大规模辐射场景三维实时仿真关键技术研究

摘要

在先进核能系统的设计以及现役核电站的运维、延寿、退役工作中，核电安全标准对涉核作业方案的设计和工作人员的综合素质提出更高的要求。随着信息技术的快速发展，以模拟推演形式的大规模辐射场景三维实时仿真，能真实地模拟工作环境、沉浸式交互体验作业方案、评估人员辐射受照风险，已成为快速地设计与分析核领域作业方案和虚拟培训工作人员的一种重要手段，但依然存在三维辐射场景因设备模型结构复杂繁多而无法实时渲染、缺乏便捷高效的三维人机交互方式，人员受照剂量评估耗时严重等问题亟待解决。
　　针对上述问题，本文在调研国内外核领域仿真研究现状的基础上，针对涉核作业及核领域三维实时仿真存在的问题，进行了深入的研究，基于超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC实现了针对大规模辐射场景的沉浸式三维实时仿真和精确受照剂量仿真评估，主要研究内容与创新点如下:
　　1)提出了基于K-dimensionaltree（KD树）的大规模辐射场景快速构建与优化管理方法以及基于双目视觉方法的场景立体渲染方法，发展了面向核设施大规模辐射场景的实时交互渲染方法，实现了大规模虚拟场景实时交互渲染，结合六自由度三维人机交互，提高了人员作业方案设计与优化的效率。
　　2)提出并实现了基于统一计算框架(Computeunifieddevicearchitecture，CUDA)的多人协同作业受照剂量实时评估方法。本文基于CUDA的流处理器、共享显存硬件框架和并行计算流程模型，发展了辐射环境中人体体素级受照剂量的并行计算方法，显著降低百万量级体素人体模型的受照剂量计算时间，满足涉核作业三维仿真中对人体辐射剂量计算的实时性要求。
　　3)设计并构建了能够进行高沉浸感实时交互仿真原型系统，并应用到加速器驱动次临界系统铅基堆换料机的维修更换作业方案设计与验证中。该系统可直观交互演练与优化作业过程，并实时评估人体受照剂量，对于提高核设施的工作方案的设计与验证效率、辅助优化方案、丰富人员辐射安全防护培训方式和降低核能从业人员培训成本等具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景与意义

1．2．1 核领域三维实时仿真发展背景

1．2．2 研究意义

1．3 核领域三维实时仿真研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．3．3 存在的问题与挑战

1．4 本文的主要内容与结构

1．4．1 论文主要内容

1．4．2 论文主要结构

1．5 本章小结

第二章 理论与技术基础

2．1 三维实时仿真定义

2．2 三维实时仿真理论

2．2．1 三维场景渲染与立体显示原理

2．2．2 三维人机交互原理

2．2．3 沉浸理论

2．3 人体受照剂量评估理论

2．3．1 人体受照受照剂量评估目的

2．3．2 用于受照剂量评估的人体体素模型

2．4 GPU并行计算

2．5 本章小结

第三章 三维辐射场景实时交互渲染方法研究

3．1 辐射场景动态管理与立体实时渲染方法

3．1．1 辐射场景的快速构建

3．1．2 基于双目视觉的虚拟场景立体渲染与显示方法

3．2 三维人机交互方法

3．2．1 六自由度人体动作追踪与三维空间坐标变换

3．2．2 基于数据手套的手势识别与触觉反馈

3．3 本章小结

第四章 基于CUDA的多人协同作业受照剂量实时评估方法研究

4．1 人体受照剂量并行计算可行性分析

4．2 基于CUDA的集体受照剂量并行计算方法

4．2．1 数据解析与存储优化

4．2．2 线程分配与计算流程

4．2．3 当量剂量和有效剂量计算

4．3 本章小结

第五章 三维实时仿真在加速器驱动次临界系统上的应用

5．1 加速器驱动次临界系统应用案例

5．1．1 加速器驱动次临界系统简介

5．1．2 换料机故障维修更换任务

5．2 铅基快中子堆三维实时仿真系统设计与实现

5．2．1 三维立体投影与交互硬件环境建设

5．2．2 铅基快中子堆虚拟场景搭建

5．3 维修作业方案实时仿真

5．4 人体辐射剂量实时评估

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．1．1 主要内容

6．1．2 贡献(创新)之处

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

在读期间所获得的奖励