核电厂房三维寻路导航方法及系统

技术领域

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种核电厂房三维寻路导航方法及系统。

背景技术

随着各核电工程、运营单位数字化、智能化手段的引进和发展，以虚拟仿真技术为核心的三维数字电厂开始应用到核电工程建设及运营管理中。目前，各核电项目均开展正向三维设计，这些正向数字设计成果与积累的模型数据，为电厂后续建设与运营管理提供了关键的数据支撑。尤其，在电厂运营管理中，可利用三维设计数据，在三维核电厂的虚拟场景中进行一系列的工艺仿真、检修等工作的模拟推演，为现场操作人员提供直观、清晰、准确的辅助参考。

核电厂检修操作大多基于二维图纸资料或操作规程，检修一个设备往往需要先在核电厂房海量的设备与管道中，找到前往故障设备的路线。具体地，电厂设备维修目前一般是通过功能位置码，即根据电厂统一的功能位置编码，依次找到相应的房间，房间中的系统，系统中的设备。房间、系统和设备分别有各自的命名规则，例如RCP001GV，则代表核岛厂房中RCP系统的001号蒸汽发生器。如此根据功能位置码的分析结果，便可以去相应的厂房中找到该设备。因此，这种根据功能位置码寻找房间、系统设备的方式非常依赖操作人员对于核电厂房、系统设备的熟悉程度，对操作人员的个人技能和经验要求很高，尽管如此，仍存在以下缺陷：

1.效率低：核电厂房内部房间错综复杂，即便是具有丰富经验的操作人员也要谨慎查找，边走边看，以防走错房间、找错设备。另一方面，前往目的地往往会穿过多个厂房，走多余的路，很难找到一条最短路径到达目标点，浪费检修时间，拉低工作效率。

2.缺乏直观性：部分房间、系统设备编码名称相近，容易混淆，人眼查找缺乏直观性，从而导致不能准确定位，工作失误。对于难以到达的位置，往往不能确定其是否是要寻找的目标，也会产生错误判断。

因此，如何利用三维虚拟电厂快速定位厂房房间、系统设备，并且快速找到准确可行的到达路线，对于辅助检修人员现场操作具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述效率低、直观性差的缺陷，提供一种核电厂房三维寻路导航方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电厂房三维寻路导航方法，包括：

步骤S10.利用PDMS建模获取核电厂三维布置模型；

步骤S20.利用Unity3D虚拟仿真引擎，根据所述核电厂三维布置模型构建核电厂三维虚拟场景，而且，在所述三维虚拟场景中，将厂房按层划分，并在各层中设置中继点，以逐层烘焙导航网格；

步骤S30.在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点和终点，而且，基于分层导航网格，在所述三维虚拟场景中进行寻路计算，并根据寻路计算结果进行最优路径的动态导航演示。

优选地，所述步骤S30包括：

步骤S31.在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点和终点；

步骤S32.分别计算每层的层最优路径，并使用相应的中继点将每层的层最优路径合成最终的最优路径；

步骤S33.通过实时动态渲染，以第一或第三人称方式在所述最优路径上漫游浏览，以进行动态导航演示。

优选地，所述步骤S30还包括：

步骤S34.接收用户输入的封路设置信息，并在所述三维虚拟场景中添加封路障碍。

优选地，在所述步骤S32中，根据以下步骤计算每层的层最优路径：

获取该层的多条路径；

融合辐射因子和距离因子计算该层的多个寻路开销值，并将最小的寻路开销值所对应的路径作为该层的层最优路径。

优选地，所述步骤S30还包括：

步骤S35.接收用户设置的必经点，并将所述必经点与所述起点、所述终点、所述中继点一并存入路点队列；

而且，在所述步骤S32中，根据以下步骤计算每层的层最优路径：

根据相应必经点将该层分成多段，并计算每段的段最优路径，且将每段的段最优路径合成层最优路径。

优选地，还包括：

记录每次寻路计算的数据，并通过展示窗口输出。

优选地，还包括：

若判断所述目标物项不存在时，输出第一提示信息。

优选地，所述步骤S30还包括：

若根据寻路计算结果确定无最优路径存在，则输出第二提示信息，并判断是否需要继续寻路；

若需要继续寻路，则重新执行步骤S30。

本发明还构造一种核电厂房三维寻路导航系统，包括：

建模模块，用于利用PDMS建模获取核电厂三维布置模型；

虚拟仿真模块，用于利用Unity3D虚拟仿真引擎，根据所述核电厂三维布置模型构建核电厂三维虚拟场景，而且，在所述三维虚拟场景中，将厂房按层划分，并在各层中设置中继点，以逐层烘焙导航网格；

寻路导航模块，用于在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点/终点，而且，基于分层导航网格，在所述三维虚拟场景中进行寻路计算，并根据寻路计算结果进行最优路径的动态导航演示。

优选地，所述寻路导航模块包括：

定位子模块，用于在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点和终点；

寻路子模块，用于分别计算每层的层最优路径，并使用相应的中继点将每层的层最优路径合成最终的最优路径；

导航子模块，用于通过实时动态渲染，以第一或第三人称方式在所述最优路径上漫游浏览，以进行动态导航演示。

优选地，还包括：

记录模块，用于记录每次寻路计算的数据，并通过展示窗口输出。

本发明所提供的技术方案，可对用户输入的目标物项进行查找及定位，并根据寻路算法计算出最优路径，同时，用户可查看动态导航，演示整个寻路过程。而且，在核电厂房规模大、系统设备繁杂的情况下，采用分层烘焙导航网格的方式及基于分层导航网格进行最优路径的寻路计算，可解决常规寻路算法不收敛的问题。因此，可使用户快速、准确地到达目标点，提高了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明核电厂房三维寻路导航方法实施例一的流程图；

图2是本发明核电厂房三维寻路导航方法中步骤S10实施例一的流程图；

图3是本发明核电厂房三维寻路导航方法中步骤S30实施例一的流程图；

图4是本发明核电厂房内寻路导航的示意图；

图5A是设置封路信息前所生成的最优路径的示意图；

图5B是设置封路信息后所生成的最优路径的示意图；

图6是本发明寻路路点队列的示意图；

图7是本发明分段计算最优路线的示意图；

图8是本发明核电厂房三维寻路导航方法中步骤S30实施例二的流程图；

图9是本发明核电厂房三维寻路导航实施例一的逻辑结构图；

图10是图9中寻路导航模块实施例一的逻辑结构图。

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。

本发明在已有的核电正向设计数据基础上，利用虚拟仿真技术搭建等比例三维数字电厂，以CPR1000堆型为例，包含核岛各厂房的土建房间、系统、设备、管道等三维物项，基于虚拟场景中的路径规划算法与仿真技术，提出核电厂房寻路导航系统的设计方法，并实现了该系统的核心功能及移动端设备的部署，使得操作人员在现场环境下，可预先对关注的房间、设备进行检索寻路，同时提供导航方案，方便其快速找到去往目的地的最优路径，节省维修时间、提高维修效率。

图1是本发明核电厂房三维寻路导航方法实施例一的流程图，该实施例的核电厂房三维寻路导航方法包括以下步骤：

步骤S10.利用PDMS建模获取核电厂三维布置模型；

步骤S20.利用Unity3D虚拟仿真引擎，根据所述核电厂三维布置模型构建核电厂三维虚拟场景，而且，在所述三维虚拟场景中，将厂房按层划分，并在各层中设置中继点，以逐层烘焙导航网格；

步骤S30.在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点和终点，而且，基于分层导航网格，在所述三维虚拟场景中进行寻路计算，并根据寻路计算结果进行最优路径的动态导航演示。

该实施例的技术方案基于电厂正向三维设计成果，建立了核电厂核岛厂房内部的三维场景，并在场景中设计了一套用于厂房内部物项定位、寻路及导航的机制，可以在设备检修之前，查找并定位目标设备，根据寻路算法提供一条最优路径，同时可查看动态导航，演示整个寻路过程。另外，在核电厂房规模大、系统设备繁杂的情况下，采用分层烘焙导航网格的方式及基于分层导航网格进行最优路径的寻路计算，可解决常规寻路算法不收敛的问题。因此，方便在设备运维及检修工作中快速在系统中定位到指定的房间与系统设备，找到最快的、安全的到达路径。

进一步地，在步骤S10中，结合图2，利用PDMS(Plant Design Manage System，电厂设计管理系统)平台进行核电厂各专业布置模型的正向设计建模，包括寻路场景涉及到的土建、系统管道、阀门、占位设备(外观)、风管、支吊架、线缆托盘等，这些三维物项按照图纸工艺组合关联在一起，等比例模拟出电厂真实场景。PDMS建模输出为RVM格式的三维数据，利用Navisworks软件对一系列RVM文件进行组合与处理，最终输出为可进入虚拟仿真引擎的FBX格式模型数据。

进一步地，在步骤S20中，首先说明的是，Unity3D是一款主流的三维应用开发工具，开发人员可以用它快速搭建虚拟场景，从而把主要精力集中在应用功能开发上面。本发明系统的设计与实际开发工作，大部分在Unity3D环境下完成，并最终形成应用系统，具体地，利用Unity3D虚拟仿真引擎，构建核电厂房三维虚拟场景，并在虚拟场景中铺设用于寻路导航的路点信息，设置碰撞参数，引入分层机制，烘焙导航网格。

在一个具体应用中，由于步骤S10中形成的核电厂三维布置模型是搭建虚拟场景的主要数据来源，所以，FBX数据文件进入Unity3D后，会按照电厂三维物项的管理结构首先对数据进行整合优化，具体包括：模型结构、命名以及层级关系的调整，如对于同一系统或同一设备下的物项，需整理到同一子层级下，并规范其命名。这对于后续定位模块中检索三维物项是必要的准备工作。完成层级结构梳理与场景搭建之后，采用引擎的Navigation模块提供的导航网格烘焙功能，对场景进行烘焙渲染。这项工作是为了将场景中所有通路的路点信息、导航网格添加到场景中来，用于寻路计算，类似于给一座城市修路、装红绿灯，这些信息完善了，才能去计算到达某目的地的最短路径。而且，在烘焙导航网格时，引擎会自动计算带有碰撞信息的物项，例如墙体、管道、设备会形成阻挡信息，模拟寻路计算时是不应让人员穿过这些区域或物项的。像楼梯、孔洞这类物项。在烘焙导航网格之前，设置好它们的通过性参数，如直梯上下时设置跳转点，斜梯设置陡峭参数(坡度过大，认为不可通过，或通过成本过高)，孔洞设置通过阈值(孔洞过小，寻路时认为无法穿过)等。而且，在导航网格烘焙时，将厂房按层划分，并在各层设置中继点，例如，楼梯、直梯，并逐层烘焙渲染。另外，烘焙过程由仿真引擎自动执行，消耗时间取决于模型与场景的复杂程度，烘焙结束后场景中的所有可连通区域将成为寻路区域，这些区域表明是可以到达的。有了烘焙网格数据，寻路计算才可以开展。

进一步地，结合图3，步骤S30可包括以下步骤：

步骤S31.在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点和终点；

在该步骤中，可使用字符串匹配技术来定位场景三维物项，具体地，根据目标物项名称的功能位置码，执行模型数据字符串匹配算法(支持模糊检索)，定位检索到的物项并显示快照，快照提供全角度自由观察，关联的后台数据库可以显示出该检索物项的关联信息。同时，利用交互界面可将定位物项设置为寻路节点。

步骤S32.分别计算每层的层最优路径，并使用相应的中继点将每层的层最优路径合成最终的最优路径，即，寻路计算采用分层求取局部最优再合成全局最优的方式；

在该步骤中，可基于A*寻路算法，加入寻路区域分层机制，将寻路范围进一步细化，即局部最优最终形成全局最优。基于厂房基本三维模型结构及阻挡信息，完成当前地点到目标地点的最短可达路径计算，根据计算结果渲染路径线路，并给出相关的路径信息。

步骤S33.通过实时动态渲染，以第一或第三人称方式在所述最优路径上漫游浏览，以进行动态导航演示。

在该步骤中，可采用实时动态渲染，即，在最优路径上漫游浏览以及地图和三维场景的交互联动。同时，采用人机交互技术提供多个视角的观察体验，设置导航参数，如速度、视角、窗口切换及暂停恢复等。该步骤主要是面向用户的可视化渲染，将寻路结果以第一或第三人称方式运行一遍，包括地图导航、场景导航、窗口切换以及部分人机交互功能，如图4所示出的厂房内寻路导航的示意图，其中，右下角为地图。

在该实施例中，步骤S30具体包括定位、寻路、导航三个子步骤，即，首先实现目标物项查找与标定；再在寻路中实现路径规划与计算；最后完成前往目的地的实时移动浏览。另外需说明的是，由于核电厂房错综复杂，三维模型数据量较大，如采用常规的导航网格整体烘焙方式，消耗较大，且会导致寻路算法不收敛，无法找到最优解。而该实施例合理利用核电厂房分层结构，把导航网格划分为多个子层或子区域进行烘焙，将整体问题求解过程分解，局部找到最优解后再合并至一起，得到完整的最优路径，因此，提升了寻路计算效率，优化了算法性能。

在核电厂房现场，后期往往会有一些技术改造导致路径不通的情况(建模数据中无这些信息)，这便出现了三维虚拟场景与实际场景不一致的情况。因此，在一个可选实施例中，还在上述实施例的基础上进一步加入了自定义封路机制，具体地，步骤S30还包括：步骤S34.接收用户输入的封路设置信息，并在所述三维虚拟场景中添加封路障碍。

在该实施例的技术方案中，结合图5A、5B，用户可根据现场实际情况，在三维虚拟场景中动态添加封路障碍，添加的障碍信息将实时地加入到循环的寻路计算线程中，从而得到新的计算结果，以获取新的可达路径，而且，可自动避开添加障碍。因此，封路计算为电厂后期现场技术改造后期的路径规划提供辅助手段。

寻路计算一般是在三维虚拟场景中的起点物项与终点物项之间找到一条距离最短的路径(可达的情况下)。但是，核电厂房中尤其是核岛部分厂房存在辐射剂量，操作人员在现场进入或经过辐射区域时，应考虑尽量避免或降低其受到剂量的影响。因此，在一个可选实施例中，寻路计算可在上述实施例的基础上，除了考虑距离因子，还进一步融合考虑辐射因子，具体地，在步骤S32中，根据以下步骤计算每层的层最优路径：获取该层的多条路径；融合辐射因子和距离因子计算该层的多个寻路开销值，并将最小的寻路开销值所对应的路径作为该层的层最优路径。

在一个具体例子中，首先说明的是，常规的A*算法的寻路规则主要考虑两点间的距离因素，假设厂房中i点到j点间有n条可达路径，Dis tan ce(i,j)为两点路径长度函数，最短寻路开销为Cost(i,j)，那么则有公式(1)：

Cost(i,j)＝Min(Dis tan ce

该实施例的技术方案在计算寻路开销时，将辐射因子同时作为计算参数加入到算法中，设Radiation(i,j)为两点间路径上辐射剂量总和，两点间最短寻路开销Cost(i,j)如公式(2)：

Cost(i,j)＝Min(α·Dis tan ce

α·Dis tan ce

...,

α·Dis tan ce

其中，α和β分别为距离因素和剂量因素所对应的权重因子，可根据场景范围与辐射强度进行适应性设置。

在基于公式(2)进行寻路计算时，由于每次寻路计算时都将综合考虑路径长度和路径上的剂量水平，两者加权统计最小的则为最优路径。

通过该实施例的技术方案，在寻路机制中同时加入了距离因素和辐射剂量因素，计算结果更现实合理，降低现场人员工作过程中处于或经过辐射区域带来时的辐射风险。

在一个可选实施例中，还可在上述实施例的基础上，进一步加入必经点机制，具体地，步骤S30还包括：

步骤S35.接收用户设置的必经点，并将所述必经点与所述起点、所述终点、所述中继点一并存入路点队列；

而且，在步骤S32中，根据以下步骤计算每层的层最优路径：根据相应必经点将该层分成多段，并计算每段的段最优路径，且将每段的段最优路径合成层最优路径。

在该实施例中，在寻路计算过程中，可增加任意个中间节点，并将所有必经点存入如图6所示的路点队列，这些节点将在终点之前被依次遍历，具体为：如果起点之后的队列中只有一个节点，那么下个节点即是终点；如果队列中有多个节点，则将寻路计算分段，计算出每段(到达各必经点)的最优路径，最终形成层最优路径，如图7所示，当加入了必经点2后，先计算点1与2之间的段最优路径，再计算点2与3之间的段最优路径，最终形成层最优路径。而且，寻路过程加入必经点机制，方便多目标寻路，优化完整作业路径。

进一步地，在一个可选实施例中，在步骤S30之后，还包括：记录每次寻路计算的数据，并通过展示窗口输出。在该实施例中，通过在后台记录每次寻路计算的结果数据，形成寻路信息统计数据，例如包括：距离、辐射剂量等级、路径可达等信息，这些信息将通过数据展示窗口进行输出，方便用户了解每次寻路计算的后台信息以及相关计算结果数据。

在一个具体实施例中，结合图8所示的寻路导航的流程示意图，在该实施例中，在启动系统后，用户可输入目标物项，然后判断该目标五项是否存在，若不存在，则可输出第一提示信息，以供用户再次输入目标物项。

当判断目标物项存在时，可供用户设置起点、终点，然后再判断是否需要自定义封路，若需要，则可接收用户设置的自定义参数(封路设置信息)，然后更新寻路信息。

当判断不需要自定义封路时，开始进行封路计算，然后根据计算结果判断是否有最优路径存在/可达，若确定无最优路径存在，则输出第二提示信息，并判断是否需要继续寻路，如果需要继续寻路，则重新等待用户输入目标物项。

当确定有最优路径存在时，则可开始导航浏览，同时，进行信息统计。

图9是本发明核电厂房三维寻路导航系统实施例一的逻辑结构图，该实施例的寻路导航系统包括：建模模块10、虚拟仿真模块20和寻路导航模块30，其中，建模模块10用于利用PDMS建模获取核电厂三维布置模型；虚拟仿真模块20用于利用Unity3D虚拟仿真引擎，根据所述核电厂三维布置模型构建核电厂三维虚拟场景，而且，在所述三维虚拟场景中，将厂房按层划分，并在各层中设置中继点，以逐层烘焙导航网格；寻路导航模块30用于在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点/终点，而且，基于分层导航网格，在所述三维虚拟场景中进行寻路计算，并根据寻路计算结果进行最优路径的动态导航演示。

在该实施例中，依托三维正向设计成果，在电厂三维模型数据的基础上，利用虚拟仿真技术和开发引擎环境，并借助软件开发手段，研发了一套核电厂厂房三维寻路导航系统工具，并具有以下技术效果：

1.以三维虚拟场景再现核电厂房内部构造，为现场操作人员工作准备提供三维可视化参考；

2.提供厂房内部房间、系统和设备间的寻路计算，快速规划前往目标物项的最优路径，并提供导航动态演示，为操作人员在厂房中的作业提供辅助决策与直观参考；

3.针对设备物项查找与检修，可以一种更加直观、准确的可视化解决方案来助力电厂数字化、智能化运营管理。

进一步地，结合图10，寻路导航模块30包括：定位子模块31、寻路子模块32和导航子模块33，其中，定位子模块31用于在所述三维虚拟场景中，对用户输入的目标物项进行定位，并接收用户设置的起点和终点；寻路子模块32用于分别计算每层的层最优路径，并使用相应的中继点将每层的层最优路径合成最终的最优路径；导航子模块33用于通过实时动态渲染，以第一或第三人称方式在所述最优路径上漫游浏览，以进行动态导航演示。

具体地，定位子模块31根据物项名称(功能位置码)执行模型数据字符串匹配算法，支持模糊检索，定位检索到的物项并显示快照，快照提供全角度自由观察，关联的后台数据库可以显示出该检索物项的关联信息。同时，利用交互界面可将定位物项设置为寻路节点。定位子模块31的数据将作为输入参数传递给寻路子模块32。寻路子模块32基于A*寻路算法，加入寻路区域分层机制，将寻路范围进一步细化，即局部最优最终形成全局最优。基于厂房基本三维模型结构及阻挡信息，完成当前地点到目标地点的最短可达路径计算，根据计算结果渲染路径线路，并给出相关的路径信息。寻路子模块32的计算结果将作为导航子模块33的输入参数，进行下一步实时路径导航操作。导航子模块33主要是采用实时动态渲染，即路径上的漫游浏览以及地图和三维场景的交互联动。同时，采用人机交互技术提供多个视角的观察体验，设置导航参数，如速度、视角、窗口切换及暂停恢复等。该模块主要是面向用户的可视化渲染，将寻路结果以第一或第三人称方式运行一遍，包括地图导航、场景导航、窗口切换以及部分人机交互功能。

在该实施例中，采用定位、寻路、导航三个子模块构建了一套在电厂三维空间中的路径规划方案。提供厂房房间、系统、设备多级模型数据的检索定位，方便现场人员工前了解工作环境，操作目标位置；快速计算场景中任意(多个)点位间的最优路径，指导工作人员前往目的地，节省时间开销、提高作业安全性。

进一步地，本发明的核电厂房三维寻路导航系统还包括记录模块，该记录模块用于记录每次寻路计算的数据，并通过展示窗口输出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。