陳茜，王坤，楊俊豪，陳相羽，馬山林，萬浩，徐世超，王曉童

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

1 概述

1.1 MR技術(shù)簡介

人與機(jī)器交互方式是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而演進(jìn)變化的。在20世紀(jì)80年代，哈佛大學(xué)的Jaron Lanier[1]首次提出虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的概念，并逐漸被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。VR的定義可簡述為：由電腦模擬的一種融合了視覺、聽覺、觸覺的三維虛擬世界。21世紀(jì)以來，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備開始落地應(yīng)用，商業(yè)領(lǐng)域中有用于飛行員訓(xùn)練的飛行模擬器，在個(gè)人穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備領(lǐng)域則有谷歌公司的Cardboard、三星公司的GEAR VR、Oculus Rift及HTC VIVE等，如圖1所示。

圖1 個(gè)人穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augment Reality,AR）的發(fā)展則要成熟得多。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，顧名思義即是在真實(shí)世界中實(shí)時(shí)疊加相關(guān)的虛擬信息，給人的主觀感受是虛擬世界“懸浮”或者“粘貼”在現(xiàn)實(shí)世界上。目前的應(yīng)用包括戰(zhàn)斗機(jī)和汽車的平視顯示系統(tǒng)，用于個(gè)人穿戴的Google Glass等。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mixed Reality ,MR）則是在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的全新一代虛擬交互技術(shù)。相比于虛擬現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了虛擬世界和真實(shí)世界,打破了兩者的界限，相比于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬世界和真實(shí)世界的互動(dòng)[2]，而不僅僅是將信息簡單疊加在真實(shí)世界之上。目前較為成熟的產(chǎn)品為微軟公司的Hololens，并且已經(jīng)在波音公司的新機(jī)型開發(fā)中獲得了應(yīng)用，相比原有工作方式，提高了大約40%的工作效率。

1.2 核電站換料大修簡介

截止2019年1月，國內(nèi)在運(yùn)行的核電機(jī)組45臺(tái)，在建機(jī)組11臺(tái)，籌備中核電機(jī)組15臺(tái)，每臺(tái)機(jī)組1～2 a進(jìn)行一次小修換料，約10 a進(jìn)行一次大修換料[3-4]，因此后續(xù)國內(nèi)核電站換料大修操作將更加頻繁。如何安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成核電站換料大修工作，是目前亟待解決的難題。

核電站大修的目的是更換燃耗殆盡的燃料組件，同時(shí)對核島、常規(guī)島的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查、維修及改造升級，這是核電站運(yùn)行過程中最為重要的工作之一。同時(shí)，在保證安全的前提下，盡可能縮短大修換料周期，減少換料檢修人員的輻照劑量，也是各國核電站運(yùn)營商普遍追求的目標(biāo)。

2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前MR技術(shù)在國內(nèi)外主要有如下應(yīng)用場景：

1）工業(yè)產(chǎn)品制造。在復(fù)雜產(chǎn)品的組裝維修過程中，通過使用MR技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作引導(dǎo)，可以使得從未接觸過該產(chǎn)品的裝配人員或維修人員，完成復(fù)雜產(chǎn)品的裝配及維修。

2）模擬訓(xùn)練。通過使用MR技術(shù)，搭建與真實(shí)世界結(jié)合的仿真訓(xùn)練場景，可以完成諸如航天員訓(xùn)練、士兵的軍事訓(xùn)練、飛機(jī)駕駛模擬訓(xùn)練等諸多訓(xùn)練，取代原本需要極高訓(xùn)練成本甚至無法實(shí)現(xiàn)的訓(xùn)練任務(wù)。

3）數(shù)據(jù)可視化。通過MR技術(shù)，可以在設(shè)備安裝制造現(xiàn)場及其運(yùn)行維護(hù)期間，將設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)資料、運(yùn)行參數(shù)等實(shí)時(shí)疊加展示到對應(yīng)的設(shè)備上，方便技術(shù)人員查閱，極大提高信息的使用效率；同時(shí)借助計(jì)算機(jī)三維成像技術(shù)，將傳統(tǒng)的一維或者二維的數(shù)據(jù)通過3D模型展示出來，顯著提高了數(shù)據(jù)的易讀性。

4）運(yùn)行維護(hù)。對于無法直接觀測的設(shè)施設(shè)備，可以通過MR技術(shù)，使用設(shè)備內(nèi)置各類傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對設(shè)備進(jìn)行可視化重建，并且準(zhǔn)確反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這樣就可以通過MR顯示設(shè)備，對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢，并且極大降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高巡檢的效率，降低人因失誤風(fēng)險(xiǎn)。目前，在火電廠運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo)及管網(wǎng)巡檢中均有相關(guān)的應(yīng)用研究。

在核電領(lǐng)域，MR技術(shù)主要應(yīng)用于人員培訓(xùn)方面，例如：日本Fugen核電站的DEXUS系統(tǒng)，用于核電站退役解體的操作培訓(xùn)；歐洲原子能共同體的EURATOM系統(tǒng)，以及位于俄羅斯列寧格勒的VR換料模擬機(jī)等[5]；在國內(nèi)則有學(xué)者提出基于大亞灣核電站的VRP平臺(tái)，該平臺(tái)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)展示電站中的輻射場分布，便于現(xiàn)場人員進(jìn)行輻射劑量管理。

3 MR技術(shù)核電應(yīng)用領(lǐng)域及構(gòu)想

核電站的換料大修，是核電站運(yùn)行過程中最為關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)之一，也是一項(xiàng)極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的部門廣泛、人員眾多、設(shè)備龐雜，核電站大修換料的成功與否，直接決定了核電站的運(yùn)行情況及電廠經(jīng)濟(jì)效益。電站換料大修主要可分為2個(gè)部分：1）核島及常規(guī)島的設(shè)備檢修；2）反應(yīng)堆燃料的卸出和新燃料裝載。

3.1 核島及常規(guī)島的設(shè)備檢修

核電站大修之前會(huì)制定相關(guān)的大修計(jì)劃，大修計(jì)劃一般分為主線計(jì)劃和輔線計(jì)劃，主線計(jì)劃主要用于控制關(guān)鍵項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)，輔線計(jì)劃主要包含大修預(yù)檢、常規(guī)島主機(jī)檢修、常規(guī)島輔機(jī)檢修、核島檢修、核島人員控制等。以秦山核電2007年10月開展的30 萬kW機(jī)組的換料大修為例，需要完成的檢修項(xiàng)目多達(dá)7255項(xiàng)，重大設(shè)備改進(jìn)項(xiàng)目37項(xiàng)，而大修的計(jì)劃工期只有68 d；而田灣核電一號機(jī)組在2007年底進(jìn)行的大修項(xiàng)目則包含共計(jì)約9700余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)檢修項(xiàng)目，約370余項(xiàng)設(shè)備改進(jìn)項(xiàng)目，并且在大修期間發(fā)生多項(xiàng)計(jì)劃外工況，整個(gè)大修工期約達(dá)到100 d[6]。

目前沒有過MR技術(shù)在核電站換料大修中的應(yīng)用報(bào)道，但是參考其他行業(yè)，例如德國蒂森克虜伯公司在電梯維保工作中使用Holoens輔助操作，將工作效率提高了約4倍。

3.2 MR技術(shù)在大修預(yù)檢中的應(yīng)用概述

在大修預(yù)檢時(shí)，需要根據(jù)制定的大修計(jì)劃，對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行提前檢查，同時(shí)檢查各項(xiàng)準(zhǔn)備工作是否充分，備品備件是否齊全，工器具狀態(tài)是否良好，設(shè)備狀態(tài)是否滿足大修換料條件。

但是在實(shí)際的預(yù)檢過程中，核島及常規(guī)島設(shè)備極其龐雜，涉及到的設(shè)施設(shè)備分布在核電廠的各個(gè)位置，并且經(jīng)過一個(gè)周期的使用，部分設(shè)施的狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生改變，難以及時(shí)作出判斷，這就必然導(dǎo)致預(yù)檢效率低下和人力物力的巨大消耗。

針對上述問題，通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以預(yù)先將所有待檢設(shè)備的正常狀態(tài)儲(chǔ)存到個(gè)人佩戴的MR設(shè)備上，通過室內(nèi)定位技術(shù)引導(dǎo)檢修人員按照最佳的行進(jìn)路線執(zhí)行檢修工作。到達(dá)預(yù)定的檢修點(diǎn)后，MR設(shè)備自動(dòng)識(shí)別出需要檢查的設(shè)備、備品備件及工器具，同時(shí)在MR頭盔上展示設(shè)備應(yīng)有的狀態(tài)，便于檢修人員對比檢查；對于復(fù)雜設(shè)備或者零件，還可以通過遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)獲得專家的在線支持，并且將檢修完畢的狀態(tài)進(jìn)行記錄。

相比于查閱手冊的方式，使用MR技術(shù)可以解放操作人員的雙手，后者所展示的信息也更加豐富直觀，能極大地提高預(yù)檢的效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況，為后續(xù)的換料大修工作打好基礎(chǔ)。

3.3 MR技術(shù)在常規(guī)島主輔機(jī)檢修中的應(yīng)用概述

在常規(guī)島檢修過程中，檢修人員需要對照維修手冊逐項(xiàng)進(jìn)行對比檢查及維修，對于復(fù)雜設(shè)備還需使用專用操作工具并且多人配合操作，這就對維修人員的維修技能提出了較高的要求，同時(shí)效率也會(huì)大大降低，人因失誤風(fēng)險(xiǎn)增高。

對于超出維修手冊之外的意外工況，或者在維修過程中產(chǎn)生的誤操作，目前也無法及時(shí)向相關(guān)的專家求助。例如在田灣1號機(jī)組首次大修期間，發(fā)生了異物掉入了壓力容器的事故，于是暫?，F(xiàn)場的工作，討論制定相應(yīng)的處置方案，最后由現(xiàn)場人員實(shí)施，前后花費(fèi)整整2 d時(shí)間。電站廠房隔間多達(dá)上千座，電站運(yùn)維檢修人員走錯(cuò)機(jī)組隔間的事件常有發(fā)生，這將導(dǎo)致正常機(jī)組的意外停堆、設(shè)備損壞甚至人員傷亡。雖然通過設(shè)置標(biāo)志物、強(qiáng)化現(xiàn)場人員的培訓(xùn)可以一定程度上解決上述問題，但是各個(gè)隔間的開閉狀態(tài)時(shí)常發(fā)生變化，單純依靠標(biāo)志無法根本解決這一問題。

在核電站大修換料過程中，人因失誤造成的計(jì)劃外事件占全部計(jì)劃外事件的比例超過75%。例如，自大亞灣核電站建成運(yùn)行以來，在歷次大修中人因事件占所有意外事件的90%[7]。因此減少人因事件，降低由于人的安全意識(shí)薄弱、作業(yè)技能不熟練等因素造成的意外事件是目前核電站大修換料急需解決的問題之一。

針對上述常規(guī)島檢修過程中的問題，可以通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將檢修手冊上的對應(yīng)信息實(shí)時(shí)投影到正在維修的設(shè)備上面，對于復(fù)雜設(shè)備還可以使用誘導(dǎo)操作的模式，引導(dǎo)一名或者多名操作人員完成復(fù)雜設(shè)備的拆裝維修工作，這樣即使對設(shè)備本身完全不了解，甚至是毫無工作經(jīng)驗(yàn)的人員，也可以完成復(fù)雜設(shè)備的維修工作。

對于維修手冊外的意外工況，也可以在線獲得專家的支持，完成對意外工況的處理。

而對于電站廠房隔間過多、容易走錯(cuò)的情況，可以利用MR設(shè)備結(jié)合室內(nèi)高精度定位技術(shù)，對佩戴者進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，然后根據(jù)預(yù)存的廠房地圖及目的地的相對位置，生成最短的行走路徑，并且可以根據(jù)隔間及各個(gè)通道的開閉情況，避開封閉的通道，極大地提高人員轉(zhuǎn)移效率，同時(shí)也避免了人員走錯(cuò)隔間的事件發(fā)生。

通過上述相應(yīng)技術(shù)手段，可以大大降低人因事件發(fā)生，減少意外工況的發(fā)生，縮短換料大修周期。

3.4 MR在核島檢修及人員控制中的應(yīng)用

對于核島主機(jī)維修，除了在常規(guī)島維修時(shí)應(yīng)用到的技術(shù)之外，核島主、輔檢修還有區(qū)別于常規(guī)島的特點(diǎn)：1）核島在正常運(yùn)行期間不允許人員進(jìn)入，因此檢修核島設(shè)備的維修經(jīng)驗(yàn)較少；2）相比于常規(guī)島，核島現(xiàn)場輻射管理、人員劑量管理更為嚴(yán)格，需要極力避免人員輻照劑量超標(biāo)。

通過MR技術(shù)，可以利用MR技術(shù)的操作培訓(xùn)功能，在操作人員無法進(jìn)行實(shí)物操作的時(shí)候，通過一比一的虛擬操作，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的熟悉，豐富維修人員的經(jīng)驗(yàn)，例如在航天員的訓(xùn)練當(dāng)中引入MR技術(shù)，引導(dǎo)航天員完成相關(guān)的航天器控制模擬操作，或者空間站實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作。在田灣核電站RMS系統(tǒng)的安裝時(shí)（如圖2），現(xiàn)場操作人員提出了一種區(qū)別于原有安裝方案的全新方案，能夠極大提高操作的效率，減少人員操作，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，但是新方案的操作流程從未實(shí)際應(yīng)用，多項(xiàng)設(shè)備也為首次應(yīng)用，而堆上操作必須保證一次成功，這對現(xiàn)場安裝技術(shù)人員提出了巨大的挑戰(zhàn)。如果前期應(yīng)用MR技術(shù)進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練，并且在實(shí)際操作的時(shí)候進(jìn)行逐步逐人誘導(dǎo)操作，能夠極大降低操作風(fēng)險(xiǎn)，提高操作效率。

圖2 RMS系統(tǒng)安裝示意圖

對于現(xiàn)場的輻射管理，可以根據(jù)現(xiàn)場電廠劃分的輻射控制區(qū)（紅區(qū)、橙區(qū)、黃區(qū)和綠區(qū)），建立空間的“輻射地圖”，通過顯示頭盔展示在佩戴者眼前，相比于傳統(tǒng)的標(biāo)志指示可以更加準(zhǔn)確直觀地提示現(xiàn)場人員，并且利用MR技術(shù)的數(shù)據(jù)可視化和空間三維顯示技術(shù)，可以顯示核島各個(gè)區(qū)域的輻射水平，佩戴MR頭盔的工作人員可以隨時(shí)看到自己所處環(huán)境的輻射劑量，以及自己的輻射劑量。

但是在核電站換料大修期間，由于放射源的改變，具有放射性設(shè)備的更換、維修和存放，導(dǎo)致電廠空間輻射水平發(fā)生變化，輻射控制區(qū)的等級會(huì)發(fā)生較大變化，完全按照已有的標(biāo)志將難以實(shí)現(xiàn)人員輻射劑量的精確管理。因此，通過MR技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場輻射監(jiān)測儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即時(shí)建立空間的“輻射地圖”，就可以反映大修現(xiàn)場實(shí)際輻射場分布，從而實(shí)現(xiàn)輻射控制區(qū)的精確化管理，消除人員受到過量照射的風(fēng)險(xiǎn)。極大方便對現(xiàn)場人員的輻射安全管控和人員劑量管理。

3.5 核電站換料演示

核電站反應(yīng)堆換料是整個(gè)換料大修項(xiàng)目中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，安全、高效的換料方案對縮短整個(gè)換料大修周期、減少人員輻照劑量、保證電站安全穩(wěn)定地運(yùn)行具有決定性作用。核電站燃料布置如圖3所示。

圖3 核電站燃料布置示意圖

核電站換料模式常見的有“全進(jìn)全出”、“堆內(nèi)倒換”、“邊進(jìn)邊出”3種模式，除此之外還有應(yīng)急情況下，對破損燃料的應(yīng)急更換，例如田灣一號機(jī)組在U1C5運(yùn)行過程中，為應(yīng)對反應(yīng)堆內(nèi)出現(xiàn)燃料組件破損情況，提出對破損燃料進(jìn)行更換，并適當(dāng)調(diào)整其他燃料組件位置的緊急換料方案[8]。

換料過程最關(guān)注的便是換料的核安全性及換料的效率。為了對比不同換料方案的優(yōu)劣，除進(jìn)行必要的理論計(jì)算之外，還需要進(jìn)行換料的模擬操作。傳統(tǒng)的方式是利用卡片、縮比模型進(jìn)行模擬演示，利用換料經(jīng)驗(yàn)估算出每個(gè)操作環(huán)節(jié)的時(shí)間，從而大致推算出整個(gè)換料操作的時(shí)間。

而在混合現(xiàn)實(shí)的支持下，可以按照核島及反應(yīng)堆實(shí)際工況進(jìn)行一比一三維建模，模擬不同方案的反應(yīng)堆換料操作，并且可以依據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)或者可能出現(xiàn)的意外情況，模擬意外工況的發(fā)生，并驗(yàn)證應(yīng)急方案是否能夠解決問題，模擬換料完成的時(shí)間即可認(rèn)為是實(shí)際操作完成的時(shí)間。

同時(shí)在換料操作過程中，亦可以使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助操作，實(shí)現(xiàn)對燃料裝卸全過程把控，減少人因失誤，提高換料的安全性和效率。

3.6 存在的問題

應(yīng)用MR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備輔助核電站換料大修還存在以下問題：1）設(shè)備三維建模工作量巨大，核電站設(shè)備眾多，廠區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，MR技術(shù)應(yīng)用需要進(jìn)行大量設(shè)備的三維建模和現(xiàn)場環(huán)境的三維重建，在前期需要投入較大的人力物力；2）目前MR設(shè)備及技術(shù)發(fā)展不夠成熟，其中的關(guān)鍵功能——手勢指令、機(jī)器視覺識(shí)別等受限較大，在復(fù)雜環(huán)境下的準(zhǔn)確率無法保證；3）MR設(shè)備的許多功能需要借助服務(wù)器完成，并且各個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換也需要時(shí)刻保持無線連接。

4 結(jié)語

1）介紹了MR技術(shù)基本概念，描述了核電站換料大修的基本過程和目的要求，簡要介紹了MR技術(shù)目前在各行各業(yè)中的應(yīng)用場景。

2）基于MR技術(shù)的特點(diǎn)，并且結(jié)合其在其他行業(yè)中的應(yīng)用，梳理了在核電站大修換料流程中MR設(shè)備的使用場景，包含在大修預(yù)檢中的應(yīng)用、在核島及常規(guī)島設(shè)備檢修中的應(yīng)用、在反應(yīng)堆換料中的應(yīng)用，等等。對比說明了MR設(shè)備輔助大修換料的優(yōu)勢，包括但不限于提高換料大修效率、降低人員安全風(fēng)險(xiǎn)、方便現(xiàn)場進(jìn)行人員設(shè)備的管理，等等。

3）說明了目前階段在核電換料大修中使用MR設(shè)備存在的難點(diǎn)。