虚拟现实技术在核设施退役中的应用

虚拟现实技术在核设施退役中的应用摘要：法国CEA（法国原子能委员会）退役事业部开展了一项R&D研究开发项目，专门为退役项目提供先进的虚拟现实设计手段。

为此，建立了带有沉浸感、力感及声效功能的虚拟现实实验室。

多种虚拟现实软硬件的集成和应用，使用户与由计算机仿真的虚拟场景进行交互式的人-机操作。

该文简要介绍该实验室的虚拟现实系统平台构成，以及借助虚拟现实技术优化APM—马库尔乏燃料后处理中试厂414热室的退役操作方案。

希望对我国核设施退役及废物管理发挥参考和借鉴作用。

关键词：虚拟现实退役方案优化和验证对核设施的拆除和清理污染场址是世界各核设施运营单位面临的最大难题。

应对这一全球性的挑战，各国退役工作者既要制定安全、可靠的退役计划，又必须兼顾提高效率、降低费用等问题。

退役计划是一项系统工程，需要对各环节、技术方案的个体、整体及相互关联进行反复对比和推敲，既要利用现有科学技术手段，又要创新以达到最优化的退役过程的最优化和确保万无一失。

近年来，国外发达国家核燃料循环应用研发中心（如法国CEA、德国Karlsruhe、美国Hanford、英国BNFL等）不断开展了大量的先进退役应用研究工作，无论是从退役方案的性能指标，还是从项目经济性角度，借助虚拟现实技术进行退役方案可行性的验证和优化已经成为解决复杂退役难点和退役难题不可或缺的重要手段。

法国退役的同行介绍，在各种退役项目中，虚拟现实技术已经得到了广泛的认可并且被大量的运用。

对于核设施的退役项目，常规的做法是在二维图纸基础上进行退役方案设计，但针对某些较复杂的退役项目，采用绘制三维模型在此基础上再进行方案设计。

但是，借助虚拟现实技术解决复杂的退役项目和退役难点中的关键技术方案，虚拟现实技术在我国目前退役中的使用依然处于较为落后的状态。

该文将就虚拟现实技术在退役应用中的优势进行浅显的论述，重点介绍了法国马库尔APM军用生产堆乏燃料后处理中试厂退役项目中的一个高放热室的退役，借用虚拟现实技术优化退役操作方案和优化退役机具方案。

1 虚拟现实技术和实现途径CEA（法国原子能委员会）目前正在开展借助虚拟现实技术对其马库尔核燃料循环研究中心内后段的一些退役项目的拆除、清理以及整治改造等活动的操作方案验证和优化，目前开展采用虚拟现实技术的退役项目有UP1生产堆后处理厂、APM中试厂和PHENIX快堆。

CEA于2008年底在马库尔创建了沉浸感虚拟现实实验室（以下简称沉浸感实验室），下属于LSTD实验室。

通过情景模拟，目的是对退役操作方案和整治的可行性、可达性进行验证。

该实验室将为十余个退役项目提供设计上的技术支持。

1.1 虚拟现实的建模技术建模是对现实对象或环境的逼近真实的仿真模拟。

一般情况下，对象具有静态特征，包括位置、方向、材料和属性等特征，还具有运动特征，它反映对象的运动、行为、约束条件（如碰撞检测与响应）以及力的作用等。

虚拟对象的建模意味着对象的静态特征和运动特征各个方面的建模，也就是对形状、外观、运动学约束、智能行为和物理特性等方面的建模。

通过建模，既可以方便表达出复杂的、难以理解的运动学约束特征，又能够“试验”更多不同的退役方案，此外还可用于培训操作人员。

1.2 虚拟现实技术的实现方式退役过程虚拟现实技术由搭建虚拟现实系统和建模过程构成。

待退役设施的厂房建筑物的三维模型通过激光扫描或照相合成技术并辅以半自动的拟合软件获得，而退役机具的设备模型由三维造型软件设计得到。

剂量率的三维空间分布由专用的放射性仿真软件计算得到。

将设施的三维模型和退役机具的三维模型在虚拟现实平台上相融合，然后对其进行建模，一方面使对象具有基本的物理特性，另一方面使其遵循特定规律的运动学特点。

在完成了上述几何建模、对象虚拟、物理建模和行为建模后，即创建出了退役方案可能的场景，然后通过虚拟现实交互性设备和立体显示系统，即可进行操作演练，验证各种操作过程的可达性、可行性，该操作方式与真实退役工控机端的操作方式完全一致。

剂量率仿真用于优化退役操作方式，空间剂量率的分布情况可伴随上述退役操作方案而动态变化，以便及时调整退役方案。

2 虚拟现实技术在退役项目中的作用2.1 个人剂量防护的最优化目前，剂量评估的常用方法主要是根据距离辐射源的远近来估算。

但对于结构复杂，辐射源较多的环境，难以准确的估算出人员的所受剂量率，从而影响整个方案的工期和预算。

从欧美发达国家的退役经验表明，将可视化的虚拟现实与仿真计算相结合，利用辐射防护计算功能模块，可以快速计算作业现场空间任意位置、任意时刻的剂量率[1-3]，对指导退役方案以及现场实施非常方便有效。

2.2 退役机具设计方案及操作方案验证各退役设施之间相互存在差异，即便同类型设施甚至同一设施内的相似厂房环境也或多或少存在差异。

退役方案力求尽可能结合这些现状情况，使得退役机具（以下简称机具）在选用上要兼顾这些现状情况，做到一机多用途。

因此，借助虚拟现实技术就可以在“虚拟机”上验证机具的适用性，找出可满足退役项目的现有机具或提出需要进行适应性改进的具体技术要求。

这样可以及早发现问题，节省研发周期及费用。

从法国退役项目经验看，机具在研发过程中特别是在方案设计阶段，越早发现和暴露问题，越能够简化修改，而他们普遍采用的设计方法是借助虚拟现实技术。

借助虚拟现实平台的沉浸感演示、动作捕捉和力反馈等功能，可以试验和检查虚拟机的操作路径、可维护性和操作的可达性。

通过力反馈设备的人-机交互碰撞干涉检查功能，一方面通过定量比选不同拆除方案的拆除路径的优缺点，另一方面通过定量确定碰撞干涉点以确定操作路径。

并在此基础上规划并优化拆除路径、维修路径，确定拆除范围和相应的拆除方式。

2.3 便于表达和沟通通过虚拟现实平台对退役机具方案及退役遥控操作技术方案进行情景模拟演示，能够直观的呈现方案的整体思路，便于使审管部门、业主、供货商及设计人员之间的沟通和理解。

此外，可视化的方式可以暴露“原设想”方案实施过程中存在的安全隐患和不合理之处。

2.4 制作用于现实遥控操作的控制和监视系统的界面借助VR系统建立的机具模型、环境几何模型，和经过验证的操作路径，在退役实施时还将用于制作机具遥控操作控制和监视系统的界面。

3 虚拟现实技术在APM退役项目中高放热室退役的应用3.1 414热室介绍APM是法国的乏燃料后处理中试厂。

1962年开始调试运行，1997年结束生产活动关闭，目前该设施正在进行清理、去污和拆除工作。

414热室在APM后处理主工艺流程中的作用是化学首端的取样、澄清、料液贮存和浸煮。

其中主要设备有溶解器、离心分离机及戽斗流量计等，热室尺寸为20?m×4?m×6?m，内部工艺管线总长约5?km，受污染的设备管道总重约18?t。

退役初态源项调查结果显示，热室内热点数量为16个、周围剂量当量率为20?mSv/h。

由于残留的辐射源活度很高相应引起的剂量场水平不允许人工直接拆卸操作，所以退役方案设计采用偏安全的操作方式—采用远距离依靠遥控拆除整个设备室，但不排除调整操作方式、优化操作方案的可能。

对热室内设备、管道远距离遥控拆除机具选择采用了Maestro—主-从操作方式的电随动机械臂，需要依赖远距离遥控的方式进行。

位于414热室的一侧在设计之初就预留有专用通道，顶部设置了沿水平方向吊车轨道，作为检查、去污和退役拆除的进出路径。

3.2 远距离遥控操作机具方案3.2.1 Maestro机械手遥控远距离操作系统由两部分组成：主手和从手，见图1（左）所示。

Maestro为从动臂，是一种先进的核用远距离操作电随动的主-从式操作的电随动机械手[4-5]。

该手用于完成人员无法进入恶劣环境下且具有完成一定负荷和完成精细化程度较高任务的操作能力，如核污染区调查、维护/整改、切割和去污、清理污染环境等。

Maestro机械手可实现多任务操作，包括检查、维护、拆除和清理等。

该设备在复杂性、灵活性以及操作能力及操作方式方面，具有6个自由度、手臂伸直至2.0?m时可达105?kg，与同类型机械臂相比较具有突出优势，见图2。

此外，该机械手的控制模式，不仅可用在机器人控制模式（编程预教导—自动模式内），还可由操作者用操纵杆人工控制，既可借助也可不借助力反馈的管理模块实现。

主手由多关节的操作杆及控制系统组成。

控制系统采用笛卡尔坐标系，且该关节臂具有力反馈的功能。

主-从操作的随动控制系统采用TAO2000控制系统。

414热室的拆除，将是Maestro型机械臂首次被用于从头到尾拆除一个完整热室的案例。

3.2.2 机械手配套运载工装承载机械手进入414热室的配套运载工装是严格按照414热室的厂房及工艺设备布置特点并结合拆除任务的要求而设计的，是非标准化的工装设备[6]，设备方案三维模型简图见图3。

图中箭头显示了该吊车式运载工装的运动学特性—共有6个自由度，其中包括2个水平方向自由度、2个垂直方向自由度和2个旋转自由度。

该套工装通过位于升降机构上的托架承载Maestro从动臂和各种工具头沿热室长度方向上移动，其移动范围可以覆盖热室的各个区域、角落，长度方向上为20?m，垂直方向上为3?m。

运载工装由水平方向行走机构（以下简称：大车）、垂直升降机构、和车载托架（以下简称：小车）组成，另外在大车车体上还有管理Maestro脐带电缆格架和存放各种功能头的工具格架。

小车具有两个功能：可以在其上安装吊篮用于暂时存放拆卸、解体物，也可以安装夹具用于机械臂切割时握紧被拆除对象。

运载工装由原热室预留的吊车水平方向轨道由检修廊Ⅱ区进入热室Ⅰ区，检修廊用于在此对成套遥控操作设备进行组装、检修和拆卸，遥控操作的控制间设置在相邻区域的厂房Ⅲ区。

目前整套系统已完成工厂验收，待其在非放厂房内进行设备联动冷调试后，方可进入退役拆除工作(图3)。

4 结语本次采用虚拟现实技术进行退役方案的验证[7]，是CEA第一次采用该技术验证退役方案，同时也是Maestro机械手第一次被应用在全遥控拆除整个设备室的任务中。

为了实现对拆除方案情景模拟，建立具有沉浸感效果并辅以力感、声效等功能的虚拟现实实验室，情景模拟使用了厂房、机具及工装的三维模型、带有力反馈功能的物理引擎、动作捕捉和具有沉浸感效果的可视化立体演示系统有机结合，最终实现验证退役操作方案及机具设备方案的目的—可达性、可行性和可维护性。

方案验证及早发现和充分暴露问题，并及时在设计阶段做调整特别是设备方案，尽量减少制造后的修改工作量甚至翻车的风险。

通过这次尝试，体会之一首先是模型的精度。

如果模型的精度与现实情况有偏差，机器人或热室模型的准确度不足，将无法证实现场使用可否按照方案设计的步骤和方式实施。

体会之二是物理引擎也受到限制，这是由计算机的运算能力决定的。