嚴 敏，岳志錄

(國核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241)

0 引言

核電廠(nuclear power plant,NPP)全范圍模擬機(full scope simulator，F(xiàn)SS)項目，是新建核電廠用于開展操縱員培訓(xùn)與執(zhí)照考試必不可少的項目[1-2]，具有開發(fā)周期長、涉及專業(yè)多、文件資料龐雜、數(shù)據(jù)迭代更新、偏差項瑣碎繁多等特點。核電廠全范圍模擬機融合了反應(yīng)堆工程、熱能動力、電氣、儀控、計算機、數(shù)字計算等諸多領(lǐng)域的高新技術(shù)[3]。模擬機研制完成并投入培訓(xùn)運行后，運行和維護環(huán)節(jié)大部分采用紙質(zhì)和人工記錄方式完成，包括工作單和偏差項管理、備品備件的管理等，記錄單多、查詢工作量大、效率低、流程可追溯性差。針對核電廠全范圍模擬機運行和維護特點，需要開發(fā)一套核電模擬機運維支持系統(tǒng)。系統(tǒng)需具備以下功能：自動識別核電廠全范圍模擬機運維環(huán)境；實現(xiàn)仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室等區(qū)域的各個工作站以及服務(wù)器運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)可視化；通過自助運維以及遠程專家協(xié)助，及時解決運維人員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題；對運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、運維人員運維時長數(shù)據(jù)等進行后臺統(tǒng)一存儲，實現(xiàn)運維全過程的數(shù)字化管理，運維過程可追溯；對歷史的運維數(shù)據(jù)進行分析，改進運維方法，提高運維效率，實現(xiàn)降低運維成本。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)上發(fā)展起來的新興技術(shù)[4-5]，涉及仿真技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、圖像處理技術(shù)、交互技術(shù)及傳感器技術(shù)等。AR 技術(shù)是通過將計算機生成的虛擬物體或信息和真實環(huán)境實時疊加在一起，給用戶呈現(xiàn)一個感官效果真實、場景信息豐富的情境。

增強現(xiàn)實技術(shù)具有三大特性[6]。

①虛實融合顯示，使虛擬模型和真實世界中的物體共存于用戶的視線中。

②人機實時交互，用戶可以與視線中的真實物體和虛擬物體進行實時交互。

③三維尺度上的匹配，利用自動跟蹤技術(shù)將虛擬模型和真實物體精確地對準(zhǔn)，解決虛實匹配的問題。

增強現(xiàn)實技術(shù)已在國外醫(yī)學(xué)、遙操作、制造與維修、可視化與教育培訓(xùn)等領(lǐng)域成功應(yīng)用[7]。在核電領(lǐng)域，國外已將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于核電站退役部件的拆解、運送和安置[8]，核電室內(nèi)環(huán)境的維護[9]，核事故中反射性擴散時人員的疏散撤離等領(lǐng)域[10]。

2 基于AR技術(shù)的核電模擬機運維架構(gòu)設(shè)計

核電全范圍模擬機維護是一項以技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性工作，工作內(nèi)容繁雜，涉及專業(yè)廣，工作流程嚴謹。維護工作主要包括模擬機日常維護、備件工具管理、設(shè)備更換、軟件、系統(tǒng)升級及修改等。AR技術(shù)包括虛擬信息的建立和渲染、真實世界中的跟蹤和定位、虛擬信息在真實場景中的注冊、顯示輸出和實時的人機交互。

核電模擬機當(dāng)前運維多以人工現(xiàn)場巡檢為主，并以手工紙質(zhì)記錄，存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性差、標(biāo)準(zhǔn)化工作站或服務(wù)器等設(shè)備的識別需要根據(jù)圖紙或編碼確認的問題。對于時間較長的運維過程，技術(shù)人員容易產(chǎn)生疲勞，影響記錄和判斷的正確性，產(chǎn)生人因錯誤，并且無法實現(xiàn)在線的專家診斷和協(xié)助。專家僅能夠根據(jù)記錄的問題或故障進行判斷，記錄和發(fā)現(xiàn)問題的詳細程度完全取決于運維人員的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)。這不利于專家進一步分析故障原因和后期的經(jīng)驗反饋，會導(dǎo)致運維成本較高、效率低。

針對以上存在的問題，基于AR技術(shù)的模擬機運維支持系統(tǒng)的目標(biāo)是提高模擬機的管理和運行維護效率。對模擬機投入運行后的運維進行程序化、流程化處理，基于后臺數(shù)據(jù)庫，保存運行各階段工作單、調(diào)試差異報告(discrepancy report,DR)以及操作人員記錄，實現(xiàn)運行維護電子化記錄、易查詢和追溯?；贏R技術(shù)的核電模擬機運維支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于AR技術(shù)的核電模擬機運維支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括用戶配置管理模塊、巡檢模塊、運維模塊以及培訓(xùn)模塊。系統(tǒng)功能包括：巡檢、運維過程的數(shù)據(jù)管理；巡檢作業(yè)的智能化指導(dǎo)；3D可視化信息數(shù)據(jù)的全方位識別展示；設(shè)備維護全過程的數(shù)據(jù)跟蹤與記錄；遠程專家實時協(xié)助檢修。該系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)運維效率不高、巡檢容易遺漏、運維人力成本高等現(xiàn)實問題。

首先，建立核電全范圍模擬機仿真環(huán)境和硬件設(shè)備的3D模型。本文采用3D建模技術(shù)[11-12]，完成全范圍模擬機環(huán)境和設(shè)備模型的搭建，包括仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室、應(yīng)急指揮中心、蓄電池室、配電室以及計算機房及其硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和I/O系統(tǒng)設(shè)備等；完成AR互動界面設(shè)計。其次，完成數(shù)據(jù)通信和建立數(shù)據(jù)庫，將全范圍模擬機仿真環(huán)境和硬件設(shè)備的3D模型數(shù)據(jù)參數(shù)信息與后臺數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示，并將運維數(shù)據(jù)信息通過AR終端設(shè)備得以虛擬復(fù)現(xiàn)和記錄存儲。運維數(shù)據(jù)管理由無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)管理與控制模塊以及輔助決策模塊三部分組成。無線傳輸模塊用于接收遠端數(shù)據(jù)并將處理后的實時數(shù)據(jù)或信息傳回AR智能終端。數(shù)據(jù)管理與控制模塊在接收遠端數(shù)據(jù)后，對其進行處理。當(dāng)數(shù)據(jù)為操作指令信息時，模塊通過模擬機實時數(shù)據(jù)網(wǎng)傳遞并執(zhí)行操控命令。輔助決策模塊對實時數(shù)據(jù)的當(dāng)前狀態(tài)進行判斷，為模擬機運維人員提供技術(shù)支持與操作指導(dǎo)。全范圍模擬機的每一個區(qū)域或設(shè)備唯一匹配一個圖形標(biāo)記卡。標(biāo)記卡被置于現(xiàn)場運維識別所對應(yīng)的實際位置。模擬機運維巡檢人員佩戴AR便攜式智能穿戴設(shè)備進行日常巡檢或處理報警和故障情況。當(dāng)視線范圍內(nèi)存在標(biāo)記卡時，AR設(shè)備自動捕獲所有標(biāo)記信息，并將其傳輸給識別系統(tǒng)。識別系統(tǒng)將圖形信息轉(zhuǎn)換為數(shù)值信息，再由移動端無線傳輸系統(tǒng)將其傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行處理后，通過模擬機實時數(shù)據(jù)網(wǎng)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，并由服務(wù)器端無線傳輸系統(tǒng)將其傳回AR終端設(shè)備處理系統(tǒng)。由AR設(shè)備將數(shù)據(jù)以圖形的方式渲染，以增強現(xiàn)實的形式展示在標(biāo)記卡位置的上方，將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體并顯示來，從而為現(xiàn)場運維人員提供一個效果真實的運維環(huán)境?，F(xiàn)場運維人員在瀏覽虛擬化信息的同時，可以通過手勢或動作與系統(tǒng)之間進行一定的交互操作。

基于AR技術(shù)的模擬機運維支持系統(tǒng)的設(shè)計，包括用戶配置管理、巡檢、運維、培訓(xùn)等功能模塊。

用戶配置管理模塊包含用戶和角色管理、模擬機工單管理以及日常運維計劃管理。用戶和角色管理是指客戶端輸入運維人員信息，并同步到 AR便攜式智能穿戴設(shè)備，使運維人員可以查看姓名、員工編號等身份認證信息。模擬機工單管理指用戶可以使用 AR 便攜式智能穿戴設(shè)備直接查看當(dāng)前任務(wù)清單、巡檢工作內(nèi)容等。

(1)巡檢模塊的功能包括查看模擬機總體概貌、巡檢定位和運維指引、運維流程管理、模擬機仿真控制室設(shè)備3D可視化信息展示、報警管理以及巡檢和運維記錄等。

①查看模擬機總體概貌：運維人員可以實時查看核電廠全范圍模擬機總體運行情況。比如：仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室、應(yīng)急指揮中心、蓄電池配電室；模擬機機房的溫度、濕度；所有設(shè)備的運行情況等。

②巡檢定位和運維指引：基于 AR 便攜式智能穿戴設(shè)備的空間掃描和空間定位，能夠?qū)崟r計算運維人員在全范圍模擬機對應(yīng)區(qū)域中的位置，并映射到3D的全范圍模擬機仿真環(huán)境地圖中，以實現(xiàn)實時定位。

③運維流程管理：AR 便攜式智能穿戴設(shè)備顯示對應(yīng)該區(qū)域巡檢任務(wù)的巡檢任務(wù)列表。通過識別巡檢任務(wù)中待巡檢的設(shè)備，將虛擬任務(wù)信息疊加在真實設(shè)備上，從而幫助運維人員快速進行巡檢。

④3D可視化信息展示：AR 運維支持系統(tǒng)將模擬機仿真控制室設(shè)備3D 可視化信息依次、有序地疊加在真實設(shè)備上，包括指示燈狀態(tài)、數(shù)字儀表盤數(shù)字、開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備位置、運行狀態(tài)、模擬機仿真控制室環(huán)境數(shù)據(jù)等。

⑤報警管理：后臺服務(wù)器對傳感器狀態(tài)進行實時監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，將設(shè)備報警推送到AR設(shè)備中。運維人員可以看到報警提示疊加在異常設(shè)備正前方，并能以虛擬點擊方式查看詳細故障信息。

⑥巡檢和運維過程記錄：巡檢和運維過程中，AR 設(shè)備實時錄制巡檢過程的視頻，并傳輸給后臺服務(wù)器；同時，管理人員能夠使用控制臺程序直接查看實時視頻。巡檢工作完成后，AR 巡檢模塊自動生成巡檢報表，包括仿真主控室、教練員室、遠距離停堆室、計算機房、配電室、蓄電池室、維護工程師室等的溫度、濕度、UPS主機電壓、排風(fēng)、是否報警等信息表單。

(2)運維模塊的功能主要包括運維導(dǎo)航、運維流程管理、遠程專家協(xié)助。該模塊能夠?qū)⑦\行狀態(tài)數(shù)據(jù)、運維人員運維時長數(shù)據(jù)等保存至后臺統(tǒng)一管理，實現(xiàn)運維全過程的數(shù)字化管理、運維過程可追溯，以及對歷史的運維數(shù)據(jù)進行分析，從而提高運維效率、降低運維成本。

①運維導(dǎo)航：運維人員收到運維工單后，確認并開始運維工作。AR智能穿戴設(shè)備通過可見化顯示，引導(dǎo)運維人員到達相應(yīng)區(qū)域。

②運維流程管理：運維人員根據(jù)運維導(dǎo)航箭頭提示迅速到達異常設(shè)備處，通過AR智能穿戴設(shè)備進行掃描識別，可調(diào)取設(shè)備的故障維護操作步驟，查看設(shè)備相關(guān)的文檔和說明書。當(dāng)遇到問題時，可以迅速調(diào)取運維數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行對比分析，同時能夠參考存儲在歷史服務(wù)器中的故障維護視頻，準(zhǔn)確圈定故障點，實現(xiàn)運維自助。

③遠程專家協(xié)助：在運維過程中，如需專家遠程協(xié)助，運維人員可以向?qū)＜野l(fā)起視頻會話請求，將所看到的圖像實時傳送給專家以進行分析處理；同時，可以進行語音交流，以便專家協(xié)同解決運維中的難題。

(3)培訓(xùn)模塊的功能主要包括現(xiàn)場指導(dǎo)培訓(xùn)、實際操作練習(xí)和遠程專家指導(dǎo)。

①現(xiàn)場指導(dǎo)培訓(xùn)：適用于初期的運維人員。這些人員對核電全范圍模擬機包括的區(qū)域和設(shè)備熟悉程度較低，可通過現(xiàn)場指導(dǎo)培訓(xùn)模式進行各個運維步驟和交互模塊的培訓(xùn)。

②實際操作練習(xí)：運維人員根據(jù)運維需要，對運維過程、工單流程或報警處理等進行現(xiàn)場操作練習(xí)培訓(xùn)，增加經(jīng)驗反饋和體驗效果，以自助運維為輔助方式。

③遠程專家指導(dǎo)培訓(xùn)：用于指導(dǎo)運維人員在使用遠程專家指導(dǎo)功能時的音視頻交互方法。

3 結(jié)束語

增強現(xiàn)實技術(shù)是當(dāng)前的前沿科技技術(shù)之一，通過將計算機產(chǎn)生的三維景象疊加到真實世界背景中，創(chuàng)建一種融合真實的虛擬場景，以增強用戶對真實環(huán)境的感知和認識。該技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到醫(yī)療、教育以及電力運維等各個領(lǐng)域，將AR技術(shù)應(yīng)用至核電廠全范圍模擬機運行維護具有非常大的現(xiàn)實意義。基于核電模擬機仿真主控制室、教練員室、遠距離停堆室、技術(shù)支持中心、計算機房等區(qū)域的盤臺、大屏幕、工作站以及顯示器等設(shè)備的3D模型，模擬機運維人員通過佩戴增強現(xiàn)實外設(shè)工具，可直觀和真實地看到設(shè)備模型上顯現(xiàn)的動態(tài)化數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，實現(xiàn)運維全過程的數(shù)字化管理。該研究是人工智能技術(shù)應(yīng)用于核電模擬機運維領(lǐng)域的一次技術(shù)改進創(chuàng)新探索，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。