中核機械工程有限公司 浙江海鹽 314300

1 引言

隨著國家核電技術(shù)的快速發(fā)展以及核電站建設(shè)規(guī)劃的逐步落實，核電大型設(shè)備的種類更加豐富，模塊化程度越來越高，使得吊裝及運輸難度逐漸升級。核電大型設(shè)備吊裝及運輸施工作業(yè)由于影響因素多、責(zé)任重大，高風(fēng)險是其主要特征，需要精心組織方可完成。吊裝及運輸過程安全質(zhì)量控制取決于施工方案的可靠性。施工過程必須嚴(yán)格按照施工方案開展，才能確保核電大型設(shè)備順利運輸及吊裝就位。

編制吊裝、運輸施工方案是一項系統(tǒng)工程，前者涵蓋了施工場地地基處理、吊點布局、吊索具設(shè)計、起重吊裝設(shè)備選型、吊裝工藝設(shè)計、質(zhì)量安全保障等；后者涵蓋了工裝設(shè)計、運輸車選型、運輸路線選取、運輸過程控制、質(zhì)量安全保證等。而傳統(tǒng)吊裝及運輸方案的設(shè)計計算和機械設(shè)備選型以手工為主，受人為影響大，極易出現(xiàn)偏差；設(shè)計方式以二維圖呈現(xiàn)，雖然在一定程度上解決了空間預(yù)想的問題，但是沒有將吊裝運輸過程可視化，也沒有解決整個施工作業(yè)實施過程中的三維空間架構(gòu)的問題。這樣編制出的施工方案很難滿足可靠、可行的要求。

隨著計算機技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，利用計算機技術(shù)搭建虛擬場景進行吊裝運輸仿真，利用計算機速度快的優(yōu)勢提高運輸方案編制的效率，同時利用計算機計算結(jié)果的唯一性和準(zhǔn)確性實現(xiàn)施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化均已成為可能。目前計算機輔助設(shè)計已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)吊裝運輸過程可視化、智能化，最終將實現(xiàn)核電大型設(shè)備吊裝及運輸方案的自動編制和標(biāo)準(zhǔn)化。

2 系統(tǒng)總體概述

2.1 框架結(jié)構(gòu)

核電大型設(shè)備吊裝及運輸智能仿真系統(tǒng)分為四大功能模塊，即數(shù)據(jù)庫模塊、虛擬仿真模塊、校核計算以及輸出模塊，其總體框架如圖1所示。

圖1 核電大型設(shè)備吊裝及運輸智能仿真系統(tǒng)框架圖

2.1.1 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊是其他模塊工作過程中所需數(shù)據(jù)的提供者，同時也是虛擬仿真模塊所需吊裝/運輸方案的提供者。

吊裝關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫具體分為4個部分：起重機外形尺寸數(shù)據(jù)庫、起重機起重性能數(shù)據(jù)庫、起重機部件相對重心數(shù)據(jù)庫及輔助設(shè)備數(shù)據(jù)庫。運輸關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫中仍分為4個部分：運輸車外形尺寸數(shù)據(jù)庫、運輸車單個模塊性能數(shù)據(jù)庫、運輸工裝數(shù)據(jù)庫、運輸車模塊重心數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫模塊中提供兩個主要的操作：吊裝/運輸方案的生成和后臺數(shù)據(jù)庫的管理。吊裝/運輸方案生成是根據(jù)用戶輸入的工況要求及一些限制條件，系統(tǒng)自動地搜索起重機性能數(shù)據(jù)庫/運輸車性能數(shù)據(jù)生成一組滿足工況要求的吊裝/運輸方案。后臺數(shù)據(jù)庫管理主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的各種參數(shù)。

2.1.2 虛擬仿真模塊

虛擬仿真模塊負(fù)責(zé)起重機、運輸車、作業(yè)環(huán)境和吊裝/運輸設(shè)備的三維模型顯示以及吊裝/運輸仿真控制。

作業(yè)環(huán)境和吊裝/運輸設(shè)備的三維建模與顯示有兩種方式：一種方式是利用其他商業(yè)三維建模軟件（如3DSMAX9）建立作業(yè)環(huán)境或吊裝/運輸設(shè)備模型，并保存為文件，系統(tǒng)通過導(dǎo)入該文件提取其中的三維信息數(shù)據(jù)送給渲染引擎生成三維吊裝/運輸作業(yè)環(huán)境或吊裝/運輸設(shè)備顯示在三維虛擬場景中；另一種方式是，自主開發(fā)一個二維草繪畫板，用戶在二維草繪畫板繪畫二維的作業(yè)環(huán)境或吊裝/運輸設(shè)備，并補充其三維信息，然后把這些三維信息送給渲染引擎進行三維建模與顯示。

吊裝/運輸設(shè)備的三維建模是根據(jù)選定的吊裝運輸方案從外形尺寸數(shù)據(jù)庫中提取出對應(yīng)的設(shè)備外形參數(shù)送給渲染引擎生成逼真的三維設(shè)備模型。

三維渲染引擎是虛擬仿真模塊的核心，其設(shè)計與實現(xiàn)也是仿真系統(tǒng)的一個重點和難點。虛擬仿真模塊除了提供三維建模和顯示功能，還為用戶提供人機交互的接口，用戶通過人機接口可以控制吊裝運輸仿真，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界中吊裝運輸作業(yè)的模擬。

2.1.3 校核計算模塊

校核計算部分包括平衡梁校核計算、索具校核運輸工裝校核計算。系統(tǒng)的校核計算功能取代了目前手工的校核計算，減少了手工計算的錯誤，節(jié)省校核計算的時間，為用戶設(shè)計或選擇輔助設(shè)備提供參考依據(jù)。

2.1.4 輸出模塊

輸出模塊主要包括以Word文檔格式輸出校核計算書、起重機/運輸車占位和立面AutoCAD圖、吊裝設(shè)備的AutoCAD圖，以及其他吊裝/運輸仿真的結(jié)果，如仿真錄像等。從而為制定吊裝/運輸方案提供可靠的素材和依據(jù)，指導(dǎo)吊裝/運輸作業(yè)的實施。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 三維空間可視化技術(shù)

三維空間可視化技術(shù)是提升吊裝/運輸工藝設(shè)計手段的重要因素。目前國外已形成多款商業(yè)及非商業(yè)三維虛擬引擎，例如OGRE是國外某團隊開發(fā)的開源三維虛擬引擎，可以實現(xiàn)二次開發(fā)，能夠滿足大型設(shè)備吊裝及運輸三維空間可視化的應(yīng)用要求。

核電大型設(shè)備吊裝及運輸三維空間可視化應(yīng)用在作業(yè)設(shè)計時，應(yīng)滿足：

（1）吊裝/運輸過程可視化?？蓪崿F(xiàn)以起重機位姿驅(qū)動整個吊裝過程的可視化，以運輸車動作驅(qū)動整個運輸過程的可視化，滿足核電大型設(shè)備從初始位置到設(shè)備指定停放位置再到設(shè)備就位位置的整個施工過程的可視化。

（2）關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)實時顯示。在吊裝/運輸作業(yè)過程中，除受三維空間因素影響外，還需要考慮起重機和運輸車輛負(fù)載率是否滿足要求。本研究可實現(xiàn)三維空間中起重機和運輸車輛額定載荷、實際載荷及負(fù)荷率、實時計算和顯示，為吊裝和運輸作業(yè)提供最直接的數(shù)據(jù)參考。

（3）碰撞檢測和最小距離計算。在吊裝和運輸作業(yè)過程中運輸車輛、大型設(shè)備與周圍障礙物之間，起重機臂桿與大型設(shè)備及周圍障礙物之間是否碰撞以及它們之間的最短距離是多少，是方案設(shè)計人員始終關(guān)注的技術(shù)問題。本研究采用基于穿透率的廣義/狹義二階段碰撞檢測算法和基于三角形網(wǎng)格的精確距離計算方法，實現(xiàn)碰撞檢測和最小距離計算。

2.2.2 通用數(shù)據(jù)庫和模型庫的設(shè)計

核電大型設(shè)備吊裝/運輸方案編制中需要用到大量的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)從技術(shù)管理的角度研發(fā)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和模型庫的設(shè)計，將二維圖形、三維模型、數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)流進行統(tǒng)一：

（1）起重機數(shù)據(jù)庫設(shè)計；

（2）運輸車數(shù)據(jù)庫設(shè)計；

（3）核電大型設(shè)備數(shù)據(jù)庫設(shè)計，本系統(tǒng)整理并歸納了AP1000、高溫氣冷堆等堆型的大件被運輸設(shè)備，設(shè)計核電大型設(shè)備數(shù)據(jù)庫；

（4）相關(guān)二維圖形庫，為提高圖形輸出效率，本研究將起重機、運輸車、大型設(shè)備形成二維圖形庫，二維圖形庫與數(shù)據(jù)庫尺寸保持一致，輸出時根據(jù)吊裝/運輸方案自動調(diào)用進行輸出；

（5）相關(guān)三維模型庫，為實現(xiàn)三維虛擬空間搭建，本研究設(shè)計并實現(xiàn)了基于參數(shù)化驅(qū)動三維空間模型的建立。

2.3 系統(tǒng)功能描述

（1）實現(xiàn)起重機的智能選型；

（2）實現(xiàn)運輸車輛的智能選型；

（3）實現(xiàn)核電大型設(shè)備的參數(shù)化建模；

（4）實現(xiàn)核電大型設(shè)備吊裝過程、運輸過程三維仿真，實現(xiàn)交互式的運動狀態(tài)控制，并實現(xiàn)狀態(tài)信息顯示及臨界報警；

（5）實現(xiàn)吊裝仿真過程中接地比壓值的實時顯示；

（6）實現(xiàn)仿真過程中的實時碰撞檢測和最小距離計算；

（7）實現(xiàn)對操作過程的記錄和回放；

（8）實現(xiàn)起重機作業(yè)工況、計算書、吊裝站位圖、吊裝立面圖的輸出；

（9）實現(xiàn)運輸車輛作業(yè)工況、運輸站位圖、運輸立面圖的輸出；

（10）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新及統(tǒng)一維護和管理。

3 應(yīng)用實例

采用過去成功吊裝及運輸案例來驗證系統(tǒng)的有效性和實用價值。擇取海陽核電項目中的典型設(shè)備CA01的運輸和吊裝進行模擬為例，CA01結(jié)構(gòu)模塊參數(shù)見表1。

表1 CA01結(jié)構(gòu)模塊參數(shù)

CA01模塊在CA組裝場地完成整體組裝工作，組裝完畢后由CA組裝場地運輸至核島指定區(qū)域卸車，并吊裝至核島反應(yīng)堆廠房內(nèi)，運輸距離為1.3km左右。

3.1 CA01運輸

3.1.1 數(shù)據(jù)輸入

首先，輸入被運輸設(shè)備CA01模塊的詳細(xì)參數(shù)，包括尺寸、重量、設(shè)備重心等參數(shù)（圖2）。其次，進行運輸車輛信息配置，CA01模塊采用兩排液壓平板車組，第1組采用4個基礎(chǔ)軸線拼裝（圖3），額定載荷為840t，平衡配重100t，加固件重10t；第2組采用4個基礎(chǔ)軸線拼裝（圖4），最大凈載重為960t，平衡配重為100t，加固件重為10t。

3.1.2 負(fù)荷率校核

根據(jù)實際運輸中CA01模塊的重心分布情況，對第一、二組平板車負(fù)荷率進行校核。

3.1.2.1 第一組平板車負(fù)荷率校核

負(fù)荷率=（貨物重量×D2/（D1+D2）+平衡配重+加固件重）/額定載荷=（956.11×16491.5/28271+100+10）/840=55.56%

由計算可知，第一組平板車負(fù)荷率為55.56%，安全。

3.1.2.2 第二組平板車負(fù)荷率校核

負(fù)荷率=（貨物重量×D1/（D1+D2）+平衡配重+加固件重）/最大凈載重=（956.11×11779.5/28271+100+10）/960=63.48%

由計算可知，第二組平板車負(fù)荷率為63.48%，安全。

圖2 CA01設(shè)備參數(shù)

圖3 第1組運輸車數(shù)據(jù)

3.1.3 運輸仿真

從后臺數(shù)據(jù)庫中調(diào)取CA01設(shè)備模型、工裝模型、運輸車模型、AP1000場景模型，也可由外界建好按比例導(dǎo)入。進入運輸仿真界面，設(shè)置好初始站位（圖5），系統(tǒng)實現(xiàn)運輸路徑規(guī)劃（圖6），設(shè)置運輸動作（直行、轉(zhuǎn)彎）；設(shè)備按照輸入的動作進行仿真，最后自動輸出仿真視頻和運輸方案信息（圖7）。

圖4 第2組平板車數(shù)據(jù)

圖5 運輸站位

圖6 運輸路徑規(guī)劃

圖7 輸出仿真視頻和運輸方案信息

3.2 CA01吊裝

吊裝與運輸作業(yè)仿真的區(qū)別在于配置和動作設(shè)置上。

吊裝仿真需配置吊索具，本系統(tǒng)為擴大通用性，對吊索具進行了標(biāo)準(zhǔn)和專用（圖8）兩種分類。

圖8 專用吊具選擇

對于起重機選型，可手動選擇工況，系統(tǒng)自動校核負(fù)載率，也可通過設(shè)置條件使系統(tǒng)自動篩選出符合條件的工況。起重機動作設(shè)置分為起鉤、落鉤、起重機行走（直行、十字行走）、回轉(zhuǎn)等（圖 9、10、11），設(shè)置完成后系統(tǒng)在三維環(huán)境中完成CA01的吊裝，過程中可實時顯示吊裝工況信息、對地壓力、最小凈距顯示和碰撞檢測（圖 12、13）。

圖9 CA01吊裝場景導(dǎo)入

圖10 CA01吊裝回轉(zhuǎn)

圖11 CA01就位

圖12 三維實時標(biāo)注

圖13 最小凈距顯示

經(jīng)過CA01運輸和吊裝作業(yè)的仿真，系統(tǒng)輸出方案與實際方案作業(yè)過程一致，計算結(jié)果一致，工況相符，經(jīng)驗證可行，具備實際施工指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)從吊裝及運輸方案的編制、三維仿真模擬等方面掌握核心技術(shù)，改進原有大件設(shè)備吊裝及運輸方案的平面編制方法，實現(xiàn)設(shè)備吊裝及運輸前三維仿真模擬、吊索具校核計算，方案自動生成、吊裝及運輸最小凈距顯示及干涉檢測等，從而進一步提高吊裝、運輸方案的自動化編制水平，實現(xiàn)核電吊裝運輸方案的可視化展示，實現(xiàn)核電吊裝運輸一體化，彌補了吊裝及運輸工程方案信息配置可視化的空白。本系統(tǒng)已開發(fā)完成并成功應(yīng)用于多項核電、石化領(lǐng)域吊裝運輸施工中。