图为技术助力核动力院“龙擎数字化产品家族”

文章转载自：硬核小螺号《核动力工程的数字新基建-“龙擎数字化产品家族”》

2020年5月22日，十三届全国人大三次会议开幕会在人民大会堂举行。李克强总理代表国务院向十三届全国人大做政府工作报告中指出加强新型基础设施建设，这是“新基建”首次纳入政府工作报告中。2020年是不平凡的一年，面对新冠疫情和日趋紧张复杂的国际形势，中国更加迫切需要将“中国制造”转变为“中国智造”，着力提升发展质量水平。

三室在院、所各级领导支持下，两年前便开始积极谋划布局，提升核动力装置设计信息化、工程化和数字化水平，打造了核动力工程的数字新基建产品--“龙擎数字化产品家族”。

产品研发之初，三室抽调精干力量组建了研发团队，进行了相关技术与核动力装置设计结合的探索。通过采取集中技术攻关和重点理论学习与再现的方式，确定了以工程实践数据为基础，“两横四纵”（如图）为核心的技术路线图和专用技术群范围。目前该研发成果已经形成了家族化的“龙擎”系列产品，形成了核动力工程的独特核心竞争力。

 

 

 

革新性数字化交互平台：龙擎三维赋能敏捷协同平台

如何更好利用数字化交互技术解决多学科协同设计困难、设计流程信息传递流程冗长的问题，始终是围绕在研发团队心头的难题。经过集中攻专业组联合深圳图为技术有限公司基于B/S架构一举攻克了数模分离、参数化几何描述、自动化信息映射和几何数据渲染等技术，通过数模分离的轻量化模型的数据量较之前降低百分之九十以上，数据处理量因此降低了百分之八十，数据处理速度上升了两倍，使多种学科信息在同个模型框架内得以并行实时传递，极大地降低了信息交互不便带来的时间损耗。

 

 

2019年9月基于该项技术的龙擎三维赋能敏捷协同平台测试版进行内部测试，只需一台电脑和一款浏览器，授权后用户通过网页浏览器即可快捷便利地利用权限范围内的交互式、可视化、多专业的数字化资产。

龙擎三维赋能敏捷协同平台的核心技术之一就是云渲染技术，云渲染是将3D程序放在远程服务器中渲染，用户终端通过Web软件并借助网络访问资源，并在终端与服务器中传输指令的一种新兴技术。以布置专业为例其既是总体工程设计的前端，也是院所工程与科研设计结果的最终体现。由于需要上游大量数据信息作为设计输入来源，布置设计存在大量反复性、重复性的工作往往需要与其他专业实时反馈。利用云渲染技术将数据和模型处理任务在服务器完成渲染后，即可在权限允许条件下，进行网上实时交互和协同设计，充分降低不同专业间沟通和反馈的难度，同时为无纸化办公和数字化交互提供了前端技术支持。

 

 

作为协同工作平台的一种，龙擎三维赋能敏捷协同平台提供了高效的三维可视化多专业综合信息管理的解决方案，将轻量化处理后的设计数据模型从云端数据库下载到本地或直接在客户端查看，使用者在网页登陆后根据不同职责分工可进行查询、批注、剖切、染色等多种处理，极大提升了多学科多系统设计和反馈协同设计的效率、有效降低了设计方案校审难度。

在学科应用方面，实现了三维空间内自主控制的人形漫游，通过模拟真实人员，即可进行验证设备安装、维修操作的可行性和可达性，进一步提高了核电厂设计环境的人因工程水平。

 

另一方面，基于频谱分析和场分析概念，龙擎三维赋能敏捷协同平台可实现对多种物理场的在线仿真与计算，目前已经实现对电站辐射场的数据读取，利用漫游即可轻松计算整个人员检修流程中的辐射剂量。

 

 

 

行走在真实与虚幻之间：龙擎VR&AR视觉系统

VR&AR(Virtual Reality虚拟现实 & Augmented Reality增强现实)是通过计算机对现实世界的模拟和信息叠加给人以沉浸感和代入感，这种模拟和增强可以来自视觉、听觉、触觉等多种感官。

虚拟现实：

针对现今核动力装置设计工作日趋系统化、专业化的特点，研发团队应用智能识别和虚拟现实仿真交互技术完成了数据三维还原，在VR设备加持下可实现虚拟空间设备、阀门及管路等设施设备的布置设计和维修模拟操作在提升设计使用手段。在提高设计交互感的同时，可提高设计效率近20%，同时设计干涉的可能性降低到千分之一。

 

 

 

增强现实：

目前研发团队正应用人工智能算法图像识别计算，进行基于AR的现实图像信息和二维码定位信息的采集和识别，如果现实识别率达不到要求，亦可人工语音进行干预，帮助机器转换学习状态并受控进入知识库。在系统正式投入生产后，可现实物体图像识别错误率较现有状态降低一倍，语音干预控制准确率达到99%以上。目前正在应用智慧图纸作为典型信息输入源，将设计信息集成到数据库和本地，只需应用AR眼镜扫描图纸即可完成云端映射信息的传递，将相关数据加载在使用者的AR眼镜上进行图纸信息读取。未来通过自动识别现实或三维实体场景信息，可在役前检查、维修等过程中实现设备、管路、阀门等信息的自动化关联和智能化显示，为核动力装置全寿命周期保障提供强有力的支撑。

 

 

 

交互式智能学习：龙擎天幕智能互动显示系统
龙擎天幕智能互动显示系统是面向核电人员基础培训、模拟机实操等等交互式需求研发的新一代智能互动显示系统。其前身是设计所三室依托院所相关基金支持开展的防城港核电厂教学模型虚拟多媒体展示系统设计。经过设计所三室技术团队长期来的不懈努力，已经用于展示核电厂的各个厂房总体布置，关键设备的结构、功能；提高学员学习兴趣，增强技术理论培训效果，同时也作为对外交流以及科普宣传的一个窗口。设计所核动力装置设计研究室研发团队根据业主提供的设计文件图纸和其它素材等作为设计输入，利用PDMS/UG/INVENT/FLASH等软件建立了防城港核电厂机组总体、燃料组件、主泵、蒸汽发生器、反应堆压力容器、汽轮机组、稳压器的三维模型和二维原理图，为后续多媒体素材的形成、虚拟多媒体展示操作界面的开发和触摸屏中交互操作及播放展示功能的实现奠定了基础。

该产品已经在广西防城港核电现场完成了交货。共计交付7大模型（总体模型、燃料组件模型、主泵模型、蒸汽发生器模型、反应堆压力容器模型、汽轮机组模型和稳压器模型）和各模型的虚拟演示软件平台。通过与业主技术人员积极沟通，设计所技术人员精益求精，不断完善各模型软、硬件技术指标，最终获得业主的高度认可。

 

 

机器人的新智慧：龙擎智能机器人设计系统
人工智能AI(Artificial Intelligence)是目前最为流行的计算机技术之一，并已经广泛应用于机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理等领域。技术团队基于现有应用背景开展了机器学习和深度学习理论研究，重点针对图像识别、信息配适等方面开展了卷积神经网络和循环神经网络模型的研究，通过对AlexNet、GoogleNet等成熟神经网络模型的模拟和再现，逐步深入探索神经网络逻辑与原理。随后开展符合核动力装置应用且具有代表性和特殊性神经网络模型的研究与再创新。通过相关理论学习，掌握了多种相关模型的自适应学习和优化方法，同时与相关单位合作，提出了基于核动力装置设计的人工智能算法应用场景，明确了一条具有中国核动力研究设计院特色的，旗帜鲜明、导向明确的人工智能算法研究与应用的发展道路。

 

人工智能技术在核反应堆舱布置的研究工作，研究多约束条件下，三维空间两点间路径走向的复杂问题，存在很多个可能的路径，不存在一个精确解的问题。技术团队采用基于卷积、循环神经网络的多层次、多模态特征提取技术。基于低层视觉得到有效的初级纹理信息及初步划分场景图区域，在此前提下减少了图形搜索候选区域。基于中、高层视觉，在已有的核动力装置和核反应堆布局基准标注图像及几何上下文基准标注图像库上，采用卷积神经网络和循环神经网络得到更具表现力的信息边缘图和几何上下文、深度、法向量特征及几何上下文语义图等特征，同时采用多模态特征融合的方法将低层特征和高层特征融合。在获取目前可行布置设计方案后，应用已有布置设计准侧，对计算机自动生成布置方案进行优选，对优选结果与现有布置方案进行对比反馈和神经网络的宽频训练，最终形成一型可在分钟级范围内根据核电站厂房背景要求快速生成初步布置方案的神经网络布置机器人工具，将可极大地提高设计效率并在一定范围内对设计合理性提出参考意见。

 

结语
数字化、智能化、信息化是核动力装置设计人员面临的一次重大挑战，但更是充分应用新兴技术提升我国核工业水平、提升我国工业水平和国际地位重大机遇，设计所三室研发团队正乘着国家新基建、深化改革的东风和“两化”融合的浪潮，着力推动核动力装置设计智能化和现代化，努力创造核动力的工程的新基建产品，提升我国核工业设计和制造先进性水平。