英國(guó)塞拉菲爾德場(chǎng)區(qū)采用的“乏燃料包殼筒倉(cāng)操作模擬器”驗(yàn)證了協(xié)作與仿真在放射性高危環(huán)境中的價(jià)值，為未來(lái)更多機(jī)器人應(yīng)用鋪平道路。

機(jī)器人在核退役場(chǎng)所的放射性環(huán)境中具有重要作用。它們能處理放射性物質(zhì)，或在人類難以進(jìn)入或需嚴(yán)密防護(hù)才能進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)。然而機(jī)器人并非人們想象中的完全“免手動(dòng)”解決方案。有時(shí)程序員需遵循嚴(yán)格安全規(guī)程進(jìn)入輻射區(qū)，對(duì)軟件相關(guān)流程進(jìn)行升級(jí)或設(shè)置新路徑。這要求他們穿戴供氣防護(hù)服，配備雙層手套和呼吸器，才能進(jìn)入作業(yè)艙對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試。這種操作不僅令人不適、成本高昂，更伴隨著潛在風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)這一難題，模擬器作為解決方案出現(xiàn)。這類系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人所處環(huán)境進(jìn)行高度精確虛擬再現(xiàn)，且處于安全的“沙盒”環(huán)境，可無(wú)風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試新配置與運(yùn)行路徑，最終將最優(yōu)參數(shù)傳輸至機(jī)器人控制器。此舉能節(jié)省機(jī)器人升級(jí)所需的數(shù)日時(shí)間，降低操作不適感與輻射照射風(fēng)險(xiǎn)，輔助機(jī)器人操作人員培訓(xùn)，并大幅削減人員進(jìn)入污染區(qū)域所需成本。

塞拉菲爾德場(chǎng)區(qū)的機(jī)器人模擬技術(shù)取得突破性進(jìn)展

首個(gè)在塞拉菲爾德應(yīng)用的此類模擬器是“乏燃料包殼筒倉(cāng)操作模擬器”(PFCS OpSim)，由塞拉菲爾德有限公司與機(jī)器人技術(shù)與人工智能合作組織(RAICo)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。RAICo由英國(guó)原子能管理局(UKAEA)、核退役管理局(NDA)、塞拉菲爾德有限公司、曼徹斯特大學(xué)以及近期加入的AWE核安全技術(shù)公司組成。

該模擬器針對(duì)廢物容器處理設(shè)施(WCHF)而設(shè)計(jì)，系一個(gè)由機(jī)器人處理廢物容器的混凝土操作間。該設(shè)施位于塞拉菲爾德場(chǎng)區(qū)的乏燃料包殼筒倉(cāng)(PFCS)內(nèi)——這座建于二十世紀(jì)五十年代的遺留廢物貯存設(shè)施，曾用于存儲(chǔ)場(chǎng)區(qū)首批核反應(yīng)堆產(chǎn)生的放射性燃料包殼，現(xiàn)已被列為場(chǎng)區(qū)優(yōu)先退役項(xiàng)目。如今該庫(kù)區(qū)是場(chǎng)區(qū)內(nèi)最具危險(xiǎn)性的設(shè)施之一，亟需清空庫(kù)存廢物以便將其重新封裝至安全的現(xiàn)代化貯存系統(tǒng)中。

WCHF廠房?jī)?nèi)配備一臺(tái)大型六軸工業(yè)機(jī)械臂，其工作流程包括：卸除空容器螺栓→將容器送至廢物填充處→對(duì)完成填充的返回容器進(jìn)行緊固螺栓操作以便轉(zhuǎn)運(yùn)。該機(jī)械臂還會(huì)對(duì)容器外壁進(jìn)行污染檢測(cè)拭子采樣，并將樣本存入分析專用收納箱。

當(dāng)需要進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，例如軟件修改或更換工具(如拭子夾持器或螺母扳手)，工程師或維護(hù)人員必須讓機(jī)器人停止運(yùn)行，而機(jī)器人程序員需穿戴防護(hù)裝備進(jìn)行調(diào)整。位置調(diào)整需借助KUKA智能平板對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位，隨后逐一對(duì)每個(gè)位置進(jìn)行“精調(diào)”——由機(jī)器人軟件記錄坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

升級(jí)改造需經(jīng)過(guò)多次測(cè)試運(yùn)行，通常需人工反復(fù)介入以優(yōu)化設(shè)置。為確保安全，每次介入都需規(guī)劃、清場(chǎng)與監(jiān)控，并配備隨時(shí)待命的支援團(tuán)隊(duì)。

一次典型升級(jí)改造需經(jīng)歷10天測(cè)試，這種緩慢進(jìn)程源于厚重防護(hù)裝備帶來(lái)的不適——單次作業(yè)時(shí)長(zhǎng)因此受限。此類升級(jí)改造可能因設(shè)備故障或異常狀況觸發(fā)，在系統(tǒng)性升級(jí)改造期間尤為頻繁。每次人員入艙都會(huì)增加輻射照射或污染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)人為失誤可能損毀機(jī)械臂或室內(nèi)設(shè)備，而新設(shè)備和新配置的試運(yùn)行更會(huì)直接導(dǎo)致作業(yè)中斷。

PFCS OpSim能夠解決其中許多問(wèn)題。它提供了允許操作人員在虛擬現(xiàn)實(shí)的WCHF中可視化機(jī)器人的模擬環(huán)境。這使得新程序及其他變更在實(shí)施到實(shí)際設(shè)施前，可通過(guò)模擬進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證后，軟件更新可通過(guò)數(shù)字方式傳輸至機(jī)器人。

機(jī)器人仿真的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真并非完美無(wú)缺，仍需要進(jìn)行部分內(nèi)部微調(diào)。但若一切順利，這類模擬器帶來(lái)的效益將相當(dāng)可觀。

最明顯的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省時(shí)間。塞拉菲爾德有限公司估計(jì)，在最佳情況下，需要派遣人類程序員進(jìn)入作業(yè)艙的天數(shù)將從10天縮減至2天。這不僅解放了工程師資源，還降低了人員穿戴全套正壓防護(hù)裝備進(jìn)入作業(yè)艙的成本。

風(fēng)險(xiǎn)降低同樣至關(guān)重要。減少在作業(yè)艙內(nèi)的時(shí)間意味著降低危險(xiǎn)照射程度。這符合“合理可行的低水平(ALARA)”原則——英國(guó)安全準(zhǔn)則要求退役場(chǎng)所在合理成本/努力范圍內(nèi)將人員風(fēng)險(xiǎn)控制在最低水平。模擬器還能支持更多實(shí)驗(yàn)操作，例如可測(cè)試新指令序列以探索機(jī)器人性能，像創(chuàng)建工具意外脫落時(shí)的抓取復(fù)位指令。

這讓塞拉菲爾德場(chǎng)區(qū)的機(jī)器人程序員們興奮不已，他們期待能花更多時(shí)間在電腦前工作，而不用再穿著笨重的防護(hù)服進(jìn)行繁瑣的編程操作。

最后，模擬器是培訓(xùn)機(jī)器人操作人員的有力工具。由于它在視覺(jué)和操作上完全復(fù)刻真實(shí)工作單元，因此非常適合具備適當(dāng)資質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)的人員(SQEP)進(jìn)行培訓(xùn)與熟悉流程、維護(hù)演練及作業(yè)前簡(jiǎn)報(bào)。操作人員無(wú)需再通過(guò)閉路電視進(jìn)行評(píng)估，而是能置身于一個(gè)交互式、零風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中，使學(xué)習(xí)過(guò)程更快速、更安全、更精準(zhǔn)。

創(chuàng)建廢物處理設(shè)施模擬器

該項(xiàng)目始于塞拉菲爾德有限公司對(duì)UKAEA位于卡勒姆(Culham)的“挑戰(zhàn)性環(huán)境中的遠(yuǎn)程應(yīng)用(RACE)”設(shè)施的訪問(wèn)。團(tuán)隊(duì)參觀了那里用于JET聚變裝置的“MASCOT”雙臂機(jī)械手的虛擬模擬器。

認(rèn)識(shí)到模擬器的潛力后，各方開(kāi)始探討為塞拉菲爾德創(chuàng)建類似方案，最終促成了與RAICo的合作項(xiàng)目。這正是成立RAICo的初衷——讓成員單位能夠共享挑戰(zhàn)，攜手攻克難題。

為繪制廢物處理設(shè)施地圖，采用激光雷達(dá)掃描儀采集了空間內(nèi)所有物體的精確位置數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)與塞拉菲爾德有限公司原始設(shè)施設(shè)計(jì)中的CAD模型一同被傳送至RAICo。

RAICo利用這些資料構(gòu)建了塞拉菲爾德乏燃料包殼筒倉(cāng)的精確數(shù)字孿生模型，完全復(fù)現(xiàn)其真實(shí)布局。這一成果依托其自主研發(fā)的RHOVR三維可視化軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)同時(shí)采用以游戲開(kāi)發(fā)聞名的虛幻引擎技術(shù)，能夠創(chuàng)建高度逼真的三維作業(yè)環(huán)境。

隨后，獲取并集成了現(xiàn)成的機(jī)器人軟硬件模擬器。這是整個(gè)項(xiàng)目中最具技術(shù)挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)——相當(dāng)于在虛擬PFCS環(huán)境中完整嵌入了機(jī)器人的數(shù)字孿生體。

產(chǎn)品完成后，用戶可以編程機(jī)器人模擬器(如同操作真實(shí)機(jī)器人一樣)，并觀察虛擬機(jī)器人實(shí)例在照片級(jí)逼真的PFCS虛擬環(huán)境中運(yùn)行該程序。程序員隨后能直觀評(píng)估運(yùn)行結(jié)果——例如機(jī)器人是否選擇最優(yōu)路徑、新增工具后是否仍能正確執(zhí)行擦拭廢料容器等動(dòng)作，以及行進(jìn)過(guò)程中是否發(fā)生碰撞——之后再將修改應(yīng)用至真實(shí)機(jī)器人控制軟件。

該模擬器經(jīng)過(guò)六個(gè)月的驗(yàn)證，并于2025年3月在坎布里亞郡懷特黑文(Whitehaven)的RAICo1設(shè)施進(jìn)行了預(yù)演。

從預(yù)演到應(yīng)用

該預(yù)演廣受好評(píng)，隨后可用版本移交至塞拉菲爾德卓越工程中心。這款工具目前仍屬新興技術(shù)，現(xiàn)階段主要實(shí)際價(jià)值體現(xiàn)在培訓(xùn)領(lǐng)域——操作人員如今能通過(guò)虛擬方式零距離接觸機(jī)器人，而非依賴缺乏可靠深度感知的監(jiān)控屏幕。它同時(shí)也成為向內(nèi)外利益相關(guān)方展示塞拉菲爾德機(jī)器人技術(shù)實(shí)力的有效工具。

但真正的價(jià)值在于其能夠?qū)U物處理機(jī)器人進(jìn)行虛擬編程。與所有安全關(guān)鍵應(yīng)用一樣，此類操作需遵循特定流程。必須對(duì)操作序列進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試以確認(rèn)其適用性。塞拉菲爾德公司還需建立嚴(yán)格的流程與網(wǎng)絡(luò)安全措施，確保程序能從模擬器(運(yùn)行于沙箱環(huán)境中，與公司IT系統(tǒng)物理隔離)安全傳輸至機(jī)器人。團(tuán)隊(duì)對(duì)此持樂(lè)觀態(tài)度，預(yù)計(jì)首套經(jīng)模擬器驗(yàn)證的程序?qū)⒂诿髂晖度脒\(yùn)行。

塞拉菲爾德模擬器的更廣泛潛力

PFCS OpSim是塞拉菲爾德首創(chuàng)，但絕非終章。首批擴(kuò)展目標(biāo)包括箱體封裝廠(BEP)與封裝產(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)—廢物轉(zhuǎn)運(yùn)路線(EPS-WTR)，由機(jī)器人在人類難以進(jìn)入的區(qū)域執(zhí)行廢物處理、尺寸縮減、螺栓固定、拭擦作業(yè)等精密操作。以BEP為例，部分作業(yè)艙的高危環(huán)境將完全禁止人員進(jìn)入，操作人員只能依靠景深有限的攝像反饋實(shí)施作業(yè)。在此應(yīng)用模擬器既可實(shí)現(xiàn)安全精準(zhǔn)的程序調(diào)試與故障排除，又能大幅提升培訓(xùn)可及性。

目前已有兩臺(tái)同類機(jī)器人在運(yùn)，一旦BEP投入使用還將新增至少10臺(tái)，在塞拉菲爾德規(guī)模化應(yīng)用機(jī)器人模擬器的前景明朗。更重要的是，NDA下屬其他場(chǎng)區(qū)面臨相似挑戰(zhàn)，這項(xiàng)技術(shù)有望成為多個(gè)場(chǎng)址機(jī)器人模擬應(yīng)用的藍(lán)本。

協(xié)作的價(jià)值

該模擬器的研發(fā)能力得益于RAICo合作匯集的專業(yè)知識(shí)。塞拉菲爾德有限公司擁有自身場(chǎng)址的專業(yè)認(rèn)知，并長(zhǎng)期認(rèn)可先進(jìn)數(shù)字模擬的價(jià)值，但內(nèi)部缺乏專業(yè)的機(jī)器人技術(shù)與三維可視化能力。

RAICo憑借其在核工程、機(jī)器人技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的綜合能力，已研發(fā)出解決該問(wèn)題的工具并積累了專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。不過(guò)，與塞拉菲爾德公司協(xié)作理解現(xiàn)場(chǎng)具體配置與挑戰(zhàn)同樣至關(guān)重要。最終誕生的是一款性能穩(wěn)定的工具，其交付速度更快、成本效益更高——這對(duì)塞拉菲爾德有限公司和納稅人而言是雙贏成果。

拉維·丘尼拉爾，塞拉菲爾德有限公司機(jī)器人與人工智能部門(mén)負(fù)責(zé)人評(píng)論道：“與RAICo的合作正在加速實(shí)現(xiàn)我們的使命，并為核退役領(lǐng)域的創(chuàng)新樹(shù)立了新標(biāo)桿，這一模式可在塞拉菲爾德及NDA旗下其他運(yùn)營(yíng)公司推廣復(fù)制。”

仿真技術(shù)并非全新事物，其在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)成熟。但在核退役領(lǐng)域，由于新技術(shù)應(yīng)用需遵循嚴(yán)格的安全規(guī)程，仿真應(yīng)用仍屬創(chuàng)新嘗試。當(dāng)前項(xiàng)目正打破這一局面，塞拉菲爾德有限公司期待在驗(yàn)證成功后快速推進(jìn)模擬器的規(guī)模化應(yīng)用。

當(dāng)然，該項(xiàng)目是塞拉菲爾德場(chǎng)區(qū)及NDA旗下更廣泛數(shù)字化行動(dòng)的一部分，旨在運(yùn)用無(wú)人機(jī)、機(jī)器人四足設(shè)備、虛擬培訓(xùn)及手套箱自動(dòng)化等數(shù)字工具提升安全性與作業(yè)效率。

核設(shè)施退役工程極其復(fù)雜，必須遵循極高的安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)今的退役場(chǎng)地涉及各類高難度空間中的多樣化修復(fù)任務(wù)——這些空間在設(shè)計(jì)時(shí)均未考慮現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)顯然具備加速實(shí)現(xiàn)這一使命的潛力。不存在能解決所有問(wèn)題的單一方案——挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)實(shí)在過(guò)于多元。像塞拉菲爾德這樣的場(chǎng)區(qū)需要精準(zhǔn)采用機(jī)器人與人工智能，針對(duì)具體挑戰(zhàn)逐個(gè)擊破，每次采用都應(yīng)使核退役任務(wù)更安全高效——從而整體加速進(jìn)程，降低核退役的風(fēng)險(xiǎn)與成本。