基于VR技術(shù)的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉陽(yáng)力，程俊杰，薛琳娜，王云偉，王黎澤，林 樺

(國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241)

0 引言

核電廠模擬機(jī)是核電廠操縱員培訓(xùn)[1]、考取執(zhí)照[2-3]的重要設(shè)備。自主研發(fā)的國(guó)和一號(hào)示范工程1#機(jī)組屬于第三代核電技術(shù)[4]。國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)是以國(guó)和一號(hào)示范工程1#機(jī)組作為參考機(jī)組，滿足培訓(xùn)和執(zhí)照考試需求的設(shè)備。

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)[5-6]技術(shù)在核能行業(yè)得到了越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。培訓(xùn)操縱員的核電廠模擬機(jī)的建造成本非常高，且需占用大量的現(xiàn)場(chǎng)空間。針對(duì)傳統(tǒng)模擬機(jī)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了1種虛擬國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)。在20多平方米的空間中，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸獲得最小范圍模擬機(jī)的真實(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合VR場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了虛擬的1∶1等比例結(jié)構(gòu)布置的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)主控制室和遠(yuǎn)距離停堆室。用戶穿戴VR交互設(shè)備，在逼真的場(chǎng)景中體驗(yàn)國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)的結(jié)構(gòu)布置、運(yùn)行狀態(tài)，以及接受設(shè)備檢查、停堆操作、報(bào)警處理等場(chǎng)景培訓(xùn)。這可以滿足不在模擬機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的用戶體驗(yàn)以及接受設(shè)備檢查、停堆操作、報(bào)警處理的培訓(xùn)需求，并大幅度降低建造成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)的仿真運(yùn)行與控制中心采用實(shí)物仿真，包括主控制室[7-8]、遠(yuǎn)距離停堆室、技術(shù)支持中心和應(yīng)急指揮中心內(nèi)的模擬設(shè)備。模擬機(jī)模型服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器等服務(wù)器，以及各操縱員工作站、大屏幕工作站等工作站均布置在計(jì)算機(jī)室內(nèi)。

基于VR技術(shù)的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)系統(tǒng)主要包括硬件層、軟件層、應(yīng)用層。模擬機(jī)服務(wù)器運(yùn)行最小模擬機(jī)系統(tǒng)的真實(shí)畫面信號(hào)。VR服務(wù)器運(yùn)行主控制室和遠(yuǎn)距離停堆室的三維(three-dimensional，3D)場(chǎng)景。VR主機(jī)結(jié)合位置跟蹤器、頭顯/手柄監(jiān)視畫面。VR服務(wù)器和VR主機(jī)中運(yùn)行的軟件將畫面信號(hào)、3D場(chǎng)景、監(jiān)視畫面數(shù)據(jù)合成VR圖像，根據(jù)頭顯/手柄交互操作實(shí)時(shí)刷新交互界面。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括2部分內(nèi)容，即基于VR技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)和硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2.1 VR硬件設(shè)計(jì)

基于VR的核電廠模擬機(jī)可以極大程度地減少模擬機(jī)所占空間。基于VR技術(shù)的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)，在20多平方米的房間即可完成硬件布局。硬件設(shè)備主要包括VR主機(jī)、VR服務(wù)器、模擬機(jī)服務(wù)器、路由器、5G Wi-Fi、頭顯/手柄、位置跟蹤器、投影機(jī)/大屏幕等。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.2 硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)的模型服務(wù)器和各操縱員工作站、大屏幕工作站等通信速率為1 000 Mbit/s。3臺(tái)VR主機(jī)、1臺(tái)VR服務(wù)器、4臺(tái)模擬機(jī)服務(wù)器和路由器及5G Wi-Fi構(gòu)成基于VR技術(shù)的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)系統(tǒng)局域網(wǎng)。最小范圍模擬機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)模型服務(wù)器。基于VR技術(shù)的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分：3D模型、最小范圍模擬機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 3D模型

本文采用3D建模技術(shù)構(gòu)建虛擬國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)場(chǎng)景。根據(jù)國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集的圖片資料、場(chǎng)景尺寸和CAD圖紙等信息，建模工程師采用建模軟件3DS Max將國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)場(chǎng)景復(fù)原成1∶1比例的虛擬場(chǎng)景，以提供3D場(chǎng)景的模型數(shù)據(jù)源。創(chuàng)建仿真主控制室和仿真遠(yuǎn)距離停堆室內(nèi)的主/次安全專用盤、常規(guī)島汽機(jī)控制盤、多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(diverse actuation system,DAS)盤、主控制室(main control room,MCR)/遠(yuǎn)距離停堆室(remote shutdown room,RSR)切換盤、遠(yuǎn)距離停堆控制盤上的開關(guān)、儀表等控制和指示裝置及大屏幕的各個(gè)部件的3D模型。其節(jié)點(diǎn)和動(dòng)畫需進(jìn)行分組，并按一定規(guī)則命名。在3D模型構(gòu)建過(guò)程中，首先點(diǎn)擊“場(chǎng)景樹”窗口，然后選擇模型對(duì)象，最后編寫代碼和配置文件，從而實(shí)現(xiàn)3D模型的創(chuàng)建、修改、增加和刪除。

3.2 最小范圍模擬機(jī)系統(tǒng)

國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)采用模擬仿真方式實(shí)現(xiàn)對(duì)參考機(jī)組工藝系統(tǒng)的仿真，采用虛擬仿真方式實(shí)現(xiàn)非安全級(jí)儀控系統(tǒng)[9]的level 1邏輯仿真，采用模擬仿真方式實(shí)現(xiàn)安全級(jí)儀控系統(tǒng)和其他第三方儀控系統(tǒng)的level 1邏輯仿真，并采用實(shí)物仿真方式實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬機(jī)主控制室和相應(yīng)level 2人機(jī)接口設(shè)備的軟硬件模擬。

國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)模型如圖4所示。

機(jī)組工藝系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)使用物理方程和數(shù)值解法或相應(yīng)的假設(shè)以模擬相應(yīng)的物理現(xiàn)象。除了功能性模擬的模型以外，其他模型均基于相應(yīng)的數(shù)學(xué)原理和守恒方程進(jìn)行建模。在所確定的仿真范圍中，模型能夠?qū)﹄姀S所有的正常、異常和瞬態(tài)工況進(jìn)行連續(xù)的仿真，而不需要在模型或配置上作切換。最小范圍模擬機(jī)系統(tǒng)主要包括反應(yīng)堆堆芯模型[10]、熱工水力模型、電氣系統(tǒng)模型和儀控模型。

3.2.1 反應(yīng)堆堆芯模型

反應(yīng)堆堆芯模型是基于時(shí)間相關(guān)的中子物理計(jì)算方程，并能實(shí)時(shí)運(yùn)算的3D模型。該模型包括以下內(nèi)容。

①計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的2群中子通量。

②計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的6組緩發(fā)中子量。

③基于ANSI-5.1標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的衰變熱。

④徑向節(jié)點(diǎn)為單一燃料組件。

⑤縱向至少為18節(jié)點(diǎn)。

⑥3個(gè)燃料周期點(diǎn)。

反應(yīng)堆堆芯模型在任何工況，在保持堆芯幾何構(gòu)造完整性條件下，都能準(zhǔn)確地模擬以下參數(shù)。

①中子通量。

②緩發(fā)中子。

③核功率。

④伽馬輻射。

⑤多普勒燃料溫度系數(shù)。

⑥中子通量探測(cè)器的響應(yīng)。

⑦瞬發(fā)裂變釋熱和衰變熱。

⑧裂變產(chǎn)物和氣體的產(chǎn)生。

⑨慢化劑密度和溫度系數(shù)、空泡份額。

⑩控制棒、氙毒和釤毒，以及硼濃度對(duì)堆芯反應(yīng)率的影響。

3.2.2 熱工水力模型

①一回路熱工水力模型。一回路熱工水力模型用于模擬冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路、反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器、冷卻劑泵、補(bǔ)水箱、蒸汽發(fā)生器，以及主蒸汽閥門和所有相關(guān)的管道和閥門。一回路熱工水力模型是兩相流、非均衡、非均質(zhì)模型，至少由2個(gè)液相和氣相的質(zhì)量守恒方程、2個(gè)液相和氣相的能量守恒方程以及1個(gè)單一的、針對(duì)液相和氣相的混合動(dòng)量守恒方程組成。該模型還包括氣態(tài)的和溶解的不可凝氣體的質(zhì)量守恒方程，硼及其他化學(xué)成分的輸運(yùn)，以及放射性物質(zhì)的輸運(yùn)。

②二回路熱工水力模型。除反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)外，所有的流體系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器的模型都應(yīng)使用高精度的圖形建模軟件進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)管道儀表圖(piping and instrument diagram,P&ID)，流體網(wǎng)絡(luò)模型能可視化地、動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)在工程師站上。模型部件的配置能準(zhǔn)確表達(dá)系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)或制造的幾何形狀。模型的開發(fā)中使用實(shí)際的P&ID(包括閥門、過(guò)濾器及配件等)。管道直徑、長(zhǎng)度、粗糙度明確地反映在建模中。這樣，系統(tǒng)的流動(dòng)特性就能很好地體現(xiàn)，而不用來(lái)回調(diào)整流體的流導(dǎo)系數(shù)。在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)，模型計(jì)算出的壓降準(zhǔn)確地反映在所有流道中。

3.2.3 電氣系統(tǒng)模型

電氣系統(tǒng)模型模擬備用電源的功率、頻率、電壓和電流以及主發(fā)電機(jī)與外電網(wǎng)之間的連接。對(duì)電力系統(tǒng)模型的輸入包括泵和風(fēng)機(jī)的狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)和繼電器保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)，以及其他自動(dòng)裝置故障狀態(tài)信息和在教練員站上設(shè)置的外部參數(shù)。

3.2.4 儀控模型

模擬機(jī)系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)采用了實(shí)物仿真、虛擬仿真和模擬仿真3種方式相結(jié)合的解決方案。該方案的特點(diǎn)是仿真逼真度高、便于后期維護(hù)。

①模擬機(jī)系統(tǒng)的仿真主控制室、仿真遠(yuǎn)距離停堆室采用1∶1實(shí)物仿真，所有硬件的外觀和布置與參考機(jī)組相應(yīng)的設(shè)備完全相同，但無(wú)抗震要求。

②模擬機(jī)系統(tǒng)的仿真技術(shù)支持中心，復(fù)制參考機(jī)組技術(shù)支持中心內(nèi)的4臺(tái)操作站、打印裝置和通信設(shè)備以及會(huì)議桌等辦公設(shè)備。

③模擬機(jī)系統(tǒng)的仿真數(shù)量顯示與處理系統(tǒng)(data display and processing system,DDS)采用實(shí)物仿真，使用與參考機(jī)組相同的軟件和硬件，但無(wú)冗余配置要求。

④模擬機(jī)系統(tǒng)的仿真電廠控制系統(tǒng)(plant control system,PLS)采用虛擬仿真，使用NuCON平臺(tái)的軟控制器作為載體，直接導(dǎo)入控制邏輯組態(tài)文件進(jìn)行仿真。

⑤模擬機(jī)系統(tǒng)的仿真保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(protection and safety monitoring system,PMS)和DAS采用純模擬的方式，使用仿真平臺(tái)進(jìn)行建模仿真。其位于主控制室的人機(jī)接口設(shè)備安全網(wǎng)畫面人機(jī)接口(safety graphic userinterface,SGUI)和DAS控制盤采用1∶1實(shí)物仿真。

⑥NuCON平臺(tái)與仿真平臺(tái)之間的通信，使用并行配置的接口服務(wù)器SimCom完成，包括教練員站仿真控制指令的傳遞和執(zhí)行反饋。

⑦仿真主控制室和仿真遠(yuǎn)距離停堆室內(nèi)的盤(主次安全專用盤、常規(guī)島汽機(jī)控制盤、DAS盤、MCR/RSR切換盤、遠(yuǎn)距離停堆控制盤)上的開關(guān)、仿真儀表等控制和指示裝置，通過(guò)I/O接口與電廠模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(plant model computer system,PMCS)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)的儀控模型采用了先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)。該技術(shù)可以在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，最大程度地保證數(shù)字化儀控系統(tǒng)的仿真逼真度和精度；同時(shí)，在模擬機(jī)集成和測(cè)試過(guò)程中，對(duì)工程實(shí)際儀控系統(tǒng)起到設(shè)計(jì)驗(yàn)證作用，并反饋設(shè)計(jì)問(wèn)題，以提高儀控系統(tǒng)測(cè)試效率、縮短調(diào)試周期。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸主要包括VR主機(jī)、VR服務(wù)器與模擬機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)之間的模型數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

①VR服務(wù)器和VR主機(jī)運(yùn)行VR程序啟動(dòng)虛擬場(chǎng)景，通過(guò)頭盔或鼠標(biāo)選擇進(jìn)入多人協(xié)同場(chǎng)景或自動(dòng)漫游場(chǎng)景。

②虛擬場(chǎng)景中，屏幕畫面按照真實(shí)模擬機(jī)服務(wù)器運(yùn)行的最小范圍仿真模擬機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)并實(shí)時(shí)刷新場(chǎng)景顯示。

③虛擬場(chǎng)景中，操作鼠標(biāo)、鍵盤、手柄，VR服務(wù)器和VR主機(jī)根據(jù)操作指令向真實(shí)的模擬機(jī)服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)；模擬機(jī)服務(wù)器將最小范圍模擬機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)流返回到VR主機(jī)和VR服務(wù)器；數(shù)據(jù)流合成圖像，刷新虛擬場(chǎng)景屏幕顯示畫面。

數(shù)據(jù)傳輸流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.3.1 虛擬場(chǎng)景顯示

虛擬場(chǎng)景顯示是對(duì)模型相關(guān)的文件進(jìn)行管理、對(duì)顯示的模型進(jìn)行渲染，以實(shí)現(xiàn)模型的虛擬顯示。根據(jù)場(chǎng)景中的屏幕編號(hào)，通過(guò)輪詢方式，虛擬場(chǎng)景顯示程序向模擬機(jī)服務(wù)器請(qǐng)求當(dāng)前屏幕畫面的數(shù)據(jù)，模擬機(jī)服務(wù)器返回當(dāng)前畫面的數(shù)據(jù)流。虛擬顯示程序?qū)?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為圖像后顯示到相應(yīng)的屏幕上。

3.3.2 屏幕動(dòng)態(tài)管理

受模擬機(jī)服務(wù)器中的用戶界面程序NuCON的限制，每臺(tái)計(jì)算機(jī)最多只能運(yùn)行8個(gè)實(shí)例。因此，需要將虛擬場(chǎng)景中的32個(gè)屏幕畫面分配到4個(gè)模擬機(jī)服務(wù)器上，并給屏幕畫面分配唯一編號(hào)。模擬機(jī)服務(wù)器使用可拓展標(biāo)記語(yǔ)言(extensible markup language,XML)文件，配置8個(gè)屏幕畫面的編號(hào)，并對(duì)8個(gè)屏幕畫面進(jìn)行啟動(dòng)、關(guān)閉、實(shí)時(shí)截圖的管理。屏幕動(dòng)態(tài)管理軟件主要包括UiServer、JavaServer和ActiveServer。UiServer提供用戶界面程序NuCON的GraphicViewer遠(yuǎn)程畫面20、21、23、24、25、26、31、32拷屏，安裝在4臺(tái)模擬機(jī)服務(wù)器；JavaServer提供27、28、29、30號(hào)屏中的4個(gè)4∶3的java程序畫面，安裝在模擬機(jī)服務(wù)器3；ActiveServer提供VR主機(jī)程序操作屏幕進(jìn)行激活后的畫面輸出，并支持鼠標(biāo)、鍵盤、手柄等交互操作，安裝在3臺(tái)VR主機(jī)。

4 交互操作

在20多平方米的空間中，用戶配戴頭顯/手柄后，在虛擬的1∶1等比例結(jié)構(gòu)布置的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)場(chǎng)景中進(jìn)行交互操作。通過(guò)交互操作的反饋，系統(tǒng)自動(dòng)切換到下一個(gè)場(chǎng)景，從而控制虛擬場(chǎng)景的變化[11-12]。在虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)手柄分別按下A/B/C鍵，觸發(fā)左鍵/中鍵/右鍵的操作。手柄通過(guò)B鍵選中并打開DAS盤的柜門，檢查柜子里的溫度、濕度、壓力等數(shù)顯表是否正常，以及反應(yīng)堆開關(guān)的狀態(tài)是否正常。扳動(dòng)主安全專用盤上的反應(yīng)堆開關(guān)，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。反應(yīng)堆停堆報(bào)警聲響起，屏幕畫面中的閥門、泵顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。報(bào)警聲響起后，手柄通過(guò)A鍵開啟射線選擇，射線選擇遠(yuǎn)距離停堆室，按下C鍵發(fā)送消息，到達(dá)遠(yuǎn)距離停堆室，實(shí)現(xiàn)空間瞬移。

傳統(tǒng)模擬機(jī)培訓(xùn)中，操縱員可以模擬各種瞬態(tài)、事故工況。基于VR技術(shù)的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)的事故工況場(chǎng)景培訓(xùn)主要包括設(shè)備檢查、停堆操作、報(bào)警處理，具有一定的局限性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于VR技術(shù)的國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)系統(tǒng)，以國(guó)和一號(hào)示范工程1#機(jī)組最小范圍模擬機(jī)系統(tǒng)為核心，結(jié)合交互性較強(qiáng)的虛擬環(huán)境，能滿足不在模擬機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的用戶快速熟知國(guó)和一號(hào)模擬機(jī)的結(jié)構(gòu)布置、運(yùn)行狀態(tài)，體驗(yàn)設(shè)備檢查、停堆操作、報(bào)警處理等交互操作場(chǎng)景等需求。與傳統(tǒng)模擬機(jī)相比，該系統(tǒng)可大幅度降低成本、節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)空間，具有良好的培訓(xùn)便捷性，有助于為國(guó)和一號(hào)的深入研究從制造、推廣提供體驗(yàn)環(huán)境。