核电站模型的优化 本系 统 对 核 电 站 进 行 了 较 完 整 的 建 模 ， 因核电 ， ， 站的模型较 多 且 设 备 模 型 结 构 复 杂 模 型 文 件 较 漫游时对帧速会产生很大影响 ， 易导致漫游过程 大， 不流畅 。 为保证场景仿真系统在漫游过程中能够保 持实时性 ， 必须对模型进行优化 ， 以减少场景的总面 片数和纹理像素数 。 本文主要采用以下 ３ 种方法进 行模型优化 。 ） 实例化技术 。 一个实例是指模型数据库中某 １ 仅仅是一个指向模型数据 个对象的一个参考 副 本 ， 库中模型对象的指 针 ， 其并没有复制模型对象的几 ８］ 。 核电站 设 备 中 有 很 多 重 复 部 件 ， 可以将 何实体 ［ ） ， 此类部件模型设置为实例化节点 （ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ 其他重 旋转 、 缩放来实 复模型通过将此实例节点进行平移 、 现 。 在程序运行过 程 中 ， 重复的实例化模型中仅有 一份被导入内 存 。 实 例 化 技 术 大 大 减 少 了 数 据 量 ， 从而节省了计算机的运行开销 。 ） 简化纹 理 技 术 。 在 仿 真 系 统 中 ， 为提高虚拟 ２ 场景的真实感 ， 为 模 型 赋 予 了 较 多 的 纹 理。 在 不 影 响视觉效果的前提 下 ， 系统使用小尺寸的纹理图片 代替大尺寸纹理图片 ， 例如用 １ ６×１ ６ 像素的图片代 替１ ２ ８×１ ２ ８ 像 素 的 图 片。通 过 此 技 术 也 可 以 减 少 模型的数据量 。 ） （ 将模型转换成高效率的ｆ 格式 。 ３ ｓ ｔ Ｆ ａ ｓ ｔ文件 ） ， 通过 Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ构 建 的 模 型 文 件 为ｆ ｌ ｔ格 式 Ｖ ｅ ａ提 ｇ 供了 一 种 将 ｆ ｌ ｔ模 型 文 件 转 换 为 ｆ ｓ ｔ格 式 的 工 具。 Ｖ ｅ ａ 的ｆ ｓ ｔ文 件 格 式 可 以 保 证 模 型 文 件 在 不 失 真 ｇ 的情况下被大幅度 压 缩 ， 从而加快了模型文件的加 载速度 ， 提高了 程 序 运 行 效 率 。 部 分 模 型 转 换 前 后 的大小及压缩比如表 １ 所示 。
；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ ０ ４ ２ ０ １ １ ０ ８ １ ６ － － － － ） 。 华北电力大学校内基金资助项目 （ ２ ０ ０ ６ ２ ２ ０ ２ ０
图 ２ 核电站模型系统 Ｆ ｉ ． ２ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ａ ｎ ｔ ｇ ｙ ｐ ｐ
表 １ 模型压缩 Ｔ ａ ｂ ． １ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｐ
模型名称 反应堆模型 燃料束模型 控制棒驱动模型 热屏蔽模型 ／ ｆ ｌ ｔ Ｋ Ｂ ２ ４ ３ ７ ９ １ ８ ５ １ ８ ４ ６ ８ ８ ／ ｆ ｓ ｔ Ｋ Ｂ ５ ３ ０ １ ５ ７ ７ ２ ２ ８ １ １ 压缩比 ４ ． ６ ０∶１ ３ ． ２ １∶１ ２ ． ９ ５∶１ ８ ． ０ ０∶１
表 ２ 动画参数 ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｔ ａ ｂ ． ２ Ａ ｎ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ
参数 Ｎ ｏ Ｎ ａ ｍ ｅ Ｆ ｓ ｔ Ｎ ａ ｍ ｅ 含义 部件拆装顺序 需拆装部件的 Ｄ Ｏ Ｆ 节点名称 指向细节模型文件 细节模型的缩放比例值 视点位置
Ｓ Ｘ， Ｙ， Ｚ
细节模型的展示方式 （ 静止 ； 水平旋转 ； 垂直旋转 ） Ｍ ０： １： ２： 水平旋转速度 ； 垂直旋转速度 ） Ｖｘ ， Ｖｙ 细节模型运动速度 （ Ｖｘ ： Ｖｙ ：
０ 引言
核电 在 全 球 能 源 战 略 中 发 挥 着 重 要 作 用 ， 然而 核电站的安 由于其生产对象及 生 产 过 程 的 特 殊 性 ， 全问题一 直 备 受 关 注 。２ 年 日 本 福 岛 核电站因 ０ １ １ 在地震中受损而出现的核泄漏事故再一次给人类敲 核电站的安全运行除了反应堆 响了警钟 。 实际上 ， 设计时引入的固有 安 全 性 外 ， 操作人员的技术水平 和熟 练 程 度 也 是 保 证 核 电 站 安 全 的 重 要 因 素 之 １］ 。 然而由于核 电 站 多 数 关 键 设 备 存 在 放 射 性 ， 一［ 待培训人员不可能 进 行 实 地 学 习 ， 因此大多数的培 各类核电站仿真 训都通过仿真系 统 来 实 现 。 目 前 ， 培训系统大多通过二维图形与文本显示相结合的方 ］ ２ ５ － ， 式进行仿真数据的可视化 ［ 无法逼真地展示核电 站的完整面貌 。 少数核电站三维仿真系统也只是实 ６］ 。 现了简单的漫游或设备展示 ［ 对此 ， 本文以 Ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｅ ｎ Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ和 Ｖ ｅ ａ 为开发 ｇ ｇ 平台 ， 采用 虚 拟 现 实 技 术 开 发 了 核 电 站 仿 真 系 统 。 系统主要实现了三 维 虚 拟 核 电 站 的 场 景 漫 游 ， 以及 、 关键设备的虚拟拆 装 冷 却 系 统 动 画 及 堆 芯 工 作 原 理模拟 。
Ｔ Ｅ
自动拆装展示中的拆装间隔时间 标识拆装是否完成 （ 结束 ； 未结束 ） ０： １：
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· 工程应用 · 阎光伟 ， 等 核电站三维动态仿真系统
在Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ中将拆装设备部件及细节模 步骤 ２： 型设置为可控节点 ＤＯ 并设置表 ２ 中的 Ｎ Ｆ， ａ ｍ ｅ及 Ｆ ｓ ｔ Ｎ ａ ｍ ｅ参数 。 步骤 ３： 设 置 拆 装 步 骤 初 值： ｎ＝１。 连 接 数 据 库， 打开动画参数表 。 步骤 ４： 若为自动拆装 ， 执行步骤 ５， 否则执行步 骤 ６。 步骤 ５： 等待 Ｔ 时间 ， 读取 Ｎ ｏ值 为ｎ 的 一 条 动 若 Ｅ＝０， 则 画参数表记录 ， ｎ＝ ｎ＋１。 判 断 Ｅ 的 值 ， 结束 ， 否则执行步骤 ７。 步骤 ６： 等待用户键盘／鼠标输入 ， 读取 Ｎ ｏ 值为 ｎ 的一条动画参数表 记 录 ， ｎ＝ｎ＋１。 判 断 Ｅ 的 值 ， 若 Ｅ＝１， 则结束 ， 否则执行步骤 ７。 步骤 ７： 依据读取的数据 库 记 录 ， 得到各字段所 对应 的 动 画 参 数 。 在 三 维 场 景 树 中 查 找 名 称 为 进行高亮置红显示 。 Ｎ ａ ｍ ｅ字段值的节点 ， 步骤 ８： 若Ｆ 执 行 步 骤 ４； 否 ｓ ｔ Ｎ ａ ｍ ｅ字 段 为 空， 则按 Ｆ ｓ ｔ Ｎ ａ ｍ ｅ的值 向 三 维 场 景 中 调 入 细 节 设 备 模 型。根 据 Ｓ 的 值 对 细 节 设 备 模 型 进 行 缩 放 以 获 得 最佳展 示 尺 寸 ， 并 按 Ｍ 及 Ｖｘ／ Ｖｙ 的 值 进 行 静 止 或 水平／垂直的匀速旋 转 展 示 ， 并 根 据 Ｘ， Ｙ， Ｚ 的值将 视点移动至拆装最佳展示位置 。 步骤 ９： 返回步骤 ４ 继续执行 。 拆装效果图见附录 Ａ 图 Ａ １。 采用参数关联的时序动画生成方法实现设备的 虚拟拆装具有配 置 简 便 、 可 扩 展 性 强 的 特 点。由 于 设备的拆 装 时 序 等 参 数 保 存 于 相 对 独 立 的 数 据 库 中， 可根据需要对拆装过程进行控制 ， 增强了系统的 灵活性和可控性 。 ３． ３ 反应堆冷却系统动画 反应堆冷却系统由反应堆冷却剂泵 、 反应堆 、 蒸 汽发生器 及 其 相 应 的 管 道 组 成 。 在 正 常 功 率 运 行 时， 反应堆冷却剂泵使冷却剂强迫循环通过堆芯 ， 带 走燃料组件产生的热量 。 此模块采用纹理法模拟了冷却系统管道中的水 流效果 。 实现的主 要 步 骤 为 ： ①为管道内部设置包 含重叠面片的组节 点 ； ②重叠面赋予稍有差别的水 流纹理 ； ③ 将此 组 节 点 的 属 性 设 为 循 环 播 放 。 经 以 上设置 ， 能展现出水流在管道内的流动效果 ， 效果见 。 附录 Ａ 图 Ａ ２ 采用 纹 理 法 实 现 的 水 流 效 果 明 显 ， 且能展示出 水流的方向性 ， 适用 于 水 流 路 径 固 定 且 水 流 稳 定 的 场景 。 ３． ４ 堆芯控制模拟 控制 棒 驱 动 机 构 是 反 应 堆 的 重 要 动 作 部 件 ， 通 过它的动作带动控 制 棒 组 件 在 堆 芯 内 上 下 移 动 ， 以
阎光伟 ，王瑞华
（ ） 华北电力大学控制与计算机工程学院 ，北京市 １ ０ ２ ２ ０ ６
摘要 ：为提高核电站仿真培训系统的真 实 感 ， 设计了基于虚拟现实技术的核电站三维动态仿真系 通过三维场景交互技术实现对核电站 统 。 系统采用三维建模技术构建核电站的主要厂房和设备 ， 虚拟场景的自主和固定路径漫游 ， 采用三维动画技术对设备拆装 、 冷却系统和堆芯工作原理进行模 用以实现设备的虚拟拆装 ； 利用纹理法实现了冷却 拟 。 提出了基于参数关联的时序动画生成方法 ， 系统中的水流效果 ； 提出了模型叠加法 ， 用以表现反应堆 内 部 的 反 应 速 率 。 利 用 该 系 统 ， 受培训人 ， 。 员能够在核电站虚拟场景中直观了解核电站的构造和工作原理 从而增强了培训的效果 关键词 ：核电站 ；虚拟现实 ；仿真系统 ；三维动画 ；漫游
图 ３ 系统开发流程 Ｆ ｉ ． ３ Ｆ ｌ ｏ ｗ ｃ ｈ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｇ ｙ ｐ
３． ２ 核电站设备虚拟拆装 虚拟拆装是实际拆装过程在虚拟环境中的映 射， 即通过操作虚拟 环 境 中 的 三 维 设 备 来 模 拟 拆 装 操作的全过程 。 实际核电站的设备结构复杂且大多 对设备进行虚拟拆装可以使学 具有一定的放射性 ， 员安全 、 直观地了解核电站设备的组成 ， 具有较高的 现实意义 。 本文提出了基于参数关联的时序动画生 成方法来展示虚拟 拆 装 ， 分为自动拆装及手动拆装 。 种方式 该方法通过关联动 画参数、 三 维 模 型、 三 ２ 维场景树 ， 实现 可 配 置 的 时 序 动 画 。 该 方 法 的 主 要 步骤如下 。 步骤 １： 首先 将 设 备 各 部 件 拆 装 所 需 的 信 息 作 为动画参数存入数据库中 ， 主要参数如表 ２ 所示 。
１ 系统框架
核电 站 三 维 动 态 仿 真 系 统 由 几 何 建 模 、 动画生 成和场景 漫 游 及 交 互 ３ 个 部 分 构 成 ， 系统框架如 设备和周围环境 图 １所示 。 首先 建 立 核 电 站 厂 房 、 的三维几何模型并 对 模 型 进பைடு நூலகம்行 优 化 ； 然后生成虚拟 、 拆装 冷却系统及堆芯工作原理模拟等动画 ； 最后设
格式转换对模型压缩效果显著 ， 对于 可以看出 ， 复杂模型效果尤为明显 。
３ 动画生成
３． １ 基于 Ｖ ｅ ａ 的虚拟现实系统开发流程 ｇ 作为高性能的虚拟现实开发平台 ， Ｖ ｅ ａ 提 供了 ｇ 一是使用 Ｖ ２ 种系统设计模式 ： ｅ ａ的 Ｌ ｎ Ｘ 图形用 ｇ ｙ 户界面配置系统 ， 该方法只适用于对交互性要求不 高的简单小系统 ； 二是运用 Ｖ ｅ ａ提 供 的 Ａ Ｐ Ｉ函 数 ｇ ９］ 。 考虑到本系统模块较多且功能复 进行程序开发 ［ 杂， 综合采用这 ２ 种 模 式 进 行 开 发 。 首 先 将 优 化 后 的ｆ 通 过 图 形 界 面 对 光 照、 观察 ｓ ｔ模型导 入 Ｌ ｎ Ｘ， ｙ ， ； 者等进 行 配 置 生 成 Ａ Ｄ Ｆ 文件 然后在 Ｖ Ｃ 平台上 并进行各种交 通过 Ｖ ｅ ａ Ａ Ｐ Ｉ函数调入 Ａ Ｄ Ｆ 文件 ， ｇ 互和控制代码的编 写 ， 最终生成可运行的核电站三 维动态仿真系统 。 开发流程如图 ３ 所示 。
渲染场景并读取模型 ， 完成用户与 计场景驱动引擎 ， 系统的各种交互操作 。
图 １ 系统框架 Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｙ ｇ
２ 几何建模
几何建模是通过几何的方式对物理或数学物体 的形状进行描述 。 本文通过三维几何模型对核电站 的厂房及设备进行表示 。 ２． １ 核电站模型的创建 核电 站 由 核 岛 、 常规岛和辅助系统三大部分组 ７］ 。 本文 其中的实体部分是建筑物 、 系统和设备 ［ 成， 将核电站模型归纳为 ３ 类 ： 厂房类 、 设备类及附属物 其结构如图 ２ 所示 。 类，