王晰+高揚+雷欣

【摘 要】本文針對核電站施工特點以及施工過程中的實際需求，從技術(shù)手段上分析了VR技術(shù)與信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，提出了構(gòu)建核電站廠房實景系統(tǒng)的方案，結(jié)合VR技術(shù)與信息管理系統(tǒng)的優(yōu)點，以實現(xiàn)核電站廠房施工過程的可視化管理，對核電站的施工管理進行了積極探索。

【關鍵詞】VR；核電站；施工

0 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是近些年來在計算機圖形圖像技術(shù)方面的研究熱點之一，其目的是利用計算機構(gòu)建與現(xiàn)場一致的模擬真實環(huán)境，通過視覺、觸覺等多種手段，實現(xiàn)更高端的人機交互[1]。這一特點，使得VR在教育、軍事、航天、工程、煤礦、醫(yī)學等領域獲得了廣泛應用。

核電站的施工過程是一個需要多工種協(xié)調(diào)配合的復雜過程，利用目前流行的BIM技術(shù)可以對建筑結(jié)構(gòu)和設備管道等的設計和布置進行優(yōu)化和整合，極大提高施工效率。但電站的施工同時也是一個動態(tài)過程，BIM對于施工動態(tài)的記錄則缺少連續(xù)性和直觀性。隨著VR技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)已逐漸應用于建筑工程領域，對核電站的施工過程進行連續(xù)記錄則成為可能，VR技術(shù)在核電站施工中的應用對于施工效率的提高和施工經(jīng)驗的承載都具有十分積極的意義。

1 核電站施工中的需求分析

華龍一號是我國自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)[2]，今后必將成為我國核電建設的主力堆型。由于核電項目建設的相似性和連續(xù)性，前期建造的核電項目對于后期項目在很大程度上具有重要的參考價值，尤其是在施工階段，設備或設施的安裝調(diào)試可能面臨一些預想不到的難題，這時參考電站的施工經(jīng)驗則變得尤為重要。經(jīng)驗的傳承往往以圖紙和文件為載體，但是這些資料往往不夠具有直觀性，因此，在解決個別問題時，設計、施工人員可能需要前往參考電站進行實地勘察。然而隨著電站施工的不斷推進，廠房內(nèi)的狀態(tài)一直不斷變化，實地勘察的時機可能將不復存在。特別地，當參考電站已經(jīng)進入服役狀態(tài)，實地勘察也將會變得難以進行。

使用VR技術(shù)定期采集各個廠房內(nèi)的場景信息，并以此為基礎構(gòu)建核電站廠房的實景展示系統(tǒng)，則可以完整保存電站的施工情況，不僅為項目本身積累了重要的過程資料，也可為后續(xù)項目提供參考。

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 用戶群分析

目前國內(nèi)核電項目大多采用EPC模式，核電項目中的施工反饋和設計改進等工作主要集中在總承包公司內(nèi)完成[3]。因此，總承包公司是首要的潛在用戶。

土建公司和安裝公司是核電工程的具體實施者，核電項目的逐步擴建使得建安公司的新增從業(yè)人員數(shù)量逐漸增加，高級技術(shù)人才的比例則因此降低。實景系統(tǒng)的使用對于建安公司的新員工盡快熟悉核電工程也具有很大幫助。

業(yè)主作為核電站的最終運營方，如果能從前期就介入核電站的施工，對于后期的運維工作也具有積極意義。

綜上，核電站實景系統(tǒng)的用戶群為總承包公司、土建公司、安裝公司和業(yè)主。

2.2 系統(tǒng)物理構(gòu)架

系統(tǒng)采用了客戶端/服務器模式，通過廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了分布式可視化的信息管理，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務器、界面服務器和客戶端組成，數(shù)據(jù)服務器和界面服務器位于總承包公司的管理中心，客戶端則位于用戶群的信息中心。

3 VR技術(shù)方案設計

3.1 建模方法概述

3.1.1 數(shù)據(jù)建模法

通過對建筑結(jié)構(gòu)、管道布置等設計資料的收集和個別數(shù)據(jù)實地測量相結(jié)合的方式獲取廠房內(nèi)的幾何信息和材料數(shù)據(jù)，運用三維設計軟件建立類似于BIM的廠房模型。該方法建立的模型界面精致、材質(zhì)合理，但建立過程較為復雜。

3.1.2 掃描建模法

通過激光掃描儀在各個方向進行測量，建立點陣數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼相機等設備獲取建筑物的表面數(shù)據(jù)。然后建立點云數(shù)據(jù)和表面數(shù)據(jù)的映射，用計算機視覺技術(shù)進行三維點與表面數(shù)據(jù)的擬合，從而實現(xiàn)建筑物的模型重建。該方法建模較為精確，但是，資源消耗高，設備成本過大。

3.1.3 照片建模法

通過高分辨率全景照相機拍攝高精度的圖像數(shù)據(jù)，利用計算機視覺處理軟件對照片進行處理，將2D的照片直接轉(zhuǎn)換為3D模型。該方法可以快速地獲取建筑模型。但該3D模型事實上為偽3D模型，即僅在視覺上呈現(xiàn)3D效果，但并不能通過該模型獲取空間中兩點的相對位置。

3.2 建模方法選定

通過以上3種建模方式的對比，可以明顯看出，照片建模法最為方便快捷，唯一的問題就是偽3D。然而近些年BIM技術(shù)也在不斷發(fā)展進步，在核電項目中已經(jīng)逐漸開始使用類似的三維設計系統(tǒng)。BIM很好地解決了空間機構(gòu)中的碰撞問題，而VR系統(tǒng)則能完整地記錄過程信息。兩者可以互為補充，協(xié)同解決核電站施工。因此，建模方法選定為照片建模法。

3.3 VR全景圖的制作

傳統(tǒng)的三維全景圖是由多角度拍攝的數(shù)張照片使用軟件進行拼接，再使用全景工具軟件制作而成[4]。近些年，部分相機中已集成拼接功能，所謂的全景相機已成為技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品，使用全景相機可直接拍攝出高分辨率的全景圖像。再使用Pano2VR等軟件即可將全景圖像處理生成具有三維效果的swf格式的模型圖，該模型圖中可添加熱點，方便與廠房、設備信息系統(tǒng)融合。

4 VR系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的集成和使用

VR影像的采集因攝像技術(shù)要求以房間為單位，核電站中核島的輻射分區(qū)、設備布置等信息也恰好以房間為單位進行劃分。因此，VR系統(tǒng)與電站內(nèi)其他類型的信息系統(tǒng)宜從房間層次融合，橫向延伸到所有廠房，縱向貫穿至各個標高，最終形成整個核島的數(shù)據(jù)。使用者以VR界面為初始界面，即可開始在核電站廠房中的踏勘。對于想了解的設備，可利用其中的熱點直接鏈接至設備說明書或系統(tǒng)手冊，方便發(fā)散式獲取相關信息。

對于總承包公司、土建公司、安裝公司和業(yè)主均可開放寫入權(quán)限，即所有用戶只要按照規(guī)定要求采集影像，均可導入系統(tǒng)與其他用戶共享。在電站建設周期內(nèi)連續(xù)采集的數(shù)據(jù)可匯總實現(xiàn)“時間線”功能，即類似于延時攝影的高速回放，隨時瀏覽某房間從初始時間到當前觀察節(jié)點的安裝進度情況。

5 結(jié)語

基于VR技術(shù)拓展并搭建的核電站廠房實景系統(tǒng)集成了虛擬現(xiàn)實、信息管理技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建了一整套針對核電站施工階段廠房內(nèi)形貌及房間內(nèi)系統(tǒng)設備的管理系統(tǒng)，有助于總承包公司直觀地了解施工進度，有助于建安公司合理地調(diào)配施工進程，有助于業(yè)主完整地記錄電站的過程信息，具有很強的可延伸性和可拓展性，對優(yōu)化核電站的施工管理具有重要的意義。本系統(tǒng)目前已完成底層平臺的搭建，隨著后期的數(shù)據(jù)錄入和影像采集，必將在核電項目的建設中發(fā)揮實際作用。

【參考文獻】

[1]申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：清華大學出版，2015.

[2]邰江.“華龍一號”安全特性分析[J].中國核電，2015，8（4）：293-299.

[3]李京彥.設計管理在核電EPC項目中的實施[J].中國核電，2009，2（3）：249-257.

[4]張曉亮，李麗.全景圖拼接技術(shù)研究及應用[J].現(xiàn)代計算機（專業(yè)版），2011（19）：27-30.endprint