CN114169170B - 一种核安全应急的虚拟仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核电厂三维仿真技术领域,公开了一种核安全应急的虚拟仿真系统,包括三维虚拟静态场景,所述虚拟静态场景内设置有核电厂几何模型、管道流体模型、辐射剂量显示模型和虚拟漫游用户模型,所述辐射剂量显示模型包括剖面剂量计算模块和维修剂量评估模块,所述剖面剂量计算模块用于对剖切后的管道流体模型进行剂量率计算,所述维修剂量评估模块用于计算虚拟漫游用户模型在三维虚拟静态场景进行模拟维修位移过程中所受剂量值;该系统估算实际情况下维修人员的伤害程度,从而估算实际情况下维修人员的伤害程度,避开辐射强度高的区域,选择在退役过程中积累较小剂量辐射的路径,减小维修人员的伤害,确保人员的安全。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂三维仿真技术领域,具体涉及一种核安全应急的虚拟仿真系统。
背景技术
由于核辐射剂量的不可感知性,借助虚拟现实技术的多感知性、沉浸感、交互性和构想性等特点,来模拟复杂危险的核电厂环境,有助于员工在核电厂检修与维护的过程中进行辐射防护的设计,现有的研究在虚拟现实的手段上表现形式较为单一,仅模拟核电环境,辅助人员了解整个核电厂构造和规模,并没有解决如何依据虚拟仿真系统减小实际工作人员在核电厂内检修时受到的核辐射剂量增加人员进入和核辐射站的安全性。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种核安全应急的虚拟仿真系统。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种核安全应急的虚拟仿真系统,包括三维虚拟静态场景,所述虚拟静态场景内设置有核电厂几何模型、管道流体模型、辐射剂量显示模型和虚拟漫游用户模型,所述虚拟漫游用户模型通过虚拟设备与用户连接,实现用户实际控制三维虚拟静态场景中的虚拟漫游用户模型位移,所述辐射剂量显示模型包括剖面剂量计算模块和维修剂量评估模块,所述剖面剂量计算模块用于对剖切后的管道流体模型进行剂量率计算,所述维修剂量评估模块用于计算虚拟漫游用户模型在三维虚拟静态场景进行模拟维修位移过程中所受剂量值。
在本发明中,优选的,所述三维虚拟静态场景整体还设置有均匀网格结构化的三维核辐射剂量数据场,三维核辐射剂量数据场依据对实际核电厂的核辐射剂量采样、过滤和插值后重构得到。
在本发明中,优选的,所述剖面剂量计算模块包括剖切动作模块,所述剖切动作模块包括沿坐标轴剖分组和沿对角剖切组,所述剖切动作模块与所述管道流体模型连接,所述剖切动作模块对所述管道流体模型进行切割操作。
在本发明中,优选的,剖面剂量计算模块包括剂量计算公式,剂量计算公式依据剖切动作模块确定,当沿x=ρ进行剖切时,对应的剂量计算公式为:
式中,Dx,y,z为三维网格剂量率,S为单位二维网格面积,D为剖面平均剂量。
在本发明中,优选的,所述辐射剂量显示模型还包括设备剂量计算模块,所述设备剂量计算模块用于计算三维虚拟静态场景中核电厂几何模型的核辐射剂量率,包括步骤:S01,指定计算设备模型;S02,获取设备的空间坐标信息V(Xi-j,Yp-q,Zm-n);S03,按照公式计算对应设备模型的剂量率:
在本发明中,优选的,所述维修剂量评估模块与所述虚拟漫游用户模型连接,模拟仿真人员在反应堆的检修工作,计算所受和辐射量包括如下步骤:S11,获取人体重心坐标;S12,与三维核辐射剂量数据场的坐标信息进行匹配,获取人体所受到核辐射剂量值;S13,将人体所受到核辐射剂量值与时间相乘,得到人员在核设备维修过程中受到的辐照剂量总量。
在本发明中,优选的,当人员在反应堆进行的检修作业是对多个设备时,人员收到的总辐照剂量等于每次维修过程和在辐射剂量场内移动所受剂量的总和。
在本发明中,优选的,虚拟设备包括HTC VIVE设备和HoloLens设备,用户佩戴设备后通过行走来控制虚拟漫游用户模型在三维虚拟静态场景位移,通过转动头部切换视角。
在本发明中,优选的,所述虚拟静态场景还包括路径规划模块,所述路径规划模块基于所述虚拟静态场景的网格地面,已经起点、操作点和终点,采用增强拓扑的进化神经网络算法进行路径规划。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明的系统可呈现核电厂的辐射剂量强度和区域分布,帮助工作人员避开辐射强度高的区域,选择辐射量较小的区域;通过虚拟人体模型辐射剂量的仿真计算,估算实际情况下维修人员的伤害程度,从而估算实际情况下维修人员的伤害程度,避开辐射强度高的区域,选择在退役过程中积累较小剂量辐射的路径,减小维修人员的伤害;以更好地方式呈现辐射场剂量率的分布,提高了人员在虚拟仿真中的训练效果,确保人员的安全。
附图说明
图1为本发明所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统结构框图。
图2为本发明所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统的剖面示意图。
图3为本发明所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统的辐射剂量示意图。
图4为本发明所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统的路劲规划示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,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。
需要说明的是,当组件被称为“固定于”另一个组件,它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件,它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件,它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1,本发明一较佳实施方式提供一种核安全应急的虚拟仿真系统,借助虚拟现实技术的多感知性、沉浸感、交互性和构想性等特点,来模拟复杂危险的核电厂环境,有助于员工在核电厂检修与维护的过程中进行辐射防护的设计,通过对虚拟环境下核电厂辐射剂量的可视化,可以初步判断设备的运作是否正常,然后对虚拟环境下人体的剂量进行仿真计算,从而能够有助于现实中降低人体的辐照剂量,本虚拟仿真系统包括三维虚拟静态场景,虚拟静态场景内设置有核电厂几何模型、管道流体模型、辐射剂量显示模型和虚拟漫游用户模型,虚拟漫游用户模型通过虚拟设备与用户连接,实现用户实际控制三维虚拟静态场景中的虚拟漫游用户模型位移,辐射剂量显示模型包括剖面剂量计算模块和维修剂量评估模块,剖面剂量计算模块用于对剖切后的管道流体模型进行剂量率计算,让操作人员直观的感受到作业环境中的辐射强度及分布,维修剂量评估模块用于计算虚拟漫游用户模型在三维虚拟静态场景进行模拟维修位移过程中所受剂量值,从而估算实际情况下维修人员的伤害程度,避开辐射强度高的区域,选择在退役过程中积累较小剂量辐射的路径,减小维修人员的伤害,确保人员的安全。
具体的,三维虚拟静态场景基于于Unity3D平台构建,为增强操作人员的沉浸体验,三维虚拟静态场景连接了虚拟设备,虚拟设备包括HTC VIVE设备和HoloLens设备,以满足不同人员的操作需求,人员佩戴设备后通过行走来控制虚拟漫游用户模型在三维虚拟静态场景位移,通过转动头部切换视角,增强人员的感知。三维虚拟静态场景中的核电厂几何模型和管道流体模型的搭建是通过核电厂几何场景在CAD、3DMAX等软件中搭建处理,转换格式之后导入Unity3D中后续开发得到,三维虚拟静态场景整体还设置有均匀网格结构化的三维核辐射剂量数据场,由于在核电厂的实际情况中,核辐射剂量的分布都是连续的,为了使场景中的辐射剂量场均匀显示,对实际核电厂的核辐射剂量采样、过滤和插值后重构得到三维核辐射剂量数据场,三维核辐射剂量数据场是均匀网格结构化数据,场景中任一最小立方体即为空间的三维网格,每一网格对应的有空间坐标,每一网格的剂量率和误差为固定值。
请参见图2,在本实施方式中,剖面剂量计算模块包括剖切动作模块,剖切动作模块包括沿坐标轴剖分组和沿对角剖切组,剖切动作模块与管道流体模型连接,剖切动作模块对管道流体模型进行切割操作,即对三维虚拟静态场景的空间网格进行拆分。
具体的,当沿坐标轴对管道流体模型进行剖切时,其沿x、y或z方向竖直穿过整个辐射场,形成一个二维的网格,每一二维网格的辐射剂量率等于该网格所属的三维网格剂量率,剖面剂量计算模块包括剂量计算公式,剂量计算公式依据剖切动作模块确定,当沿x=ρ进行剖切时,对应的剂量计算公式为:
式中,Dx,y,z为三维网格剂量率,S为单位二维网格面积,D为剖面平均剂量。
当沿对角剖切组进行剖切时,沿对角剖切的平面可以看做上述薄片斜切穿过整个辐射场,同理,得到该平面所经过的每一个三维网格的剂量率以及该平面的面积,最终求得这一剖面的平均剂量率。
请参见图3,在本实施方式中,辐射剂量显示模型还包括设备剂量计算模块,设备剂量计算模块用于计算三维虚拟静态场景中核电厂几何模型的核辐射剂量率,包括步骤:S01,指定计算设备模型;S02,获取设备的空间坐标信息V(Xi-j,Yp-q,Zm-n);S03,按照公式计算对应设备模型的剂量率:
即人员当选择指定的设备后,获得该设备的空间坐标信息,由于核辐射剂量率值是以空间坐标点的形式存在,计算设备占据的空间位置所对应的三维网格,得到网格对应的辐射剂量率,对这一空间范围内的剂量率求和,即该设备的剂量率,例如,设核反应设备占据的空间为V(Xi-j,Yp-q,Zm-n),设备剂量率为D,沿X轴从i到j,沿Y轴从p到q,沿Z轴从m到n的最小立方体剂量率为Dx,y,z,则该设备的剂量率为:
在本实施方式中,维修剂量评估模块与虚拟漫游用户模型连接,模拟仿真人员在反应堆的检修工作,计算所受和辐射量包括如下步骤:S11,获取人体重心坐标;S12,与三维核辐射剂量数据场的坐标信息进行匹配,获取人体所受到核辐射剂量值;S13,将人体所受到核辐射剂量值与时间相乘,得到人员在核设备维修过程中受到的辐照剂量总量。
具体的,工作人员在辐射环境中行走时,所受到的辐照剂量值与员工所处的三维虚拟静态场景的空间位置和其在该位置所停留的时间有关,虚拟核电厂空间位置反映出虚拟人体在当前位置的辐射剂量率值,而停留时间反映了虚拟人体在给定的核辐射条件下,接受辐射的累积情况,以人体重心在环境中所受到的剂量来表示整个人体模型在辐射环境下所受到的剂量值。通过将人体重心的位置坐标与三维核辐射剂量场的坐标信息进行匹配,得到人体所受核辐射剂量值的大小,然后再与时间相乘,即可得到工作人员在核设备维修过程中受到的辐照剂量总量。
工作人员在反应堆内进行的检修作业是基于一定的维修步骤进行的,在三维虚拟静态场景中进行模拟计算时,工作人员完成单个人体动作所受到的核辐射剂量值等于其在当前位置的辐射剂量率乘以工作人员在该位置停留的时间。例如工作人员在辐射环境下进行维修时,其操作主要分为以下几步:
(1)从A点出发,进入作业区,到达维修区B;
(2)在B进行维修工作;
(3)维修完成离开B,到达安全区域C,离开辐射环境;
记D为维修期间工作人员总共受到的辐射剂量,Dx-y为从x到y维修人员所受的平均剂量,tx-y为维修人员从x到y所用时间,Dz为维修人员在z处所受剂量,tz为维修人员在z处所耗时间,则工作人员在整个维修过程中所受剂量为:
D=DA-B·tA-B+DB·tB+DB-C·tB-C
进一步的,当人员在反应堆进行的检修作业是对多个设备时,人员收到的总辐照剂量等于每次维修过程和在辐射剂量场内移动所受剂量的总和。
如图4所示,在本实施方式中,还依据根据辐射剂量的分布情况,结合神经网络算法对员工的维修路径进行合理的规划,从而使得人员受到的辐射剂量是最少的,具体的虚拟静态场景还包括路径规划模块,路径规划模块基于虚拟静态场景的网格地面,已经起点、操作点和终点,采用增强拓扑的进化神经网络算法(NEAT)进行路径规划。
具体的,在三维虚拟静态场景中,地面为网格形式,工作人员在剂量场中行进的路径可转换为一组拓扑的网格连接,在区域允许行进的前提下,已知工作人员的起点、操作位置及终点,使用神经网络对虚拟人体路径选择进行训练,并基于遗传算法,通过交叉、变异等操作,来进化这一神经网络,从而获得最优路径,该算法采用现有算法,可规划出最优路径作为参考维修路径,再通过维修剂量评估模块评估,以快速判断该路径是否可作为安全最优的维修路径。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明,但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围,凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更,均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (7)
1.一种核安全应急的虚拟仿真系统,其特征在于,包括三维虚拟静态场景,所述虚拟静态场景内设置有核电厂几何模型、管道流体模型、辐射剂量显示模型和虚拟漫游用户模型,所述虚拟漫游用户模型通过虚拟设备与用户连接,实现用户实际控制三维虚拟静态场景中的虚拟漫游用户模型位移,所述辐射剂量显示模型包括剖面剂量计算模块和维修剂量评估模块,所述剖面剂量计算模块用于对剖切后的管道流体模型进行剂量率计算,所述维修剂量评估模块用于计算虚拟漫游用户模型在三维虚拟静态场景进行模拟维修位移过程中所受剂量值;
所述剖面剂量计算模块包括剂量计算公式,剂量计算公式依据剖切动作模块确定,当沿𝑥=进行剖切时,对应的剂量计算公式为:
式中,为三维网格剂量率,S为单位二维网格面积,D为剖面平均剂量;
所述辐射剂量显示模型还包括设备剂量计算模块,所述设备剂量计算模块用于计算三维虚拟静态场景中核电厂几何模型的核辐射剂量率,包括步骤:S01,指定计算设备模型;S02,获取设备的空间坐标信息;S03,按照公式计算对应设备模型的剂量率:
。
2.根据权利要求1所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统,其特征在于,所述三维虚拟静态场景整体还设置有均匀网格结构化的三维核辐射剂量数据场,三维核辐射剂量数据场依据对实际核电厂的核辐射剂量采样、过滤和插值后重构得到。
3.根据权利要求1所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统,其特征在于,所述剖面剂量计算模块包括剖切动作模块,所述剖切动作模块包括沿坐标轴剖分组和沿对角剖切组,所述剖切动作模块与所述管道流体模型连接,所述剖切动作模块对所述管道流体模型进行切割操作。
4.根据权利要求3所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统,其特征在于,所述维修剂量评估模块与所述虚拟漫游用户模型连接,模拟仿真人员在反应堆的检修工作,计算所受和辐射量包括如下步骤:S11,获取人体重心坐标;S12,与三维核辐射剂量数据场的坐标信息进行匹配,获取人体所受到核辐射剂量值;S13,将人体所受到核辐射剂量值与时间相乘,得到人员在核设备维修过程中受到的辐照剂量总量。
5.根据权利要求4所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统,其特征在于,当人员在反应堆进行的检修作业是对多个设备时,人员收到的总辐照剂量等于每次维修过程和在辐射剂量场内移动所受剂量的总和。
6.根据权利要求1所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统,其特征在于,虚拟设备包括HTC VIVE 设备和HoloLens设备,用户佩戴设备后通过行走来控制虚拟漫游用户模型在三维虚拟静态场景位移,通过转动头部切换视角。
7.根据权利要求1所述的一种核安全应急的虚拟仿真系统,其特征在于,所述虚拟静态场景还包括路径规划模块,所述路径规划模块基于所述虚拟静态场景的网格地面,已经起点、操作点和终点,采用增强拓扑的进化神经网络算法进行路径规划。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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