1. 研究背景
1.1 需求背景
与常规设施相比，核设施内布置了非直接接触放射性设备，其退役过程具有高危险、高污染、过程复杂、工艺要求严格等特点，需要针对核设施中特定的退役作业事先制订准确细致的实施方案。
三维模型是核设施退役方案制定不可或缺的输入信息，是辐射场仿真、操作路径模拟、人员剂量优化、退役机具开发和操作人员培训等退役工程活动的必要条件，对于制定退役方案至关重要。
1.2 技术背景
在三维模型建立方面，目前成熟且独立的三种技术路径，分别是二维图纸转换三维逆向重建和三维模型导入。
1. 二维图纸转换
对于业主、设计单位和供应商留存充足平面图纸的待退役核设施，可以通过从二维图纸创建三维模型。二维图纸转换技术路径可分为人工参照图纸进行面片绘制或参数化建模、以及自动的二维图纸扫描转换。该技术路径可重现施工或竣工节点的设施布置情况。
2. 三维逆向重建
对于既有设施可以采用三维逆向重建的方式。通过扫描仪和/或照相机进行扫描，获取目标物体的表面三维数据，对获取的数据进行处理、计算、分析，从而构建出已建厂房的三维模型。该技术路径可获取设施内可见区域的表面三维模型。
3. 三维模型导入
对于采用计算机辅助设计技术设计的设施，可以通过将各种三维模型转换集成为统一的格式，可以实现已有三维核设施模型的构建。由于国内待退役核设施的设计和建设年代较早，不存在既有的模型，因此三维模型导入不具有可行性。
2. 现有三维建模技术发展与应用情况
2.1国外发展与应用情况
1) 法国原子能和替代能源委员会（CEA）在APM 414热室等应用三维逆向重建技术
CEA采用达索系统和ORANO的三维建模技术，开发了用于作业现场布局模拟的仿真平台，并将其应用于414热室的退役工程中。选用逆向三维重建技术之中的摄影测绘技术，通过一系列的图片信息来还原物体的三维模型。【1】
2) 比利时核能研究中心（SCK•CEN）开发VISIPLAN工具
SCK•CEN开发了VISIPLAN 3D ALARA计划工具模拟退役场景，已应用于比利时2号堆和3号堆（BR2&3）反应堆的退役中。选用逆向三维重建之中的激光扫描技术将工作区域的几何和材料信息转换为CAD格式的模型。【2】
3) 韩国原子能研究所（KAERI）开发基于平面图纸创建三维虚拟环境的DMU系统
KAERI开发了退役数字化实体模型（DMU）系统，并在韩国1号和2号研究堆退役工程中应用。使用Solid Edge软件和3D Studio Max软件根据二维图纸创建其三维模型部件。通过组装每个三维建模零件并应用纹理映射，从而创建研究堆的虚拟环境。【3】
2.2国内发展与应用情况
1) 中国核电工程公司拟开发基于三维激光重构的核设施管理与可视化系统
中国核电工程公司研究认为目前退役设施缺乏正向建模的前提条件，因此拟利用激光扫描技术进行三维重构建模，数字化还原待退役核设施的现场情况。考虑到核设施内部可达性差这一固有特点，因此仅能对隐蔽工程和现场不可达区域之外实现逆向重建。
2) 中国核动力研究设计院采用参数化实体建模方案
中国核动力研究设计院认为由于核动力装置各部件分层密集布置在一个狭小的空间内，反应堆本体、各功能系统以及管道、阀门等交错分布，结构复杂，遂采用参数化建模的二维图纸转换方案。
3) 南华大学研究基于三维激光扫描技术的核设施三维模型重建平台
南华大学对比了三维逆向重建和二维图纸转换两种技术路线，认为对于待退役核设施而言，相比于使用制图软件转化图纸资料的繁重负担，基于三维激光扫描的三维逆向重建更具优势。
2.3国内外相关技术发展现状分析与总结
经过对以上国内外相关技术发展现状的分析，可以得知：
一方面，二维图纸转换技术和三维逆向重建技术均已发展出多种成熟的实现方式，且有应用于核设施的案例；
另一方面两项技术都有明显且无法克服的缺陷，分别不适用于竣工后有所改变的区域和隐蔽工程及不可见区域。
目前我国待退役核设施虽然对于建造阶段图纸保存情况尚佳，但对于竣工后的活动并未能在图纸中更新，到开展退役方案研究的时候往往出现厂房情况不明的情况，影响了整个退役工程的开展。
逆向三维模型重建采用激光扫描和/或摄影测绘，仅能探测前排管道和设备，无法获取被遮挡物体的表面三维数据。而待退役核设施内的管道和设备布置情况错综复杂、结构紧凑，难以借助运载工装将扫描仪送入热室内部，不具备探测隐蔽工程和现场不可见区域的能力，不能完整重建核设施的模型。
目前世界范围内各研究机构均局限于在两种建模技术路径选择其中相对适用的一种，尚无实现核设施完整建模的技术或方法。
3. 基于异源模型融合技术的待退役核设施建模技术路径
3.1 现有技术路径特征分析
根据上述介绍，待退役核设施的现有可用三维建模路径有两种，分别是二维图纸转换和三维逆向重建，但在建模完整度上均有不同范围和程度的缺失。通过对技术路径原理和待退役核设施情况的分析，可以得出两种技术路径的缺失区域并不重合，分析如下：
待退役核设施在通常在调试、运行、整改、维护等竣工后期间进行系统和设备新增和调整，主要涉及设备、管道和阀门。这些部分通常位于现场可见区域，尽管二维图纸缺失这部分的信息，但正是逆向三维重建所擅长的部分。
根据已完成的典型待退役核设施的调查工作结论，尽管工艺系统、转动设备、仪表系统以及其他公用辅助系统均基本失效，但是设施内设备依然固定在原位，设备、管道和阀门无变形，因而设施内部的外观未受到各类人为活动和自然灾害的影响。尽管这些设备和管道有部分是隐蔽工程或位于现场不可见区域，逆向三维重构技术无法建立这部分的模型，但竣工平面图纸可以充分地还原设备室内部布置。
3.2 异源模型融合技术路径
根据上述分析，二维图纸转换和三维逆向重建两项技术可以相互补足，各自建模范围的并集基本达到内部情况的全集，联合实现待退役核设施的完整建模；此外重叠的建模范围可以相互印证，提高准确性；从而满足退役工程方案制定的需求。
鉴于此，本文提出将二维图纸转换和三维逆向重建两种模型源相结合的异源模型融合技术，通过将不同建模范围、不同时间节点、不同信息内容、不同数据结构的模型源相融合，构成一个统一且完整的新模型，满足待退役核设施的工程需求。
参考文献：
【1】谢小龙 胡国辉. 虚拟现实技术在核设施退役中的应用T《科技创新导报》2013, (8)
【2】戴波张永领周斌等.反应堆退役仿真技术研究方案T《核动力工程》2013, 34(3)
【3】张凯.退役核设施地下设备室三维重构扫描平台研究[T].南华大学,2016
