基于虛擬現實技術的“華龍一號”主控制室模擬機系統

李溪韻,張 帆,梁晨晨

(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.中國核工業集團公司,北京 100822)

主控制室是維持核電廠安全和正常運行的重要場所,操縱員在主控制室中集中完成核電廠的監視和控制工作。由于人的因素對核電廠的安全運行有著至關重要的影響,因此核電廠通常使用主控制室模擬機在設計階段對主控制室的人因工程性能進行驗證,并使用模擬機構建核電廠的真實運行工況場景對操縱員進行訓練。

核電廠主控制室模擬機根據應用范圍和側重點不同,可分為工程驗證模擬機和全范圍模擬機兩種,前者用于設計階段對主控制室的人因工程及儀控功能進行驗證,后者用于核電廠操縱員的訓練。核電廠主控制室模擬機一般需要構建1∶1的實際主控制室模型 (工程驗證模擬機可適當簡化),用以完成人因工程驗證和訓練任務。對于人因工程的驗證,在環境條件 (如照明設計、裝修材質和配色方案等)、設備布置等方面如需對設計進行修改或優化,對于實際主控制室模擬機房間的修改非常困難。同時對于設計方,不同型號的主控制室需要獨立的工程驗證模擬機房間,隨著工程項目的更迭存在所占空間大、復用率低的問題。對于運營單位的訓練任務,一套占地約300 m2的全范圍模擬機同時只能供一組操縱員進行訓練,對于機組數量較多的廠址,需要配備一定規模的模擬機中心才能滿足訓練需求。

隨著計算機圖形學和硬件技術的發展,虛擬現實 (Virt ual Reality,VR)技術已被廣泛的應用到了醫學、室內設計、軍事航天等領域[1]。近些年來國內外的研究設計機構也逐漸將VR技術應用到了核電廠的設計當中,如非數字化電廠主控制室的模擬[2]、現場設備的維修操作[3]、電廠模型漫游[4]等。以上VR技術在核電廠中的應用主要用于實際操作和設計效果的展示,且操作界面為常規控制器 (如開關、按鈕等)或等效的計算機操作窗口,對于 “華龍一號”高度數字化的主控制室人機界面,仍需在現有VR技術的基礎上進行擴展,以實現對應的仿真功能。

基于以上情況,“華龍一號”的設計過程中提出了一套基于VR技術的核電廠主控制室模擬機方案,使用VR設備和其他人機接口在最小化的空間內構建主控制室的實際環境和監控功能,為設計者提供人因工程的驗證平臺,為主控制室環境裝修方案的生成和評審提供參考,同時可作為全范圍模擬機的補充為操縱員提供訓練的手段。相對于傳統工程驗證模擬機的方案,基于VR技術的模擬機成本低、靈活性強,在工程設計初期彌補傳統模擬機系統的空缺。基于VR技術的模擬機和實體主控制室模擬機可以優勢互補,提高設計驗證和操縱員訓練的效果。

1 技術特點

VR技術通過計算機生成實時三維圖像并配合其他傳感設備對用戶的行為進行響應,讓用戶體驗到真實環境中的感受。此前VR技術曾用于展示核電廠的結構,讓用戶在核電廠中自由移動,深入直觀地了解電廠的每個細節。而基于VR技術的主控制室模擬機的側重點與其他應用有所不同,其側重點在于在VR系統中提供與真實核電廠主控制室相同的運行功能,使設計者可以在仿真的運行環境當中評估人機接口設計的性能,也能使操縱員使用該系統進行主控制室運行相關的培訓。“華龍一號”基于VR技術的主控制室模擬機在技術上支持數字化人機接口的模擬,具有靈活性強、空間利用率高的特點。

目前,國內新建核電廠的主控制室均采用數字化人機接口,操縱員利用計算機工作站的鼠標、鍵盤和顯示器實現對電廠的監控,將數字化的監控手段集成到VR系統中是本模擬機系統中的一項關鍵技術。在基于VR的主控制室模擬機中,主控制室計算機工作站上的畫面被實時投影在了VR系統中,用戶在VR環境中自由移動的基礎上,還可以使用真實環境中的鼠標和鍵盤與VR環境中計算機工作站進行交互,遠程操作真實環境中的模擬機工作站,配合傳統模擬機的電廠工況和響應的模擬功能,在VR環境中實現對電廠的監視和控制。

傳統的工程驗證模擬機和全范圍模擬機需要建造近乎完整的主控制室模型,而基于VR技術的主控制室模擬機的搭建則更為靈活。兩者在模擬儀控邏輯和電廠熱工水力模型上是相同的,但基于VR技術的主控制室不需要搭建1∶1的實體主控制室模型,并可以在設計的各個階段自由調整主控制室的環境和布置,可以隨時構建并驗證主控制室各個方面 (照明、布置、設備外形等)的不同設計方案,而基于實體的主控制室模擬機一經建立很難在進行大范圍修改。在現有的主控制室設計流程當中,需要通過MOCKUP的形式對主控制室布置和設備外形設計進行推演后再建立實體的主控制室模擬機。在這一方面,基于VR技術的主控制室模擬機可以取代人因工程審查大綱中要求的MOCKUP活動[5],并將光照、材料反射等條件在建立實體主控制室模擬機前體現到設計驗證的模型當中,使設計成果更加真實可靠。

此外,基于VR的主控制室模擬機可以極大程度上減小模擬機所占面積。以電廠的全范圍模擬機訓練中心為例,一套全范圍模擬機需要約300 m2的房間來訓練一組操縱員,而基于VR技術的主控制室模擬機每個操縱員僅需要一個單人工位就能模擬在主控制室中的工作環境,一組操縱員僅需約30 m2的房間即可完成訓練任務,極大的提高了空間利用率。而對于設計者的工程驗證模擬機,一套VR設備可以同時用來模擬多套主控制室的方案,提高了工程驗證模擬機的復用性。

2 實施方案

“華龍一號”的主控制室中主要包括計算機化工作站和常規控制盤兩類人機接口設備,具體包括四套計算機化工作站、八個大屏幕顯示器、一套坐姿緊急操作臺、一套站姿后備盤以及其他儀控系統外的人機接口設備,人機接口及主控制室環境設計符合人因工程的要求。與傳統的模擬機系統相似,基于VR技術的模擬機可以模擬主控制室的人機接口功能、設備布置和照明環境。為盡量減小模擬機所占空間,目前主流的模擬機驗證平臺采用觸摸屏的方式來模擬常規控制盤,因此基于VR技術的主控制室模擬機主要需要在軟件的三維環境中實現計算機屏幕的功能,具體方案如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System str ucture

該系統由模擬機服務器、VR服務端和VR用戶界面三部分組成,其中模擬機服務器與現有主控制室模擬機功能相同,包含了電廠儀控系統的邏輯、計算機化人機界面以及模擬電廠工藝系統響應的功能。

VR服務端用于生成用戶所需的VR圖像,并接收用戶在虛擬空間內移動、變換視角、改變站/坐姿等動作的信號輸入。VR圖像由主控制室設計方案的三維模型、模擬機服務器提供的動態畫面以及攝像頭采集的輔助監視畫面合成而成。其中 “華龍一號”的主控制室中主要設置了八塊大屏幕和四套計算機化工作站 (每套工作站配六臺顯示器),需要VR服務端采集并合成的畫面規模較大。模擬機服務器的工作站畫面信號的傳輸有以下幾種方案可選:

1)視頻信號傳輸:直接使用模擬機服務器上的視頻輸出接口 (如VGA、HDMI等),VR服務端使用視頻采集卡接收信號。該方案的優點是不需要模擬機服務器進行額外的開發,便于對已建成的模擬機系統進行虛擬化改造以及初步設計中最小化方案的搭建;缺點是大量的畫面信息對采集卡的硬件要求較高。

2)流媒體信號傳輸:計算機化的畫面信息通過網絡流媒體協議 (如RTSP、MMS等)傳送到VR服務端。該方案對硬件要求較低,但流媒體傳輸協議需要在VR服務端建立視頻緩存,會導致畫面信號存在延遲,不適合需要實時響應操縱員控制命令的工作站畫面,但可以用來傳輸主控制室大屏幕的畫面信號 (僅顯示電廠的綜合狀態,無控制功能),以降低對采集卡硬件上的要求。

3)矢量化信號傳輸:通過模擬機服務器和VR服務端開發專用的信號傳輸協議,將畫面信息轉化為x ml格式并將部分資源保存在VR服務端上,以降低信號傳輸的負荷。該方案可大幅提高畫面信號傳輸的效率,但需要較大的開發工作量,在項目初期難以實現。

基于以上方案的特點,在 “華龍一號”項目初期構建的VR模擬機系統采用視頻信號和流媒體信號共用的形式,工程化階段將繼續研究矢量化信號傳輸以提升系統的性能。

由于 “華龍一號”主控制室中顯示器數量很多,實時更新所有顯示器的畫面信號會對系統性能產生影響,因此VR圖像中只對用戶視線所在的一個或多個顯示器進行視頻信號的實時更新,其他顯示器在VR中的畫面處于暫停狀態,VR主機將根據操縱員的視線自動向模擬機服務器發出視頻信號的切換命令。根據模擬機使用功能的不同 (如驗證人機接口功能或主控制室環境設計),系統可以在實時更新視頻信號數量和環境渲染質量之間進行取舍,以在有限的系統性能下達到最佳的使用效果。模擬機服務器所提供的畫面即操縱員在計算機化工作站上監控電廠所用的畫面,該畫面通過視頻信號傳遞給VR主機進行合成,同時響應用戶的鼠標鍵盤指令,響應方式和接口與直接使用模擬機工作站相同。

除此之外,考慮到用戶使用VR設備 (如VR眼鏡)時無法觀察真實世界中鼠標鍵盤的位置,會影響操作效率,VR服務端的攝像頭可以拍攝用戶使用鼠標鍵盤的情況,并由用戶在需要時進行調用。VR服務端還設置了用于調整系統配置的鼠標和鍵盤,維護人員可以在此調整使用者的站姿/坐姿眼高數據、選擇用以模擬的場景、調整環境條件或對程序代碼進行修改。

VR用戶界面由VR設備、操縱桿和鼠標鍵盤構成。由于基于VR的主控制室模擬機的重點是在最小化的空間內模擬操縱員使用主控制室的人機接口監控電廠,因此操縱員在主控制室內的物理運動并不是VR模擬機的重點,在實施中通常使用操縱桿來實現操縱員的站/坐姿切換和方位移動,并通過鼠標鍵盤在虛擬的工位上對電廠進行監控。VR用戶界面的鼠標鍵盤直接與模擬機的工作站相連,控制命令和監視需求直接發送到模擬機工作站的主機中,再通過視頻信號反送到VR主機,在主機中與其他圖像信號合成后通過VR設備展示給操縱員,形成完整的VR環境下輸入和反饋的回路。

在以上系統結構的基礎上,基于VR的主控制室模擬機還可以根據用戶需求進行功能擴展,根據不同的應用場景有針對性的優化各項功能,具體方向如下:

1)設計和驗證平臺方向:該方向將側重于實現系統方案的快速部署,以及特定環境條件的針對性模擬,如光照環境、音響環境等,協助設計人員完成主控制室的人因工程設計。

2)參觀展示用途方向:該方向將側重于提供優質的用戶體驗,通過體感動作捕捉、立體全息影像等技術來提高用戶體驗,使用戶可以快速身臨其境地感受主控制室的設計。

3)模擬機培訓方向:該方向將側重于模擬實際電廠主控制室的工作環境,具體側重于多用戶協同操作功能,用戶間語音通信功能,以及實現實體全范圍模擬機中其他功能。

3 初步方案示例

為驗證方案的可行性,“華龍一號”項目初期搭建了該系統的初步演示程序。該程序基于Unreal Engine 4的開源平臺,設計輸入采用 “華龍一號”的實際主控制室設計,模擬機服務器采用福清5、6號機組的模擬機驗證平臺,VR服務端通過視頻采集卡從模擬機服務器獲取主控制室計算機化工作站上的畫面信號,通過網絡流媒體協議獲取主控制室大屏幕畫面。程序效果如圖2和圖3所示。

圖2 “華龍一號”主控制室主要設備模型Fig.2 Model of main equip ment in HPR1000 main control r oo m

圖3 初步效果展示Fig.3 Demonstration of preli minar y effects

該程序中實現了模擬機工作站畫面在三維虛擬環境中的投影,并使用戶可以通過外部的鼠標鍵盤和虛擬環境中的工作站進行互動,實現了系統的主要功能。隨著硬件水平的提升,該程序的性能還有進一步優化的空間。

4 結論和展望

基于VR技術的主控制室模擬機在 “華龍一號”項目中提供了一種多樣化的設計驗證和操縱員訓練的方式,該系統具有成本低、靈活性高、復用性強的特點。除 “華龍一號”項目以外,該系統還可以應用到其他堆型的核電廠中,特別是對于不確定性較大的首堆項目 (如霞浦600 MW示范快堆項目),該系統可以有效地解決主控制室布置和人機接口設計的不確定性對模擬機系統的影響。待技術成熟之后,該系統也有應用到其他行業之中的可能。

目前系統的技術方案當中,基于視頻信號的畫面傳輸是該技術的一個瓶頸,在硬件資源有限且沒有高效的信息交互手段的情況下,畫面的質量和刷新率受系統性能制約,尚未達到工程化的高度。后續工作將在現階段系統初步模型的基礎上,對系統的軟硬件性能進行優化,解決這一瓶頸問題,同時根據具體的應用場景對系統功能進行擴展和個性化定制,實現該系統的工程化應用。

[1]張占龍,羅辭勇,何為．虛擬現實技術概述 [J]．計算機仿真,2005,22(3):1-3,7．

[2]劉鵬飛,楊燕華,楊永木．虛擬現實技術在核電廠仿真中的應用 [J]．原子能科學技術,2008,42:169-175．

[3]李淼．核電站換料維修仿真系統的研究與實現 [D]．河北:華北電力大學,2013．

[4]閻光偉,王瑞華．核電站三維動態仿真系統 [J]．電力系統自動化,2012,36(1):107-111．

[5]NRC U S．Hu man Factors Engineering Pr ogram Review Model[R]．New Yor k:Office of Nuclear Regulatory Research,2012．