Development of a Virtual Training Simulator for Nuclear Power Plant Decommissioning

원전해체 가상훈련 시뮬레이터 개발

Abstract

Since the permanent shutdown of the Kori No. 1 reactor, research on nuclear power plant decommissioning has been actively conducted. The core facilities (reactor pressure vessel, steam generator, reactor coolant pump, and pressurizer) of a nuclear power plant have the highest radioactivity among the structures of a nuclear power plant, and the reactor pressure vessel (RPV) is the most radioactive object other than the nuclear fuel. In order to dismantle them, accurate preliminary information (2D, 3D models, etc.) and radiological characterization of the dismantling object are required, as well as feasibility studies of dismantling equipment and dismantling processes. However, it is impossible to review the dismantling process with only prior information and radiological characterization, and when using physical mock-ups, simulation and training in a virtual environment are necessary due to the difficulty of applying various dismantling equipment. In this paper, we developed a remote decommissioning training system that can improve the remote decommissioning technology of the nuclear power plant decommissioning process and the decommissioning skills of decommissioning workers by applying virtual reality and haptic technology.

고리 1호기 영구정지 이후 원전해체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 원자로발전소의 핵심설비(원자로압력용기, 증기발생기, 원자로냉각재펌프, 가압기)는 원자력발전소의 구조물 중 가장 높은 방사능을 가지고 있으며, 특히 핵심설비 중 원자로압력용기(RPV: Reactor Pressure Vessel)는 핵연료를 제외한 방사능이 가장 높은 대상물이다. 이를 해체하기 위해서는 해체 대상에 대한 정확한 사전정보(2D, 3D모델 등) 및 방사선학적 특성 분석 그리고 해체 장비, 해체 공정의 타당성 검토 등이 필요하다. 하지만 사전정보 및 방사선학적 특성 분석 만으로는 해체 공정 검토가 불가능하고, 물리적인 목업을 사용할 경우, 다양한 해체 장비 적용의 어려움으로 가상환경에서 시뮬레이션 및 훈련이 필요하다. 본 논문에서는 가상현실 및 햅틱 기술을 적용하여 원전해체 과정의 원격 해체 기술 및 해체 작업자의 해체 기술을 향상할 수 있는 원격 해체훈련 시스템을 개발하였다.

Ⅰ. 서론

원자력 발전소의 핵심설비는 핵연료를 제외한 방사능이 가장 높은 대상물로 원자로 격납 건물 안의 원자로압력용기(Reactor Pressure Vessel), 증기발생기, 원자로 냉각재 펌프, 가압기 등을 들 수 있고, 이러한 원자력발전소의 핵심설비를 해체하기 위해서는 해체 대상에 대한 정확한 사전 정보(2D도면, 3D모델링 등) 및 물리/ 화학 방사선학적 특성 분석 그리고 해체 장비 및 공정의 타당성 검토 등이 필요하다. 하지만 사전 정보 만으로는 원전해체에 대한 검토가 불가능하고, 물리적인 목업을 사용할 경우 다양한 해체 장비 및 공정의 적용이 어려움으로 3D 디지털 목업의 제작 및 훈련시스템이 필요하며, 실제 절단 로봇에 대한 원격제어를 위해서 실제 로봇과 가상 환경과의 연결이 필요로 하다.

그림 1과 같이 원자력 발전소의 원자로 격납 건물 안의 핵심시설 중 하나인 원자로 압력용기를 절단하여 이송 및 포장을 하는 해체 개요를 보여주고 있다. 원전 해체 훈련시스템 관련 사업은 3차원 CAD (Computer Aided Design)/CAE (Computer Aided Engineering) 기술이나 VR(Virtual Reality)/AR (Augmented Reality) 기술과 같은 각종 디지털 모델링 & 시뮬레이션 기술을 원전 내부 구조물 해체에 응용하고 특성화하려는 시도들이 다수 출현하고 있다.^[1][2][3][4]

그림 1. 원자력 압력용기 해체개요

Fig. 1. Nuclear Power Plant Decommissioning Overview

기존에 개발된 기술로는 절단 공정을 효율적으로 시뮬레이션할 수 없고, 원격지 환경에 대한 정보 부족, 소프트웨어인 사용자 인터페이스는 복잡한 조작법으로 인해 작업자 피로도 증가와 실수로 인한 고장 증가의 원인 등의 문제점으로 원격 해체 장비의 활용 영역 확대 및 작업 효율 증대의 장애물로 남아있다.

원자력발전소 해체 훈련시스템은 원격제어를 바탕으로 훈련시스템이 설계되어 있으며, 원격제어를 효과적으로 수행하기 위해서는 실제 작업 환경의 느낌을 받을 수 있는 마스터/슬레이브와 작업자 중심의 마스터 인터페이스 기술의 개발, 작업 공정별 원격작업 표준 기반을 구축하여 작업 시간을 단축 및 원격지 환경에 대한 정보를 얻을 수 있는 장비 구축으로 작업의 효율성 및 안전성을 높일 수 있어야 하다.^[5][6]] 본 논문에서는 그림 2와 같이 훈련자가 실제 작업 환경의 작업 환경의 느낌을 받을 수 있는 피드백과 작업자가 접근이 곤란한 고 방사성 핵심설비를 안전하게 절단 및 철거하기 위한 원격해체 조작장치와 절단 공정을 효율적으로 훈련 할 수 있는 가상훈련 시나리오와 마스터(햅틱장치)와 슬레이브(협동로봇)로 구성된 시스템이 적용된 원전해체 가상훈련 시뮬레이터를 제안한다.

그림 2. 훈련 시뮬레이터 구성도

Fig. 2. Training Simulator Diagram

Ⅱ. 원전해체 가상훈련 시나리오

원전해체 가상훈련 시나리오는 원격제어를 바탕으로 훈련 시나리오를 기획 및 제작하였다. 원격제어는 시간 지연, 실제 물체를 대상으로 작업하기 힘든 작업성, 원격지 환경에 대한 정보부족 복잡한 조작법으로 인해 작업자 피로도 증가 등의 문제점을 가지고 있다. 원격제어를 효과적으로 수행하기 위해서는 실제 작업 환경의 느낌을 받을 수 있는 마스터/슬레이브와 작업자 중심의 마스터 인터페이스 기술의 개발, 작업 공정별 원격작업 표준 기반을 구축하여 작업 시간을 단축 및 작업의 효율성, 안전성을 높일 수 있어야 한다. 그림 3은 원전해체 가상훈련 시나리오의 훈련 메뉴 구성도를 보여 주고 있다.

그림 3. 원전해체 훈련시스템 시나리오 메뉴 구성도

Fig. 3. Nuclear Decommissioning Training System Scenario Menu Diagram

그림 3은 원전 해체 훈련시스템 메뉴는 튜토리얼, 기본과정, 고급 과정, 원자력 발전소의 핵심설비 해체 과정을 경험할 수 있는 해체 공정 시나리오 및 기본 및 고급 과정의 시나리오를 편집할 수 있는 시나리오 편집으로 구성되어 있다. 튜토리얼 훈련 과정은 1명의 작업자가 매니퓰레이터 및 마스터 장비의 조작에 대한 친숙함을 높일 수 있도록 시나리오를 제작하였고, 기본과정은 1명 또는 2명의 작업자가 매니퓰레이터를 원격제어로 협업을 훈련을 할 수 있도록 제작하였다. 그리고 고급과정은 원자력 발전소의 1차 계통의 핵심 설비인 압력용기 절단과정을 훈련할 수 있고, 해체공정은 원자력압력용기 해체 절차에 대한 훈련을 진행할 수 있으며, 작업자의 숙달이 부족한 부분을 반복 및 훈련자 수준에 맞게 훈련 방법을 수정하여 반복 숙달을 향상할 수 있도록 전체 시나리오를 기획 및 제작하였다.

튜토리얼 훈련은 6가지의 콘텐츠(이동, 잡기, 이송1, 이송2, 쌓기, 넣기)의 훈련 과정으로 이루어져 있으며, 그림 4와 같다.

그림 4. 원전해체 튜토리얼 훈련 콘텐츠

Fig. 4. Nuclear Decommissioning Tutorial Training Content

기본훈련은 3가지의 훈련 콘텐츠(끼우기, 넣기, 절단)의 훈련과정으로 이루어져 있으며, 그림 5와 같다.

그림 5. 원전해체 기본훈련 훈련 콘텐츠

Fig. 5. Nuclear Decommissioning Basic Training Training Content

고급과정 훈련은 절단 숙달 훈련(튜브, 플레이트, 파이프(원통), 반구체) 4개 과정과 공정 숙달 훈련(압력용기헤드, 상부 내부 구조밀 집합체, 하부내부 구조물집합체, 압력용기)으로 구성되어 있으며, 각 훈련은 그림 6과 같다.

그림 6. 원전해체 고급훈련 콘텐츠

Fig. 6. Nuclear Decommissioning High-Training Training Content

해체공정 훈련은 압력용기(RPV-Reactor Pressure Vessel)의 3차원 이미지로 영상화하여 보여줌으로써 해체 공정 계획에 관한 개념을 구체적으로 형상으로 파악할 수 있도록 했으며, 특정 부분의 이벤트를 발생하여 공정 숙달 훈련을 수행할 수 있도록 설계, 구현하였고, 해체 공정 상황을 이해 함으로써 원자력 발전소의 해체 시 발생 가능한 잠재적 문제점을 정확히 파악하여 해체 작업의 효율성을 극대화시킬 수 있는 훈련이며, 그림 7과 같다.

그림 7. 해체훈련 콘텐츠

Fig. 7. Dismantling process training content

원전해체 가상훈련 훈련의 사작 및 종료는 그림 4와 같고, 시스템 초기화 및 시작 단계는 입력장비(haptic장치) 및 H./W 장비의 초기화 및 시스템의 GUI 화면을 구성하는 시스템 초기화 및 시작 단계 및 멀티 접속을 위해서 네트워크를 구성하며, 접속/사용자 로그인 단계는 훈련시스템의 GUI를 이용하여 시스템에 훈련자의 ID 및 비밀 번호를 입력 하여 접속(혼자 또는 두명이 협업하여 훈련을 진행) 하고, 콘텐츠 초기화 단계는 훈련 콘테츠를 로딩하고 훈련의 설정 값을 설정(기존의 세팅 값으로 진행 가능)하며, 훈련시나리오 실행 단계는 각 훈련의 시나리오에 맞게 훈련을 실행훈련 성과 평가, 진행사항 저장 단계이며, 관리자 평가 단계는 각 훈련은 훈련시나리오 평가를 관리자가 평가를 내리고, 훈련 반복 및 다음단계 시나리오 실행 단계는 관리자 평가를 통하여 반복 훈련 및 다음 단계 훈련시나리오 실행 단계이다. 마지막으로 훈련 시스템 종료 단계는 훈련시스템의 종료로 원전 해체 훈련을 마친다.

그림 8. 원전해체 가상훈련 시작 및 종료

Fig. 8. Starting and ending a nuclear decommissioning exercise

Ⅲ. 원전해체 훈련 시스템

원전해체 가상훈련 시나리오의 구성도로 2명의 훈련자와 한 명의 관리자로 구성되어 있으며, 훈련자는 가상의 환경 및 실 환경에서의 로봇 및 훈련을 수행할 수 있도록 구성되어 있으며, 가상의 환경에서 협업을 통한 훈련을 할 수 있도록 구성하였으며, 관리자는 가상의 환경에서 관전자 및 훈련자의 로그를 확인 후 훈련을 설정 할 수 있도록 구성되어 있고, 그림 9와 같이 훈련자가 마스터(햅틱 장치)를 이용하여 마스터의 장치의 좌표 값 및 힘-토크 값을 Robot Coordinator에 전달을 하면, Robot Coordinator에서 Robot Controller에 좌표 값으로 변환하여 전달을 하게 되고, Robot Controller에서 슬레이브 로봇을 움직이게 한다. 슬레이브 로봇에서 발생되는 힘-토크 값을 Robot Controller을 통하여 Robot Coordinator에 전달하면 Robot Coordinator는 힘-토크의 힘을 조절하여 마스터 장치로 보내게 된다.

그림 9. 훈련 시뮬레이터 구성도

Fig. 9. Training Simulator Diagram

가상환경의 경우는 마스터 장치의 좌표값 및 힘-토크값을 Robot Coordinator를 통해서 가상환경의 슬레이브 로봇에 전달을 하게 되고, 가상환경의 슬레이브 로봇에서 발생되는 힘-토크 값을 Robot Coordinator를 통햇 마스터 장치로 보내게 된다.

원전해체 훈련시스템은 그림 10과 같이 컨트롤 PC(Robot Coordinator)를 중심으로 마스터장치(7 DOF haptic 장치, 풋스위치), 가상환경 훈련 시나리오, 슬레이브 로봇(협동로봇)으로 구성되어 있다.

그림 10. 마스터 슬레이브 통합 제어 시스템 구성도

Fig. 10. Master-slave integrated control system diagram

슬레이브 로봇의 힘/토크를 마스터 장치에 전달하여 조작자가 로봇의 움직임을 피드백받기 위하여 양방향 원격제어(bilateral teleoperation) 알고리즘, PP (Position to Position) 모드를 적용하여 마스터 장치와 슬레이브 로봇 끝단의 6 자유도 위치가 동일하도록 제어하였으며, PP 모드 양방향 원격제어 알고리즘의 블록 다이어그램은 그림 11과 같다.

그림 11. PP모드 양방향 원격제어 블록다이어그램

Fig. 11. PP Mode Bidirectional Remote Control Block Diagram

마스터 시스템은 크게 위치, 회전 및 그립퍼 3가지 경우로 나눌 수 있으며, 위치의 경우 마스터 시스템 및 슬레이브 로봇 끝단의 위치 정보를 피드백 받아 PD 제어기를 통해 제어되며 식 1과 같다.

\(\begin{align}\boldsymbol{u}_{m}^{p a s}=\boldsymbol{K}_{p}^{m}\left(\frac{\boldsymbol{x}_{s}}{\alpha_{p}}-\boldsymbol{x}_{m}\right)+\boldsymbol{K}_{d}^{m}\left(\frac{\dot{\boldsymbol{x}}_{s}}{\alpha_{p}}-\dot{\boldsymbol{x}}_{m}\right)\end{align}\)       (1)

여기서 K^m_p은 마스터 시스템의 위치 게인 대각 행렬, K^m_d은 마스터 장치의 위치 게인 대각 행렬, x_m은 마스터 시스템의 3자유도 (x_s, y_s, z_sx_m, y_m, z_m) 위치, x_s는 슬레이브 로봇 끝단의 3자유도 위치 (), u_mpos은 마스터 시스템의 3자유도 위치 제어 입력, ⍺_p는 원격제어 위치 스케일상수를 의미한다. 그리고 계산된 3자유도 위치 제어 입력을 햅틱 마스터 제어기에 전달하여 마스터 시스템의 위치를 제어하며, 회전의 경우에는 슬레이브 로봇마다 회전각을 정의하는 방식이 다르므로 각각의 슬레이브 로봇에 따라 제어 방법이 다르다. Indy7 슬레이브 로봇의 경우 ZYX 상대 오일러 각을 이용하여 끝단의 회전각을 표현하며, 오일러 각의 경우 조작자가 쉽게 이해를 할 수 있는 장점이 있지만 짐벌락 (gimbal lock)과 같이 특이점 문제를 반드시 해결해야 하는 단점을 가진다.

그림 12와 같이 ZYX 상대 오일러 각에서 마스터 시스템의 3자유도 회전각으로 변환하는 과정은 다음과 같다.

그림 12. 슬레이브 로봇 끝단 회전각에서 마스터 시스템의 회전각으로 변환 과정

Fig. 12. Conversion process from slave robot end rotation angle to master system rotation angle

그림 12에서 θ_xs, θ_ys, θ_zs는 ZYX 상대 오일러 각, R은 슬레이브 로봇 끝단의 현재 rotation matrix, R_ini는 슬레이브 로봇 끝단의 원격제어 초기 rotation matrix, ln(·)은 SO(3)의 logarithm 함수, \(\begin{align}\hat {x}\end{align}\)는 so(3) vector, θ_xm, θ_ym, θ_zm은 마스터 시스템의 3자유도 회전각, ⍺_o는 원격제어 회전 스케일상수를 의미한다. 결과적으로 마스터 장치와 슬레이브 로봇 끝단의 6 자유도 및 그립퍼 위치가 동일해지면서 조작자에게 현재 슬레이브 로봇의 힘/토크 정보를 전달할 수 있다.

Ⅳ. 시스템 구축 및 실험 결과

원전 해체 가상훈련 시뮬레이터는 그림 13과 같이 제작을 하였다. 원전 해체 가상훈련 시뮬레이터는 OS: Windows 10 Pro, 4개의 PC(CPU: Intel i9-12900k, GPU: GeForce RTX3070, RAM: 32GB), 마스터 장비(Hpatic device), force dimension delta.3 그리고 슬레이브 로봇(Manipulator)은 뉴로메카, Indy7으로 구성되어 있으며, 가상 환경은 Unity 2.4.4 버전으로 제작하였다.

그림 13. 개발된 원전해체 가상훈련 시뮬레이터

Fig. 13. Developed a virtual training simulator for nuclear power plant decommissioning

통합 마스터 시스템의 힘/토크 구현 범위를 검증하기 위하여 특정 위치에 통합 마스터 시스템을 고정시킨 후 최대 힘/토크 범위를 측정하였다. 고정시킨 위치에서 조작자가 6자유도(위치 3축 + 회전 3축)로 강제로 움직임을 발생시켜 고정위치를 유지하기 위한 통합 마스터 시스템의 반력을 측정하여 그래프로 표현하였다.

그림 14와 그림 15에서와 같이 측정 결과를 확인할 수 있으며 세부적인 결과 값을 표 1로 정리하였다. 그리고 양의 방향 및 음의 방향에 상관없이 모든 방향에서 목표치인 20 N, 150 mNm 이상의 힘/토크가 측정되어 훈련자가 슬레이브 로봇 및 가상환경에서 전달 받는 힘/토크를 구현하였다.

그림 14. 통합 마스터 시스템의 힘 측정 결과

Fig. 14. Force measurement results for an integrated master system

그림 15. 통합 마스터 시스템의 토크 측정 결과

Fig. 15. Torque measurement results of the integrated master system

표 1. 통합 마스터 시스템의 힘/토크 구현 가능 범위

Table 1. Force/torque realizable range for integrated master systems

Ⅴ. 결론

본 논문에서 제안하는 원전 해체 훈련시스템은 가상현실 기술과 햅틱 기술을 적용하여 작업자의 부하 및 숙련도를 향상하고, 훈련자의 훈련 데이터를 분석하여 평가의 신뢰성 및 부족한 훈련 부분을 보완할 수 있는 훈련 시뮬레이터 및 실제 부하인 힘-토크가 적용되는 것을 실험을 통하여 검증하였다. 하지만 원전의 세부 도면, 구조물 절단에 관련된 피드백, 절단 훈련 시나리오의 완성도가 부족하다. 향후 훈련시스템에서는 훈련 시나리오 추가 및 시나리오의 완성도 향상 그리고 원격 절단 뿐만 아니라 해체 지원에 관한 훈련 시나리오 및 관련 시뮬레이터도 연구가 진행되어야 할 예정이다.