DOI:10.11991/yykj.201502008
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核设施运行一定年限后需要退出服役过程，由于其运行环境带有放射性，同时考虑到人员训练安全、训练成本等因素，使得退役工作存在很大难度。随着虚拟现实技术的快速发展，其已经被广泛应用于各个领域，目前世界有核国家普遍采用虚拟现实技术进行危险环境下的人员培训。国外对核设施退役方面的虚拟现实应用研究比较早，世界核工业界针对不同类型核设施退役取得了不少经验[1, 2]，相关的软件支持也得到了很多成果[3, 4, 5]。其中，比利时开发了用于工作前培训的三维可视化ALARA计划工具(VISIPLAN 3D ALARA planning tool)[6]；欧洲核能机构利用虚拟现实技术模拟退役拆除工作，并培训操作人员和评价拆除装置的性能[7]；巴西核工程研究所利用游戏引擎Unreal模拟辐射场三维场景，用于辐射场工作人员的培训[8]等。我国对于核设施退役方面的相关研究还十分缺乏。文中考虑到核设施退役的需求，运用虚拟现实技术开发了核设施退役场景仿真系统，工作人员通过与三维场景的交互，熟悉退役场景和工作流程，进而实现人员培训、提高操作安全性与优化退役方案的目的，研究成果可以为核设施退役工作提供一定的参考和借鉴。
1 核设施退役场景仿真系统构建核设施退役场景仿真系统基于Visual Studio.Net 2010平台，采用WPF开发。系统构建流程如图 1所示，主要分为3个部分：核设施三维建模、虚拟人动画建模、仿真程序的开发。
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| 图 1 系统构建流程 |
核设施与虚拟人的3D模型在UG中建立，根据三维模型各部分之间的父子关系，采用树状结构构建，建立好的模型需要进行大量的优化工作和必要的格式转换，最终获得精简准确的三维模型文件。研究中所使用的静态三维模型格式为“.obj”格式，“.obj”文件是Wavefront公司开发的一种标准3D模型文件格式，很适合用于不同3D模型格式之间的互导。核设施退役场景仿真系统中设计有模型导入接口，该接口按照树状层次结构转换和保存3D模型，能够将不同的设备模型导入到核设施退役场景仿真程序中，在此基础上进行静态场景仿真。模型导入后的效果如图 2所示。
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| 图 2 导入3D模型 |
1)模型操作
核设施退役场景仿真系统对3D模型的操作能力是实现布置虚拟场景、虚拟拆除演示功能的基础。3D模型在核设施退役场景仿真程序内部由WPF的Model3DGroup类按父子关系存储。利用碰撞检测判断所选模型所属的子Model3DGroup对象，可以对该部分模型进行删除、重定位和重定向。同理将此所选的子Model3DGroup对象作为父节点，可以添加其他3D模型。在执行模型操作时，首先选取模型上一点，通过碰撞检测获取该点处的最小Model3DGroup对象，通过将该对象与坐标变换工具绑定，实现对象与坐标变换工具的同步变换；若将此Model3DGroup对象作为父代容器，可以在其下添加另一子Model3DGroup对象，则实现模型的添加；相反，若将此Model3DGroup对象从父代节点移除，实现模型的删除操作。其中，3D模型平移的效果如图 3所示。
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| 图 3 平移3D模型效果 |
2)路径标记
为模拟实际退役工作人员在核设施场景中的工作过程，在核设施虚拟场景中需要给虚拟人员设计工作路径并提供辐照剂量最小的最优工作路径。工作路径的设计采用手动添加路径节点来完成，最优路径的搜索可根据具体需求通过优化算法获取，也可借鉴机器人领域相关的路径规划方法[9, 10]，本次研究采用局部导航算法[11]搜索最优路径。算法将路径节点数据通过剂量计算模块接口传递到三维场景中，在三维场景中通过在路径节点处添加路标和路线，将路径进行可视化展示。最优路径计算界面如图 4，最优路径在三维场景中的展示效果如图 5。
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| 图 4 最优路径计算界面 |
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| 图 5 三维场景最优路径展示 |
3)漫游
三维漫游是指在一个真实或假想场景的虚拟空间中，用户可以借助必要的外部设备从任意角度对环境进行观察，也称为交互式的虚拟漫游。研究中采用了3种漫游方式：自主漫游、路径漫游、视角切换漫游。自主漫游功能通过WPF的3D开发帮助类来实现。操作中采用鼠标和键盘作为控制器，控制各个角度的变换，增强虚拟场景的真实感。路径漫游是将摄像机和虚拟人关联，以虚拟人的视角按照预先设置的路径自行移动观察虚拟场景，路径漫游避免了自主漫游过程中较复杂的控制方式[12]。视角切换漫游根据用户预先保存的几组模型姿态或视角，摄像机平滑地从当前视角过渡到下一个视角，该方法适合用户对场景中几个常用的区域进行浏览。
路径漫游与视角切换漫游流程如图 6所示。
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| 图 6 漫游路径和视角切换漫游流程 |
自主漫游、路径漫游和视角切换漫游的实际效果如图 7所示。
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| 图 7 三种漫游效果 |
虚拟人模型由UG建模软件来建立，利用ZAM3D设计虚拟人动作，转换成XAML格式的资源供核设施退役场景仿真系统加载。ZAM3D是一种微型3D建模软件，它可以创建网格，并设计动画，能够将自己的输出文件导出成WPF能够识别的XAML文件。研究中将虚拟人、动作分别建立独立的模型资源，可实现模型的重复利用与资源重新组合，实现可扩展性。资源制作流程如图 8所示。
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| 图 8 资源制作流程 |
虚拟人仿真控制是人机交互的重要组成部分，用户通过人机界面、鼠标与虚拟对象交互，实现基本的工作演示。WPF提供了丰富的动画类集合[13]，研究中采用了关键帧动画，仿真程序内部通过动作列表中的动作序列，依次将不同动作资源与不同种类虚拟人进行重新组合绑定，完成虚拟人的动作切换衔接，实现工作序列的顺序模拟。其仿真设置流程如图 9所示。虚拟人的行为控制同样可以通过键盘直接进行操作。
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| 图 9 虚拟人动作设置流程 |
核设施退役场景仿真系统的仿真效果如图 10所示。图中操作序列为：1)布置虚拟场景，向虚拟场景中添加退役工具，并进行平移、旋转等操作，效果如图 10(a)所示；2)添加3个虚拟人，并手动为每个虚拟人设置工作路径，效果如图 10(b)所示；3)模拟多人工作场景，设置虚拟人动作序列，并控制播放，效果如图 10(c)、(d)所示，其中设置一位虚拟人拾起物体，设置另一位虚拟人观察场景，其他动作均设置为行走。
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| 图 10 核设施退役场景仿真效果 |
文中利用C#4.0语言实现了核设施退役场景仿真系统的开发，完成了3D模型导入、场景布置、路径设置、漫游等功能，并利用鼠标键盘等设备与核设施退役场景仿真系统交互，可以满足核设施退役三维场景操作、漫游的基本需求。研究中实现了虚拟场景中虚拟人的仿真控制，能够实现多人工作的设置与展示。通过实际3D模型的测试，核设施退役场景仿真系统能够实现核设施退役三维场景的虚拟现实仿真，为实现核设施退役的虚拟现实技术模块的开发提供一定的参考。
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