核电站三维动态仿真系统_阎光伟

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1、第３６卷第１期Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１２０１２年１月１０日Ｊａｎ．１０，２０１２ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．０１．０２１核电站三维动态仿真系统阎光伟，王瑞华（华北电力大学控制与计算机工程学院，北京市１０２２０６）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统。系统采用三维建模技术构建核电站的主要厂房和设备，通过三维场景交互技术实现对核电站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拟。提出了基于参数关联的时序动画

2、生成方法，用以实现设备的虚拟拆装；利用纹理法实现了冷却系统中的水流效果；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０引言计场景驱动引擎，渲染场景并读取模型，完成用户与系统的各种交互操作。核电在全球能源战略中发挥着重要作用，然而由于其生产对象及生产过程的特殊性，核电站的安全问题一直备受关注。２０１１年日本福岛核电站因在地震中受损而出现的核泄漏事故再一次给人类敲响了警钟。实际上，核

3、电站的安全运行除了反应堆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］一。然而由于核电站多数关键设备存在放射性，待培训人员不可能进行实地学习，因此大多数的培图１系统框架Ｆｉｇ．１Ｓｙｓｔｅｍｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ训都通过仿真系统来实现。目前，各类核电站仿真培训系统大多通过二维图形与文本显示相结合的方式进行仿真数据的可视化［２－５］，无法逼真地展示核电２几何建模站的完整面貌。少数核电站三维仿真系统也只是实几何建模是通过几何的方式对物理或数学物体［６］现了简单的漫游或设备展示。的形状进

4、行描述。本文通过三维几何模型对核电站对此，本文以ＭｕｌｔｉｇｅｎＣｒｅａｔｏｒ和Ｖｅｇａ为开发的厂房及设备进行表示。平台，采用虚拟现实技术开发了核电站仿真系统。２．１核电站模型的创建系统主要实现了三维虚拟核电站的场景漫游，以及核电站由核岛、常规岛和辅助系统三大部分组［７］关键设备的虚拟拆装、冷却系统动画及堆芯工作原成，其中的实体部分是建筑物、系统和设备。本文理模拟。将核电站模型归纳为３类：厂房类、设备类及附属物类，其结构如图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，系统框架如图１所

5、示。首先建立核电站厂房、设备和周围环境的三维几何模型并对模型进行优化；然后生成虚拟拆装、冷却系统及堆芯工作原理模拟等动画；最后设图２核电站模型系统收稿日期：２０１１－０５－０４；修回日期：２０１１－０８－１６。Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｓｙｓｔｅｍｏｆｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ华北电力大学校内基金资助项目（２００６２２０２０）。—１０７—２０１２，３６（１）核电站厂房模型主要采用ＭｕｌｔｉｇｅｎＣｒｅａｔｏｒ软可以看出，格式转换对模型压缩效果显著，对于件制作。在Ｃｒｅａｔｏｒ中单独建立各个厂房模型，并复杂模型效果尤为明显。为墙

6、体、门窗等赋予材质和纹理，使其能够较好地表３动画生成现核电站真实场景。核电站某些设备模型结构比较复杂，且对细节３．１基于Ｖｅｇａ的虚拟现实系统开发流程展现要求较高。而Ｃｒｅａｔｏｒ建模工具对于创建结构作为高性能的虚拟现实开发平台，Ｖｅｇａ提供了较为复杂的设备细节效果并不理想，因此本系统引２种系统设计模式：一是使用Ｖｅｇａ的ＬｙｎＸ图形用入了３ｄｓＭａｘ作为辅助建模软件。一些较为精细户界面配置系统，该方法只适用于对交互性要求不的模型在３ｄｓＭａｘ中完成，保存为３ｄｓ格式，然后导高的简单小系统；二是运用Ｖｅｇａ提供的ＡＰＩ函数［９］

7、入Ｃｒｅａｔｏｒ，在Ｃｒｅａｔｏｒ下修正后以ｆｌｔ格式保存。进行程序开发。考虑到本系统模块较多且功能复杂，综合采用这２种模式进行开发。首先将优化后２．２核电站模型的优化的ｆｓｔ模型导入ＬｙｎＸ，通过图形界面对光照、观察本系统对核电站进行了较完整的建模，因核电者等进行配置，生成ＡＤＦ文件；然后在ＶＣ平台上站的模型较多，且设备模型结构复杂，模型文件较通过ＶｅｇａＡＰＩ函数调入ＡＤＦ文件，并进行各种交大，漫游时对帧速会产生很大影响，易导致漫游过程互和控制代码的编写，最终生成可运行的核电站三不流畅。为保证场景仿真系统在漫游过程中能够保维

8、动态仿真系统。开发流程如图３所示。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。１）实例化技术。一个实例是指模型数据库中某个对象的一个参考副本，仅仅是一个指向模型数据库中模型对象的指针，其并没有复制模型对象