摘 要：法國CEA（法國原子能委員會）退役事業(yè)部開展了一項(xiàng)RD研究開發(fā)項(xiàng)目，專門為退役項(xiàng)目提供先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)手段。為此，建立了帶有沉浸感、力感及聲效功能的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。多種虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件的集成和應(yīng)用，使用戶與由計(jì)算機(jī)仿真的虛擬場景進(jìn)行交互式的人-機(jī)操作。該文簡要介紹該實(shí)驗(yàn)室的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺構(gòu)成，以及借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化APM—馬庫爾乏燃料后處理中試廠414熱室的退役操作方案。希望對我國核設(shè)施退役及廢物管理發(fā)揮參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 退役方案 優(yōu)化和驗(yàn)證

中圖分類號：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

對核設(shè)施的拆除和清理污染場址是世界各核設(shè)施運(yùn)營單位面臨的最大難題。應(yīng)對這一全球性的挑戰(zhàn)，各國退役工作者既要制定安全、可靠的退役計(jì)劃，又必須兼顧提高效率、降低費(fèi)用等問題。退役計(jì)劃是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要對各環(huán)節(jié)、技術(shù)方案的個體、整體及相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行反復(fù)對比和推敲，既要利用現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)手段，又要創(chuàng)新以達(dá)到最優(yōu)化的退役過程的最優(yōu)化和確保萬無一失。近年來，國外發(fā)達(dá)國家核燃料循環(huán)應(yīng)用研發(fā)中心（如法國CEA、德國Karlsruhe、美國Hanford、英國BNFL等）不斷開展了大量的先進(jìn)退役應(yīng)用研究工作，無論是從退役方案的性能指標(biāo)，還是從項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性角度，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行退役方案可行性的驗(yàn)證和優(yōu)化已經(jīng)成為解決復(fù)雜退役難點(diǎn)和退役難題不可或缺的重要手段。法國退役的同行介紹，在各種退役項(xiàng)目中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可并且被大量的運(yùn)用。對于核設(shè)施的退役項(xiàng)目，常規(guī)的做法是在二維圖紙基礎(chǔ)上進(jìn)行退役方案設(shè)計(jì)，但針對某些較復(fù)雜的退役項(xiàng)目，采用繪制三維模型在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。但是，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決復(fù)雜的退役項(xiàng)目和退役難點(diǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)方案，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國目前退役中的使用依然處于較為落后的狀態(tài)。該文將就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在退役應(yīng)用中的優(yōu)勢進(jìn)行淺顯的論述，重點(diǎn)介紹了法國馬庫爾APM軍用生產(chǎn)堆乏燃料后處理中試廠退役項(xiàng)目中的一個高放熱室的退役，借用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化退役操作方案和優(yōu)化退役機(jī)具方案。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑

CEA（法國原子能委員會）目前正在開展借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對其馬庫爾核燃料循環(huán)研究中心內(nèi)后段的一些退役項(xiàng)目的拆除、清理以及整治改造等活動的操作方案驗(yàn)證和優(yōu)化，目前開展采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的退役項(xiàng)目有UP1生產(chǎn)堆后處理廠、APM中試廠和PHENIX快堆。CEA于2008年底在馬庫爾創(chuàng)建了沉浸感虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱沉浸感實(shí)驗(yàn)室），下屬于LSTD實(shí)驗(yàn)室。通過情景模擬，目的是對退役操作方案和整治的可行性、可達(dá)性進(jìn)行驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)室將為十余個退役項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)上的技術(shù)支持。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的建模技術(shù)

建模是對現(xiàn)實(shí)對象或環(huán)境的逼近真實(shí)的仿真模擬。一般情況下，對象具有靜態(tài)特征，包括位置、方向、材料和屬性等特征，還具有運(yùn)動特征，它反映對象的運(yùn)動、行為、約束條件（如碰撞檢測與響應(yīng)）以及力的作用等。虛擬對象的建模意味著對象的靜態(tài)特征和運(yùn)動特征各個方面的建模，也就是對形狀、外觀、運(yùn)動學(xué)約束、智能行為和物理特性等方面的建模。通過建模，既可以方便表達(dá)出復(fù)雜的、難以理解的運(yùn)動學(xué)約束特征，又能夠“試驗(yàn)”更多不同的退役方案，此外還可用于培訓(xùn)操作人員。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

退役過程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由搭建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和建模過程構(gòu)成。待退役設(shè)施的廠房建筑物的三維模型通過激光掃描或照相合成技術(shù)并輔以半自動的擬合軟件獲得，而退役機(jī)具的設(shè)備模型由三維造型軟件設(shè)計(jì)得到。劑量率的三維空間分布由專用的放射性仿真軟件計(jì)算得到。將設(shè)施的三維模型和退役機(jī)具的三維模型在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺上相融合，然后對其進(jìn)行建模，一方面使對象具有基本的物理特性，另一方面使其遵循特定規(guī)律的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)。在完成了上述幾何建模、對象虛擬、物理建模和行為建模后，即創(chuàng)建出了退役方案可能的場景，然后通過虛擬現(xiàn)實(shí)交互性設(shè)備和立體顯示系統(tǒng)，即可進(jìn)行操作演練，驗(yàn)證各種操作過程的可達(dá)性、可行性，該操作方式與真實(shí)退役工控機(jī)端的操作方式完全一致。劑量率仿真用于優(yōu)化退役操作方式，空間劑量率的分布情況可伴隨上述退役操作方案而動態(tài)變化，以便及時調(diào)整退役方案。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在退役項(xiàng)目中的作用

2.1 個人劑量防護(hù)的最優(yōu)化

目前，劑量評估的常用方法主要是根據(jù)距離輻射源的遠(yuǎn)近來估算。但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輻射源較多的環(huán)境，難以準(zhǔn)確的估算出人員的所受劑量率，從而影響整個方案的工期和預(yù)算。從歐美發(fā)達(dá)國家的退役經(jīng)驗(yàn)表明，將可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真計(jì)算相結(jié)合，利用輻射防護(hù)計(jì)算功能模塊，可以快速計(jì)算作業(yè)現(xiàn)場空間任意位置、任意時刻的劑量

率[1-3]，對指導(dǎo)退役方案以及現(xiàn)場實(shí)施非常方便有效。

2.2 退役機(jī)具設(shè)計(jì)方案及操作方案驗(yàn)證

各退役設(shè)施之間相互存在差異，即便同類型設(shè)施甚至同一設(shè)施內(nèi)的相似廠房環(huán)境也或多或少存在差異。退役方案力求盡可能結(jié)合這些現(xiàn)狀情況，使得退役機(jī)具（以下簡稱機(jī)具）在選用上要兼顧這些現(xiàn)狀情況，做到一機(jī)多用途。因此，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以在“虛擬機(jī)”上驗(yàn)證機(jī)具的適用性，找出可滿足退役項(xiàng)目的現(xiàn)有機(jī)具或提出需要進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)的具體技術(shù)要求。這樣可以及早發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)省研發(fā)周期及費(fèi)用。從法國退役項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)看，機(jī)具在研發(fā)過程中特別是在方案設(shè)計(jì)階段，越早發(fā)現(xiàn)和暴露問題，越能夠簡化修改，而他們普遍采用的設(shè)計(jì)方法是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺的沉浸感演示、動作捕捉和力反饋等功能，可以試驗(yàn)和檢查虛擬機(jī)的操作路徑、可維護(hù)性和操作的可達(dá)性。通過力反饋設(shè)備的人-機(jī)交互碰撞干涉檢查功能，一方面通過定量比選不同拆除方案的拆除路徑的優(yōu)缺點(diǎn)，另一方面通過定量確定碰撞干涉點(diǎn)以確定操作路徑。并在此基礎(chǔ)上規(guī)劃并優(yōu)化拆除路徑、維修路徑，確定拆除范圍和相應(yīng)的拆除方式。

2.3 便于表達(dá)和溝通

通過虛擬現(xiàn)實(shí)平臺對退役機(jī)具方案及退役遙控操作技術(shù)方案進(jìn)行情景模擬演示，能夠直觀的呈現(xiàn)方案的整體思路，便于使審管部門、業(yè)主、供貨商及設(shè)計(jì)人員之間的溝通和理解。此外，可視化的方式可以暴露“原設(shè)想”方案實(shí)施過程中存在的安全隱患和不合理之處。

2.4 制作用于現(xiàn)實(shí)遙控操作的控制和監(jiān)視系統(tǒng)的界面

借助VR系統(tǒng)建立的機(jī)具模型、環(huán)境幾何模型，和經(jīng)過驗(yàn)證的操作路徑，在退役實(shí)施時還將用于制作機(jī)具遙控操作控制和監(jiān)視系統(tǒng)的界面。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在APM退役項(xiàng)目中高放熱室退役的應(yīng)用

3.1 414熱室介紹

APM是法國的乏燃料后處理中試廠。1962年開始調(diào)試運(yùn)行，1997年結(jié)束生產(chǎn)活動關(guān)閉，目前該設(shè)施正在進(jìn)行清理、去污和拆除工作。414熱室在APM后處理主工藝流程中的作用是化學(xué)首端的取樣、澄清、料液貯存和浸煮。其中主要設(shè)備有溶解器、離心分離機(jī)及戽斗流量計(jì)等，熱室尺寸為20 m×4 m×6 m，內(nèi)部工藝管線總長約5 km，受污染的設(shè)備管道總重約18 t。退役初態(tài)源項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，熱室內(nèi)熱點(diǎn)數(shù)量為16個、周圍劑量當(dāng)量率為20 mSv/h。由于殘留的輻射源活度很高相應(yīng)引起的劑量場水平不允許人工直接拆卸操作，所以退役方案設(shè)計(jì)采用偏安全的操作方式—采用遠(yuǎn)距離依靠遙控拆除整個設(shè)備室，但不排除調(diào)整操作方式、優(yōu)化操作方案的可能。對熱室內(nèi)設(shè)備、管道遠(yuǎn)距離遙控拆除機(jī)具選擇采用了Maestro—主-從操作方式的電隨動機(jī)械臂，需要依賴遠(yuǎn)距離遙控的方式進(jìn)行。位于414熱室的一側(cè)在設(shè)計(jì)之初就預(yù)留有專用通道，頂部設(shè)置了沿水平方向吊車軌道，作為檢查、去污和退役拆除的進(jìn)出路徑。

3.2 遠(yuǎn)距離遙控操作機(jī)具方案

3.2.1 Maestro機(jī)械手

遙控遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)由兩部分組成：主手和從手，見圖1（左）所示。Maestro為從動臂，是一種先進(jìn)的核用遠(yuǎn)距離操作電隨動的主-從式操作的電隨動機(jī)械手[4-5]。該手用于完成人員無法進(jìn)入惡劣環(huán)境下且具有完成一定負(fù)荷和完成精細(xì)化程度較高任務(wù)的操作能力，如核污染區(qū)調(diào)查、維護(hù)/整改、切割和去污、清理污染環(huán)境等。Maestro機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作，包括檢查、維護(hù)、拆除和清理等。該設(shè)備在復(fù)雜性、靈活性以及操作能力及操作方式方面，具有6個自由度、手臂伸直至2.0 m時可達(dá)105 kg，與同類型機(jī)械臂相比較具有突出優(yōu)勢，見圖2。此外，該機(jī)械手的控制模式，不僅可用在機(jī)器人控制模式（編程預(yù)教導(dǎo)—自動模式內(nèi)），還可由操作者用操縱桿人工控制，既可借助也可不借助力反饋的管理模塊實(shí)現(xiàn)。

主手由多關(guān)節(jié)的操作桿及控制系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)采用笛卡爾坐標(biāo)系，且該關(guān)節(jié)臂具有力反饋的功能。主-從操作的隨動控制系統(tǒng)采用TAO2000控制系統(tǒng)。

414熱室的拆除，將是Maestro型機(jī)械臂首次被用于從頭到尾拆除一個完整熱室的

案例。

3.2.2 機(jī)械手配套運(yùn)載工裝

承載機(jī)械手進(jìn)入414熱室的配套運(yùn)載工裝是嚴(yán)格按照414熱室的廠房及工藝設(shè)備布置特點(diǎn)并結(jié)合拆除任務(wù)的要求而設(shè)計(jì)的，是非標(biāo)準(zhǔn)化的工裝設(shè)備[6]，設(shè)備方案三維模型簡圖見圖3。圖中箭頭顯示了該吊車式運(yùn)載工裝的運(yùn)動學(xué)特性—共有6個自由度，其中包括2個水平方向自由度、2個垂直方向自由度和2個旋轉(zhuǎn)自由度。該套工裝通過位于升降機(jī)構(gòu)上的托架承載Maestro從動臂和各種工具頭沿?zé)崾议L度方向上移動，其移動范圍可以覆蓋熱室的各個區(qū)域、角落，長度方向上為20 m，垂直方向上為3 m。運(yùn)載工裝由水平方向行走機(jī)構(gòu)（以下簡稱：大車）、垂直升降機(jī)構(gòu)、和車載托架（以下簡稱：小車）組成，另外在大車車體上還有管理Maestro臍帶電纜格架和存放各種功能頭的工具格架。小車具有兩個功能：可以在其上安裝吊籃用于暫時存放拆卸、解體物，也可以安裝夾具用于機(jī)械臂切割時握緊被拆除

對象。

運(yùn)載工裝由原熱室預(yù)留的吊車水平方向軌道由檢修廊Ⅱ區(qū)進(jìn)入熱室Ⅰ區(qū)，檢修廊用于在此對成套遙控操作設(shè)備進(jìn)行組裝、檢修和拆卸，遙控操作的控制間設(shè)置在相鄰區(qū)域的廠房Ⅲ區(qū)。目前整套系統(tǒng)已完成工廠驗(yàn)收，待其在非放廠房內(nèi)進(jìn)行設(shè)備聯(lián)動冷調(diào)試后，方可進(jìn)入退役拆除工作（圖3）。

4 結(jié)語

本次采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行退役方案的驗(yàn)證[7]，是CEA第一次采用該技術(shù)驗(yàn)證退役方案，同時也是Maestro機(jī)械手第一次被應(yīng)用在全遙控拆除整個設(shè)備室的任務(wù)中。為了實(shí)現(xiàn)對拆除方案情景模擬，建立具有沉浸感效果并輔以力感、聲效等功能的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，情景模擬使用了廠房、機(jī)具及工裝的三維模型、帶有力反饋功能的物理引擎、動作捕捉和具有沉浸感效果的可視化立體演示系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證退役操作方案及機(jī)具設(shè)備方案的目的—可達(dá)性、可行性和可維護(hù)性。

方案驗(yàn)證及早發(fā)現(xiàn)和充分暴露問題，并及時在設(shè)計(jì)階段做調(diào)整特別是設(shè)備方案，盡量減少制造后的修改工作量甚至翻車的風(fēng)險(xiǎn)。通過這次嘗試，體會之一首先是模型的精度。如果模型的精度與現(xiàn)實(shí)情況有偏差，機(jī)器人或熱室模型的準(zhǔn)確度不足，將無法證實(shí)現(xiàn)場使用可否按照方案設(shè)計(jì)的步驟和方式實(shí)施。體會之二是物理引擎也受到限制，這是由計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力決定的。就目前所使用的硬件配置條件看，還不能做到對機(jī)器人和整個熱室的物理化模擬如高精度的碰撞檢查和實(shí)時的仿真模擬。這也是只能對機(jī)器人和受關(guān)注的熱室區(qū)域進(jìn)行動力學(xué)仿真的原因。體會之三是將輻射防護(hù)計(jì)算軟件作為插件嵌入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，通過這種方式，使ALARA優(yōu)化與方案設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，大大提高設(shè)計(jì)效率和優(yōu)化的程度。體會之四是該系統(tǒng)最初建立的初衷是用于方案驗(yàn)證和優(yōu)化，但由于模擬器的主-從操作方式與現(xiàn)實(shí)情況的主-從操作方式相似以及監(jiān)控界面相同，因此還可以為機(jī)具操作人員提供操控培訓(xùn)，訓(xùn)練退役操作人員，告知哪里有輻射源，采用何種操作方案更加安全、合理，盡量避免和降低人員受到輻射

照射。

參考文獻(xiàn)

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[4]Maestro- an Advanced Remote Manipulator System.Cybernetix Co，Ltd.

[5]Large Range of Tools for Remote Manipulator.Cybernetix Co，Ltd.

[6]Remote Handling System for the Pilot project APM-CEA Marcoule.Cybernetix Co，Ltd.

[7]謝小龍.赴法國CEA學(xué)習(xí)培訓(xùn)工作匯報(bào).2010.