CN113299139A - 核电站主泵维修虚拟仿真平台及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核电站主泵维修虚拟仿真平台及其构建方法，具体涉及核电站仿真平台开发技术领域，包括学习模块、实训模块、考核模块和成绩评估四大功能模块，所述学习模块的功能可以让实训人员对主泵维修的内容进行学习。本发明通过基于相同的设计参数构造核电站仿真平台，使得本发明以高性能图形计算机支撑的Unreal实时画面引擎为核心，集成激光扫描数据采集、高仿真物理环境和实时编辑培训任务方案，全身运动捕捉和强大的后台考核系统，使得培训人员可以快速的得知自己的问题所在，使得本发明突破传统培训的设备、地域和场景局限，使得高危行业虚拟仿真平台发挥互联网+的作用，从而构建全新的安全生产培训模式，可以大幅度的提高培训效果。

Description

核电站主泵维修虚拟仿真平台及其构建方法

技术领域

本发明涉及核电站仿真平台开发技术领域，更具体地说，本发明涉及核电站主泵维修虚拟仿真平台及其构建方法。

背景技术

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，核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一，但是由于核电站大多数关键设备存在放射性，所以受到设备、地域和场景的局限，使得待培训人员不可能进行实地学习，因此大多数的培训都通过仿真系统来实现，但是现有技术中的核电站维修仿真平台仅仅只能实现在电脑设备中的仿真，难以让待培训人员真实的完成维修过程，而且难以在培训人员培训过程中自动对其评分考核，使得培训人员难以快速的找到问题所在，使得培训效果不够理想。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了核电站主泵维修虚拟仿真平台及其构建方法，本发明所要解决的技术问题是：由于核电站大多数关键设备存在放射性，所以受到设备、地域和场景的局限，使得待培训人员不可能进行实地学习，因此大多数的培训都通过仿真系统来实现，但是现有技术中的核电站维修仿真平台仅仅只能实现在电脑设备中的仿真，难以让待培训人员真实的完成维修过程，而且难以在培训人员培训过程中自动对其评分考核，使得培训人员难以快速的找到问题所在，使得培训效果不够理想的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：核电站主泵维修虚拟仿真平台，包括学习模块、实训模块、考核模块和成绩评估四大功能模块，所述学习模块的功能可以让实训人员对主泵维修的内容进行学习，整个学习过程由技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色带领实训人员到达虚拟仿真平台中进行讲解介绍并互动，同时还有详细的参考资料和讲解文本说明指导实训人员进行学习。

所述实训模块的功能是让实训人员可以通过VR设备在建立的核电站虚拟仿真平台中进行自由的观察和行走，使得实训人员可以快速的了解到核电站内部的真实环境和各个设备的分布和位置，同时还可以通过与技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色进行沟通对话询问，以便于快速的了解实训内容，通过在虚拟环境中模拟主泵的现场和维修操作过程让参与者生动直观的了解主泵维修，并且将维修主泵的步骤分割成一个个任务依次完成，同时仿真平台中具有背包系统，可以从背包中拿出所需要的工具进行拆装操作，同时采用精确到手指动作的VR全身互动设备可以实时模仿用户的手部姿势状态，并在网络同步后可以看到其他实训人员的手势，从而实现使用手势进行交流。

所述考核模块的功能是为了考核实训人员的学习情况，然后采用一个教员端和两个实训人员端的模式进行虚拟演练，使得实训人员可以选择相应的工具进行相应的步骤，选择错误会进行扣分，这样会更清晰明确的学习到电缆维修的步骤，同时结合自主研发的虚实结合技术体验模块进行VR触觉模拟，可以体验到真实场景中的维修触感，所述成绩评估模块的功能是对实训人员的操作进行评判，在培训结束后，根据事先确定的评分规则对学员在培训过程中的操作与事故处理自动评分。

作为本发明的进一步方案：所述学习模块中的参考资料包括相关教材，重点知识和标准规范，同时在学习模块学习的过程中技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色会通过提问的形式检查学生的学习情况。

作为本发明的进一步方案：所述维修主泵任务的分割步骤可以为校验螺栓、旋拧螺丝和拆下螺栓。

一种核电站主泵维修虚拟仿真平台的构建方法，包括以下步骤：

S1、建立环境仿真模块：

通过激光扫描真实场景，根据待模拟的核电站本体及其内部自身的形状结构建立核电站本体的三维仿真模型，并添加高品质模型贴图，制作出核电站场景，然后读取主泵的文件资料数据，并制作主泵仿真模型。

S2、建立设备仿真模块：

采用专业3D软件来制作设备的三维立体图形，制作时统一选择同一视角来制作，主要是使用圆环、圆柱以及圆台等标准几何体和一些扩展几何体，通过旋转、缩放和修改其参数，再加入灯光，并使用材质渲染而成，制作完成之后将建立好的设备立体图保存为bmp文件，再经过最新版Photo shop处理之后，作为设备模型导入到核电站场景中，然后建立设备模型中各物项的名称与其所在房间位置的映射关系。

S3、建立实体仿真模块：

对实训人员的人体进行扫描，并通过VR设备与核电站场景进行融合连接，并建立背包模型，背包内放置一些主泵维修所能用到的工具，并录制一些三维虚拟教学视频加入到核电站场景中，从而进一步对核电站场景进行完善。

S4、建立事件仿真模块：

根据培训内容，制作出真实世界中培训内容的事件，可根据各行业考核特点自由要编排各种培训内容事件，并分别进行保存，在考核中能够随时导入，另外也可以通过人为的制造事故，例如误操作导致的故障，然后保存现场，作为一种事故类型，供运行人员进行事故处理培训时使用，同时建立多人联网任务系统。

S4、建立监控记录模块：

添加VR全身互动，并将实时采集的实训人员数据和核电站仿真平台的运行数据编织成教案进行回访。

S5、建立后台考核系统：

建立考核标准，并将监控记录模块记录的数据与考核标准进行对比，从而得出基于考核标准的考核分数，并根据考核标准对分数进行分析，给出全面的考核报告。

S6、建立系统管理平台：

建立用户管理模块、项目管理模块及将各子系统的接口数据进行统一管理，同时建立用户登录权限和登录安全保护系统。

作为本发明的进一步方案：所述S2中的3D软件为3D Max5.0。

作为本发明的进一步方案：所述S1中主泵的文件资料数据包括反应堆冷却技术规范数据、反应堆安全分析数据、主泵运行数据、主泵图纸数据、主泵仪表数据和监测点编码。

作为本发明的进一步方案：所述S4中添加的VR全身互动为精确到手指的VR全身互动设备。

作为本发明的进一步方案：所述S5中考核标准包括维修结果、维修时间、操作顺序和操作流畅度。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过基于相同的设计参数构造核电站仿真平台，并平行运行核电站仿真机和物理核电站，实时获取核电站仿真机输出的预测参数和物理核电站的运行参数，并通过设置学习模块、实训模块和考核模块，使得本发明以高性能图形计算机支撑的Unreal实时画面引擎为核心，集成激光扫描数据采集、高仿真物理环境和实时编辑培训任务方案，全身运动捕捉和强大的后台考核系统，使得培训人员可以快速的得知自己的问题所在，使得本发明突破传统培训的设备、地域和场景局限，使得高危行业虚拟仿真平台发挥互联网+的作用，从而构建全新的安全生产培训模式，可以大幅度的提高培训效果。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

核电站主泵维修虚拟仿真平台，包括学习模块、实训模块、考核模块和成绩评估四大功能模块，学习模块的功能可以让实训人员对主泵维修的内容进行学习，整个学习过程由技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色带领实训人员到达虚拟仿真平台中进行讲解介绍并互动，同时还有详细的参考资料和讲解文本说明指导实训人员进行学习，通过虚拟角色带动培训人员的学习，不仅可以让培训人员有身临其境的感觉，而且教员的劳动强度也会大大降低。

实训模块的功能是让实训人员可以通过VR设备在建立的核电站虚拟仿真平台中进行自由的观察和行走，使得实训人员可以快速的了解到核电站内部的真实环境和各个设备的分布和位置，同时还可以通过与技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色进行沟通对话询问，以便于快速的了解实训内容，通过在虚拟环境中模拟主泵的现场和维修操作过程让参与者生动直观的了解主泵维修，并且将维修主泵的步骤分割成一个个任务依次完成，同时仿真平台中具有背包系统，可以从背包中拿出所需要的工具进行拆装操作，同时采用精确到手指动作的VR全身互动设备可以实时模仿用户的手部姿势状态，并在网络同步后可以看到其他实训人员的手势，从而实现使用手势进行交流。

考核模块的功能是为了考核实训人员的学习情况，然后采用一个教员端和两个实训人员端的模式进行虚拟演练，使得实训人员可以选择相应的工具进行相应的步骤，选择错误会进行扣分，这样会更清晰明确的学习到电缆维修的步骤，同时结合自主研发的虚实结合技术体验模块进行VR触觉模拟，可以体验到真实场景中的维修触感，成绩评估模块的功能是对实训人员的操作进行评判，在培训结束后，根据事先确定的评分规则对学员在培训过程中的操作与事故处理自动评分。

学习模块中的参考资料包括相关教材，重点知识和标准规范，同时在学习模块学习的过程中技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色会通过提问的形式检查学生的学习情况。

维修主泵任务的分割步骤可以为校验螺栓、旋拧螺丝和拆下螺栓。

一种核电站主泵维修虚拟仿真平台的构建方法，包括以下步骤：

S1、建立环境仿真模块：

通过激光扫描真实场景，根据待模拟的核电站本体及其内部自身的形状结构建立核电站本体的三维仿真模型，并添加高品质模型贴图，制作出核电站场景，然后读取主泵的文件资料数据，并制作主泵仿真模型。

S2、建立设备仿真模块：

采用专业3D软件来制作设备的三维立体图形，制作时统一选择同一视角来制作，主要是使用圆环、圆柱以及圆台等标准几何体和一些扩展几何体，通过旋转、缩放和修改其参数，再加入灯光，并使用材质渲染而成，制作完成之后将建立好的设备立体图保存为bmp文件，再经过最新版Photo shop处理之后，作为设备模型导入到核电站场景中，然后建立设备模型中各物项的名称与其所在房间位置的映射关系。

S3、建立实体仿真模块：

对实训人员的人体进行扫描，并通过VR设备与核电站场景进行融合连接，并建立背包模型，背包内放置一些主泵维修所能用到的工具，并录制一些三维虚拟教学视频加入到核电站场景中，从而进一步对核电站场景进行完善。

S4、建立事件仿真模块：

根据培训内容，制作出真实世界中培训内容的事件，可根据各行业考核特点自由要编排各种培训内容事件，并分别进行保存，在考核中能够随时导入，另外也可以通过人为的制造事故，例如误操作导致的故障，然后保存现场，作为一种事故类型，供运行人员进行事故处理培训时使用，同时建立多人联网任务系统。

S4、建立监控记录模块：

添加VR全身互动，并将实时采集的实训人员数据和核电站仿真平台的运行数据编织成教案进行回访。

S5、建立后台考核系统：

建立考核标准，并将监控记录模块记录的数据与考核标准进行对比，从而得出基于考核标准的考核分数，并根据考核标准对分数进行分析，给出全面的考核报告。

S6、建立系统管理平台：

建立用户管理模块、项目管理模块及将各子系统的接口数据进行统一管理，同时建立用户登录权限和登录安全保护系统。

S2中的3D软件为3D Max5.0。

S1中主泵的文件资料数据包括反应堆冷却技术规范数据、反应堆安全分析数据、主泵运行数据、主泵图纸数据、主泵仪表数据和监测点编码。

S4中添加的VR全身互动为精确到手指的VR全身互动设备，通过设置精确到手指的VR全身互动设备，使得培训人员在模拟主泵维修操作的过程中，可以精确到其手指的动作，同时也方便了培训人员与教员的手势沟通。

S5中考核标准包括维修结果、维修时间、操作顺序和操作流畅度，维修结果的分值占总评分结果的60％，维修时间的分值占总评分结果的20％，操作顺序的分值占总评分结果的10％，操作流畅度的分值占总评分结果的10％。

综上可知，本发明通过基于相同的设计参数构造核电站仿真平台，并平行运行核电站仿真机和物理核电站，实时获取核电站仿真机输出的预测参数和物理核电站的运行参数，并通过设置学习模块、实训模块和考核模块，使得本发明以高性能图形计算机支撑的Unreal实时画面引擎为核心，集成激光扫描数据采集、高仿真物理环境和实时编辑培训任务方案，全身运动捕捉和强大的后台考核系统，使得培训人员可以快速的得知自己的问题所在，使得本发明突破传统培训的设备、地域和场景局限，使得高危行业虚拟仿真平台发挥互联网+的作用，从而构建全新的安全生产培训模式，可以大幅度的提高培训效果。

最后应说明的几点是：虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.核电站主泵维修虚拟仿真平台，其特征在于，包括学习模块、实训模块、考核模块和成绩评估四大功能模块，所述学习模块的功能可以让实训人员对主泵维修的内容进行学习，整个学习过程由技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色带领实训人员到达虚拟仿真平台中进行讲解介绍并互动，同时还有详细的参考资料和讲解文本说明指导实训人员进行学习；

所述实训模块的功能是让实训人员可以通过VR设备在建立的核电站虚拟仿真平台中进行自由的观察和行走，使得实训人员可以快速的了解到核电站内部的真实环境和各个设备的分布和位置，同时还可以通过与技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色进行沟通对话询问，以便于快速的了解实训内容，通过在虚拟环境中模拟主泵的现场和维修操作过程让参与者生动直观的了解主泵维修，并且将维修主泵的步骤分割成一个个任务依次完成，同时仿真平台中具有背包系统，可以从背包中拿出所需要的工具进行拆装操作，同时采用精确到手指动作的VR全身互动设备可以实时模仿用户的手部姿势状态，并在网络同步后可以看到其他实训人员的手势，从而实现使用手势进行交流；

所述考核模块的功能是为了考核实训人员的学习情况，然后采用一个教员端和两个实训人员端的模式进行虚拟演练，使得实训人员可以选择相应的工具进行相应的步骤，选择错误会进行扣分，这样会更清晰明确的学习到电缆维修的步骤，同时结合自主研发的虚实结合技术体验模块进行VR触觉模拟，可以体验到真实场景中的维修触感，所述成绩评估模块的功能是对实训人员的操作进行评判，在培训结束后，根据事先确定的评分规则对学员在培训过程中的操作与事故处理自动评分。

2.根据权利要求1所述的核电站主泵维修虚拟仿真平台，其特征在于：所述学习模块中的参考资料包括相关教材，重点知识和标准规范，同时在学习模块学习的过程中技术工程师、维修负责人和主泵管理人员等虚拟角色会通过提问的形式检查学生的学习情况。

3.根据权利要求1所述的核电站主泵维修虚拟仿真平台，其特征在于：所述维修主泵任务的分割步骤可以为校验螺栓、旋拧螺丝和拆下螺栓。

4.一种核电站主泵维修虚拟仿真平台的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立环境仿真模块：

通过激光扫描真实场景，根据待模拟的核电站本体及其内部自身的形状结构建立核电站本体的三维仿真模型，并添加高品质模型贴图，制作出核电站场景，然后读取主泵的文件资料数据，并制作主泵仿真模型；

S2、建立设备仿真模块：

采用专业3D软件来制作设备的三维立体图形，制作时统一选择同一视角来制作，主要是使用圆环、圆柱以及圆台等标准几何体和一些扩展几何体，通过旋转、缩放和修改其参数，再加入灯光，并使用材质渲染而成，制作完成之后将建立好的设备立体图保存为bmp文件，再经过最新版Photo shop处理之后，作为设备模型导入到核电站场景中，然后建立设备模型中各物项的名称与其所在房间位置的映射关系；

S3、建立实体仿真模块：

对实训人员的人体进行扫描，并通过VR设备与核电站场景进行融合连接，并建立背包模型，背包内放置一些主泵维修所能用到的工具，并录制一些三维虚拟教学视频加入到核电站场景中，从而进一步对核电站场景进行完善；

S4、建立事件仿真模块：

根据培训内容，制作出真实世界中培训内容的事件，可根据各行业考核特点自由要编排各种培训内容事件，并分别进行保存，在考核中能够随时导入，另外也可以通过人为的制造事故，例如误操作导致的故障，然后保存现场，作为一种事故类型，供运行人员进行事故处理培训时使用，同时建立多人联网任务系统；

S4、建立监控记录模块：

添加VR全身互动，并将实时采集的实训人员数据和核电站仿真平台的运行数据编织成教案进行回访；

S5、建立后台考核系统：

建立考核标准，并将监控记录模块记录的数据与考核标准进行对比，从而得出基于考核标准的考核分数，并根据考核标准对分数进行分析，给出全面的考核报告；

S6、建立系统管理平台：

建立用户管理模块、项目管理模块及将各子系统的接口数据进行统一管理，同时建立用户登录权限和登录安全保护系统。

5.根据权利要求4所述的核电站主泵维修虚拟仿真平台的构建方法，其特征在于：所述S2中的3D软件为3D Max5.0。

6.根据权利要求4所述的核电站主泵维修虚拟仿真平台的构建方法，其特征在于：所述S1中主泵的文件资料数据包括反应堆冷却技术规范数据、反应堆安全分析数据、主泵运行数据、主泵图纸数据、主泵仪表数据和监测点编码。

7.根据权利要求4所述的核电站主泵维修虚拟仿真平台的构建方法，其特征在于：所述S4中添加的VR全身互动为精确到手指的VR全身互动设备。

8.根据权利要求4所述的核电站主泵维修虚拟仿真平台的构建方法，其特征在于：所述S5中考核标准包括维修结果、维修时间、操作顺序和操作流畅度。