陈茜，王坤，杨俊豪，陈相羽，马山林，万浩，徐世超，王晓童

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

1 概述

1.1 MR技术简介

人与机器交互方式是随着计算机技术的发展而演进变化的。在20世纪80年代，哈佛大学的Jaron Lanier[1]首次提出虚拟现实（Virtual Reality，VR）的概念，并逐渐被学术界认可。VR的定义可简述为：由电脑模拟的一种融合了视觉、听觉、触觉的三维虚拟世界。21世纪以来，虚拟现实设备开始落地应用，商业领域中有用于飞行员训练的飞行模拟器，在个人穿戴虚拟现实设备领域则有谷歌公司的Cardboard、三星公司的GEAR VR、Oculus Rift及HTC VIVE等，如图1所示。

图1 个人穿戴虚拟现实设备

而增强现实技术（Augment Reality,AR）的发展则要成熟得多。增强现实技术，顾名思义即是在真实世界中实时叠加相关的虚拟信息，给人的主观感受是虚拟世界“悬浮”或者“粘贴”在现实世界上。目前的应用包括战斗机和汽车的平视显示系统，用于个人穿戴的Google Glass等。

混合现实技术（Mixed Reality ,MR）则是在虚拟现实和增强现实的基础上发展而来的全新一代虚拟交互技术。相比于虚拟现实，增强现实技术融合了虚拟世界和真实世界,打破了两者的界限，相比于增强现实，混合现实技术可以实现虚拟世界和真实世界的互动[2]，而不仅仅是将信息简单叠加在真实世界之上。目前较为成熟的产品为微软公司的Hololens，并且已经在波音公司的新机型开发中获得了应用，相比原有工作方式，提高了大约40%的工作效率。

1.2 核电站换料大修简介

截止2019年1月，国内在运行的核电机组45台，在建机组11台，筹备中核电机组15台，每台机组1～2 a进行一次小修换料，约10 a进行一次大修换料[3-4]，因此后续国内核电站换料大修操作将更加频繁。如何安全、优质、高效地完成核电站换料大修工作，是目前亟待解决的难题。

核电站大修的目的是更换燃耗殆尽的燃料组件，同时对核岛、常规岛的相关设备进行检查、维修及改造升级，这是核电站运行过程中最为重要的工作之一。同时，在保证安全的前提下，尽可能缩短大修换料周期，减少换料检修人员的辐照剂量，也是各国核电站运营商普遍追求的目标。

2 国内外应用现状

目前MR技术在国内外主要有如下应用场景：

1）工业产品制造。在复杂产品的组装维修过程中，通过使用MR技术进行实时操作引导，可以使得从未接触过该产品的装配人员或维修人员，完成复杂产品的装配及维修。

2）模拟训练。通过使用MR技术，搭建与真实世界结合的仿真训练场景，可以完成诸如航天员训练、士兵的军事训练、飞机驾驶模拟训练等诸多训练，取代原本需要极高训练成本甚至无法实现的训练任务。

3）数据可视化。通过MR技术，可以在设备安装制造现场及其运行维护期间，将设备的各项技术资料、运行参数等实时叠加展示到对应的设备上，方便技术人员查阅，极大提高信息的使用效率；同时借助计算机三维成像技术，将传统的一维或者二维的数据通过3D模型展示出来，显著提高了数据的易读性。

4）运行维护。对于无法直接观测的设施设备，可以通过MR技术，使用设备内置各类传感器的监测数据，实时对设备进行可视化重建，并且准确反映设备的运行状态，这样就可以通过MR显示设备，对设备进行实时巡检，并且极大降低人员的劳动强度，提高巡检的效率，降低人因失误风险。目前，在火电厂运行维护指导及管网巡检中均有相关的应用研究。

在核电领域，MR技术主要应用于人员培训方面，例如：日本Fugen核电站的DEXUS系统，用于核电站退役解体的操作培训；欧洲原子能共同体的EURATOM系统，以及位于俄罗斯列宁格勒的VR换料模拟机等[5]；在国内则有学者提出基于大亚湾核电站的VRP平台，该平台利用虚拟现实技术实时展示电站中的辐射场分布，便于现场人员进行辐射剂量管理。

3 MR技术核电应用领域及构想

核电站的换料大修，是核电站运行过程中最为关键和重要的环节之一，也是一项极为复杂的系统工程，涉及的部门广泛、人员众多、设备庞杂，核电站大修换料的成功与否，直接决定了核电站的运行情况及电厂经济效益。电站换料大修主要可分为2个部分：1）核岛及常规岛的设备检修；2）反应堆燃料的卸出和新燃料装载。

3.1 核岛及常规岛的设备检修

核电站大修之前会制定相关的大修计划，大修计划一般分为主线计划和辅线计划，主线计划主要用于控制关键项目节点，辅线计划主要包含大修预检、常规岛主机检修、常规岛辅机检修、核岛检修、核岛人员控制等。以秦山核电2007年10月开展的30 万kW机组的换料大修为例，需要完成的检修项目多达7255项，重大设备改进项目37项，而大修的计划工期只有68 d；而田湾核电一号机组在2007年底进行的大修项目则包含共计约9700余项标准检修项目，约370余项设备改进项目，并且在大修期间发生多项计划外工况，整个大修工期约达到100 d[6]。

目前没有过MR技术在核电站换料大修中的应用报道，但是参考其他行业，例如德国蒂森克虏伯公司在电梯维保工作中使用Holoens辅助操作，将工作效率提高了约4倍。

3.2 MR技术在大修预检中的应用概述

在大修预检时，需要根据制定的大修计划，对关键设备进行提前检查，同时检查各项准备工作是否充分，备品备件是否齐全，工器具状态是否良好，设备状态是否满足大修换料条件。

但是在实际的预检过程中，核岛及常规岛设备极其庞杂，涉及到的设施设备分布在核电厂的各个位置，并且经过一个周期的使用，部分设施的状态已经发生改变，难以及时作出判断，这就必然导致预检效率低下和人力物力的巨大消耗。

针对上述问题，通过混合现实技术，可以预先将所有待检设备的正常状态储存到个人佩戴的MR设备上，通过室内定位技术引导检修人员按照最佳的行进路线执行检修工作。到达预定的检修点后，MR设备自动识别出需要检查的设备、备品备件及工器具，同时在MR头盔上展示设备应有的状态，便于检修人员对比检查；对于复杂设备或者零件，还可以通过远程专家系统获得专家的在线支持，并且将检修完毕的状态进行记录。

相比于查阅手册的方式，使用MR技术可以解放操作人员的双手，后者所展示的信息也更加丰富直观，能极大地提高预检的效率，及时发现各种异常情况，为后续的换料大修工作打好基础。

3.3 MR技术在常规岛主辅机检修中的应用概述

在常规岛检修过程中，检修人员需要对照维修手册逐项进行对比检查及维修，对于复杂设备还需使用专用操作工具并且多人配合操作，这就对维修人员的维修技能提出了较高的要求，同时效率也会大大降低，人因失误风险增高。

对于超出维修手册之外的意外工况，或者在维修过程中产生的误操作，目前也无法及时向相关的专家求助。例如在田湾1号机组首次大修期间，发生了异物掉入了压力容器的事故，于是暂停现场的工作，讨论制定相应的处置方案，最后由现场人员实施，前后花费整整2 d时间。电站厂房隔间多达上千座，电站运维检修人员走错机组隔间的事件常有发生，这将导致正常机组的意外停堆、设备损坏甚至人员伤亡。虽然通过设置标志物、强化现场人员的培训可以一定程度上解决上述问题，但是各个隔间的开闭状态时常发生变化，单纯依靠标志无法根本解决这一问题。

在核电站大修换料过程中，人因失误造成的计划外事件占全部计划外事件的比例超过75%。例如，自大亚湾核电站建成运行以来，在历次大修中人因事件占所有意外事件的90%[7]。因此减少人因事件，降低由于人的安全意识薄弱、作业技能不熟练等因素造成的意外事件是目前核电站大修换料急需解决的问题之一。

针对上述常规岛检修过程中的问题，可以通过混合现实技术，将检修手册上的对应信息实时投影到正在维修的设备上面，对于复杂设备还可以使用诱导操作的模式，引导一名或者多名操作人员完成复杂设备的拆装维修工作，这样即使对设备本身完全不了解，甚至是毫无工作经验的人员，也可以完成复杂设备的维修工作。

对于维修手册外的意外工况，也可以在线获得专家的支持，完成对意外工况的处理。

而对于电站厂房隔间过多、容易走错的情况，可以利用MR设备结合室内高精度定位技术，对佩戴者进行实时定位，然后根据预存的厂房地图及目的地的相对位置，生成最短的行走路径，并且可以根据隔间及各个通道的开闭情况，避开封闭的通道，极大地提高人员转移效率，同时也避免了人员走错隔间的事件发生。

通过上述相应技术手段，可以大大降低人因事件发生，减少意外工况的发生，缩短换料大修周期。

3.4 MR在核岛检修及人员控制中的应用

对于核岛主机维修，除了在常规岛维修时应用到的技术之外，核岛主、辅检修还有区别于常规岛的特点：1）核岛在正常运行期间不允许人员进入，因此检修核岛设备的维修经验较少；2）相比于常规岛，核岛现场辐射管理、人员剂量管理更为严格，需要极力避免人员辐照剂量超标。

通过MR技术，可以利用MR技术的操作培训功能，在操作人员无法进行实物操作的时候，通过一比一的虚拟操作，实现对设备的熟悉，丰富维修人员的经验，例如在航天员的训练当中引入MR技术，引导航天员完成相关的航天器控制模拟操作，或者空间站实验模拟操作。在田湾核电站RMS系统的安装时（如图2），现场操作人员提出了一种区别于原有安装方案的全新方案，能够极大提高操作的效率，减少人员操作，降低安全风险，但是新方案的操作流程从未实际应用，多项设备也为首次应用，而堆上操作必须保证一次成功，这对现场安装技术人员提出了巨大的挑战。如果前期应用MR技术进行模拟操作训练，并且在实际操作的时候进行逐步逐人诱导操作，能够极大降低操作风险，提高操作效率。

图2 RMS系统安装示意图

对于现场的辐射管理，可以根据现场电厂划分的辐射控制区（红区、橙区、黄区和绿区），建立空间的“辐射地图”，通过显示头盔展示在佩戴者眼前，相比于传统的标志指示可以更加准确直观地提示现场人员，并且利用MR技术的数据可视化和空间三维显示技术，可以显示核岛各个区域的辐射水平，佩戴MR头盔的工作人员可以随时看到自己所处环境的辐射剂量，以及自己的辐射剂量。

但是在核电站换料大修期间，由于放射源的改变，具有放射性设备的更换、维修和存放，导致电厂空间辐射水平发生变化，辐射控制区的等级会发生较大变化，完全按照已有的标志将难以实现人员辐射剂量的精确管理。因此，通过MR技术，根据现场辐射监测仪器的实时数据，即时建立空间的“辐射地图”，就可以反映大修现场实际辐射场分布，从而实现辐射控制区的精确化管理，消除人员受到过量照射的风险。极大方便对现场人员的辐射安全管控和人员剂量管理。

3.5 核电站换料演示

核电站反应堆换料是整个换料大修项目中的关键环节，安全、高效的换料方案对缩短整个换料大修周期、减少人员辐照剂量、保证电站安全稳定地运行具有决定性作用。核电站燃料布置如图3所示。

图3 核电站燃料布置示意图

核电站换料模式常见的有“全进全出”、“堆内倒换”、“边进边出”3种模式，除此之外还有应急情况下，对破损燃料的应急更换，例如田湾一号机组在U1C5运行过程中，为应对反应堆内出现燃料组件破损情况，提出对破损燃料进行更换，并适当调整其他燃料组件位置的紧急换料方案[8]。

换料过程最关注的便是换料的核安全性及换料的效率。为了对比不同换料方案的优劣，除进行必要的理论计算之外，还需要进行换料的模拟操作。传统的方式是利用卡片、缩比模型进行模拟演示，利用换料经验估算出每个操作环节的时间，从而大致推算出整个换料操作的时间。

而在混合现实的支持下，可以按照核岛及反应堆实际工况进行一比一三维建模，模拟不同方案的反应堆换料操作，并且可以依据已经出现或者可能出现的意外情况，模拟意外工况的发生，并验证应急方案是否能够解决问题，模拟换料完成的时间即可认为是实际操作完成的时间。

同时在换料操作过程中，亦可以使用增强现实技术辅助操作，实现对燃料装卸全过程把控，减少人因失误，提高换料的安全性和效率。

3.6 存在的问题

应用MR增强现实设备辅助核电站换料大修还存在以下问题：1）设备三维建模工作量巨大，核电站设备众多，厂区结构复杂，MR技术应用需要进行大量设备的三维建模和现场环境的三维重建，在前期需要投入较大的人力物力；2）目前MR设备及技术发展不够成熟，其中的关键功能——手势指令、机器视觉识别等受限较大，在复杂环境下的准确率无法保证；3）MR设备的许多功能需要借助服务器完成，并且各个设备之间的数据交换也需要时刻保持无线连接。

4 结语

1）介绍了MR技术基本概念，描述了核电站换料大修的基本过程和目的要求，简要介绍了MR技术目前在各行各业中的应用场景。

2）基于MR技术的特点，并且结合其在其他行业中的应用，梳理了在核电站大修换料流程中MR设备的使用场景，包含在大修预检中的应用、在核岛及常规岛设备检修中的应用、在反应堆换料中的应用，等等。对比说明了MR设备辅助大修换料的优势，包括但不限于提高换料大修效率、降低人员安全风险、方便现场进行人员设备的管理，等等。

3）说明了目前阶段在核电换料大修中使用MR设备存在的难点。