基于虚拟现实技术的核电站全范围仿真机研究

2023年12月14日发(作者：小篮球比赛规则)

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第24卷 第12期2017年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATION

EIC Vol.242017 No.12基于虚拟现实技术的核电站全范围仿真机研究刘志宾1,2，马 进1, 孟庆军2，王兵树1（1.北京广利核系统工程有限公司，北京 100094；2.华北电力大学 自动化系，河北 保定 071003 )摘要：主要研究了将虚拟现实技术（VR）应用到当前核电站仿真机的可行性及实现方法。通过介绍核电站全范围仿真机的架构、软硬件组成、设计过程，研究了虚拟现实技术的建模过程，首次提出将虚拟现实融进全范围仿真机的实现方法。建立虚拟建模场景进而应用到核电仿真机，不仅降低成本也将大幅提高培训和管理的效率；更能直观，逼真地再现模拟过程，节省核电厂的空间布置；对人因工程的研究意义也非常重大。关键词：虚拟现实；全范围仿真机；核电；人因工程DOI:10.3969/.1671-1041.2017.12.018中图分类号：TP 391.9 文献标志码：A文章编号：1671-1041(2017)12-0066-05Nuclear Full Scope Simulator Study Bad on Virtual Reality Technology

Liu Zhibin1,2, Ma Jin1, Meng Qingjun2, Wang Bingshu1( Techenergy Co., LTD., Beijing,100094, China；ment of Automation North China Electric Power University, Hebei, Baoding, 071003, China)Abstract：The purpo of the paper is mainly studied on the feasibility and method of Virtual Reality (VR) technology applied in

nuclear power plant simulator. By introducing the architecture, hardware and software composition and design process of nuclear

full scope simulator, the modeling process of virtual reality technology is studied. The realization method of virtual reality into full

scope simulator is issued for the first time. The virtual modeling scene is applied to the nuclear power simulator, which not only re-duces the cost, but also enhances the efficiency of training and management. More intuitive and vivid reproduction of the simulation

process is appeared，nuclear power plant space layout saved even of great significance to human factor words：virtual reality；full scope simulator（FSS）；nuclear；human factor engineering0 引言

苏联切尔诺贝利核事故、美国三里岛核事故及日本福岛核事故让人类记住了核电站除了为人类提供电力的同时，必须保证核电站的安全运行。工艺可以通过不断改进来实现，但由于人本身的属性关系培训却是必须的。核电站操作人员运行水平的提高是通过训练来完成的[1]，而这种训练的最重要、最直接的手段是采用核电站全范围仿真机即采用具有1:1操纵室控制盘台并可以实时运行全范围、全工况核电站数学模型的大型电子计算机系统，进行人员培训。核电站仿真机可以使核电站操作人员以及技术人员和管理人员熟练地观察、分析、判断和处理大量控制信息，掌握机组开停堆、正常运行、故障运行以及事故应急处理的技能。《HAF103核动力厂运行安全规定》中提出为了[2]满足核电厂的安全运行要求，必须使用模拟机对操纵员进行培训。但是，核电站全范围仿真机的价格在国际市场上价格极其昂贵。一套系统约1000多万美元[1]，尽管已经国产化，但搭建1:1的全范围仿真平台价格也比较昂贵。当前，大量核电机组的建设若找到一种既能降低成本，又能实现全范围核电仿真机的效果，并且更加直观、逼真，那么意义将是非常重大的。受此影响，模拟机的培训对象主要是反应堆操作员[3]，并未包含运行中的现场操作员。当前Virtual Reality（VR）技术已经相当成熟。本文即是基于当前状况提出将VR技术应用到核电站全范围仿真机，将全范围仿真机的主控室VR化。这不但在成本上得到有效控制，管理上更有效率，也可以对核电站盘台的人因工程推演及验证更直观、有效。另外，虚拟现实仿真还可以在核电厂主控室MOCK-UP人因工程验证上，在公司新产收稿日期：2017-07-09作者简介：刘志宾（1980-），男，河北人，博士，高级工程师，现主要从事核安全级数字化仪控系统研究设计工作。Copyright©博看网 . All Rights Rerved.第12期刘志宾·基于虚拟现实技术的核电站全范围仿真机研究67品、新方案对外宣传、演示、推广等方面起到事半功倍的作用。VR技术可以节省很多现场空间，通过扩展可以培训更多的扩展空间。国外比较有影响的仿真公司有：美国GSESystems、美国L-3MAPPS、美国WSC公司、法国CORYST.E.S.S.公司等。1.1 架构整个核电厂FSS包含Level2（操作监视层用于操作控制和信息显示），Level1（过程控制层）和Level0（I/O层过程仪表级）。Level2包括主控室（OperatorWorkPlace-

OWP台、Plant Overview Panel - POP盘台、Back-Up Panel -

BUP盘台及Emergency Control Panel - ECP盘台），计算机机房（包括维护站、配置站、工程师站），远程停堆站、技术支持中心、教练员站。另外，Level2还有核岛服务器、常规岛服务器及历史服务器和计算服务器；Level1包括安全级DCS组态逻辑部分和非安全级DCS组态逻辑部分；Level 0 为仿真机。对中国某百万千瓦核电机组的全范围仿真机进行分析，其硬件架构如图1所示。1 全范围仿真机目前，国内从事核电仿真系统开发的单位主要有中广核仿真公司、核动力运行研究所（以下简称105所）和广东亚仿科技股份有限公司（以下简称亚仿）。中广核（北京）仿真技术有限公司目前主要负责宁德核电站、阳江核电站、防城港核电站及环保部核与辐射安全中心的模拟机项目总包工作。其研发的“核电站虚拟现实实验室”精彩亮相第17届高交会，众多观众通过虚拟现实实验室人机交互系统，漫游了核反应堆厂房、汽轮发电机厂房、安全厂房等核电站内部区域，深入了解各区域内的主要设备布置。105所直属于中国核工业总公司，是核电厂的运行和技术支持单位，目前主要负责建造方家山核电站、福清核电站等核电工程的全范围模拟机项目总包工作。亚仿在核电仿真方面曾经与秦山核电公司联合开发成功中国第一台核电站全模拟机——秦山 300MW 核电机组全范围模拟机，其后又与105所联合研制成功秦山二期全范围模拟机。1.2 硬件结构支撑系统服务器共3台，分别为仿真服务器、备份服务器和组态服务器。该模拟机物理模型采用Simulation、非安全级DCSLevel1采用Translation、安全级DCSLevel1采用Emulation、非安全级和安全级DCSLevel2采用Stimulation共4种仿真方式。如图2所示。图1 全范围仿真机架构Fig.1 Full range of simulation machine architectureCopyright©博看网 . All Rights Rerved.68

仪器仪表用户INSTRUMENTATION第24卷感觉，使用人的自然技能对虚拟世界的物体进行考察或操作，参与其中的事件，提供直观而又自然的实时感知，并使参与者沉浸在模拟环境中。利用虚拟现实技术所构建的虚拟场景，就是由多维信息所构成的、可操纵的一个全新三维人机交互空间。它的最重要的目标就是高度逼真的体验和方便自然的人机交互。美国是虚拟现实技术的发源地。目前，美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件4个方面。其应用主要集中在军事、航空航天、医疗、培训、娱乐等方面。目前，虚拟现实在核领域的应用有：1995年，美国Sandia,National,Laboratories,和,University,of,New,Mexico,的几位学者联合开发了一个分布式的、可多人参加的虚拟模拟系统，用于核电站的岗位培训；将虚拟现实技术与实际核图2 4种仿真方式组成的FSSFig.2 FSS of four simulation methods电站的设计联系，应用最成功的是British Nuclear Fuels En-gineering,Group，Risley，Warrington,[7]的两位学者Reed.J.和Tunley.C. 他们在Sellsfield Mox Plant 中央主控室CCR 的设计和建造过程中，构造虚拟CCR来优化其结构和布局，充分考虑人因因素Human,Factor,获得了巨大的成功;,法国电力公司（EDF）安装了一套虚拟现实系统以调查将其应用于核电站操作程序的设计及测试，现在,EDF,已成功地为反应堆大楼内部进行了虚拟环境建模，维修人员可以戴上头盔进入虚拟反应堆大楼，用三维鼠标上的控制键及人的自然移动，工程人员按照维护活动提出的路径在虚拟大楼内活动。和一些发达国家相比，我国虚拟现实技术还有一定的差距，国内院校科研所方面，非核电研究机构如：北京航空航天大学2008年，已成立虚拟现实技术与系统国家重点实验室，主要面向航天领域虚拟现实技术平台及验证；西南交通大学虚拟现实与多媒体技术实验室、石家庄铁道大学信息科学与技术学院等面向的是轨道交通虚拟现实。归根结底，这与国家大力发展的航天和轨道交通需求有直接关系。而“十二五”“十三五”期间，国家的核电蓬勃发展必将引起核电行业的虚拟现实技术发展。上海交通大学[6,8,9]首次将VR技术应用于核电站，建立了核电站主控室虚拟仿真系统，用户可以方便地通过计算机感受到一个虚拟逼真的主控室并在其中漫游，并且可以感受到实际核电站运行时发生的动态状态、事故状态，还可以实现动态操作反应堆；华北电力大学秦政等以大亚湾核电站为模型，创建了大亚湾核电站的三维模型；中科院核能安全技术研究所“先进反应堆设计与安全仿真实验室”与中国虚拟现实行业的领导者曼恒数字合作，主要从事先进反应堆设计、核能软件开发和核安全仿真研究。企业方面，中广核工程公司设计院“虚拟现实工程应用实验室”成立，利用曼恒提供的ART动作捕捉设备和Haption力反馈设备等虚拟现实解决方案。已经应用到华龙一号土建并取得了突破；中核集团数字化反应堆平台虚拟装备系统正式上线，该系统由仿真软件和硬件设备组成，软件资源库中包含丰富的吊车、工装、常用工具和人体模下面对模拟机采用的几种仿真方式的定义进行简要说明。1）模拟

使用模拟机开发环境下的建模技术来复现参考机组的系统或子系统。被模拟的系统的性能和逼真度应满足基于参考机组设计和运行数据而规定的功能和运行限定。2）实物模拟在模拟机中，使用实际机组的系统或子系统的真实硬件和软件来复现其相应的系统或子系统。3）虚拟实物模拟

特指通过将参考机组的系统或子系统的软件移植到模拟机运行环境下工作（其硬件平台可以是模拟主机，也可以是独立的计算机），来复现实际机组的系统或子系统。虚拟实物模拟的系统或子系统的性能和逼真度与实际机组的系统或子系统是完全相同的。4）翻译

在模拟机中，当某一厂家提供的软件无法直接或间接应用到模拟机上时，则可利用软件翻译的形式，翻译后的软件能够应用在模拟机系统，实现其功能的同时，又不阻碍模拟机的正常运行。翻译的系统或子系统的性能和逼真度与实际机组应完全相同。1.3 软件结构包括：1）模型开发工具；2）工程管理工具；3）数据库；4）操作员站软件。2 虚拟现实技术虚拟现实技术[4-6]是一种由使用各种先进的计算机软、硬件技术和其他相关技术创造的一种特定现实世界的真实实现或者虚拟构想的世界，是一个看似真实的模拟环境，人们可以通过计算机和电子技术等多种媒体介质进入该环境并与之交互。通过多种传感设备，用户可以根据自身的Copyright©博看网 . All Rights Rerved.第12期刘志宾·基于虚拟现实技术的核电站全范围仿真机研究69型。可减少设计变更、降低建造成本、提高工程设计质量。2.1 VR硬件配置虚拟现实系统由虚拟环境、人及相关的输入输出设备组成，如图3所示。图5 主控室渲染图Fig.5 Main control room renderings图3 VR硬件组成Fig.3 VR hardware components2.2 VR软件配置虚拟现实系统的软件需要软件平台支撑。配置流程如图4所示。图4 VR 软件配置流程Fig.4 VR software configuration process图6 局部BUP盘台

Fig.6 Local BUP disk建模软件：用于虚拟场景的三维空间尺寸建立；图形库和渲染软件：用于创建虚拟现实仿真功能模块，进行人机界面和仿真模块的集成。目前，市场上比较成熟的三维建模有3DS Max、VRML。MultiGen,Creator、Cinema,4D等；虚拟场景的实时渲染依赖于图形库的支持，一般比较出名的有OpenGL、DirectX、EON,Professional等。此外，图像处理软件如Photoshop、应用程序接口开发环境如Visual C，数据库如SQL Server等。

图7 基于虚拟现实的核电站全范围仿真机架构Fig.7 Full-scope simulation of nuclear power plant

bad on virtual reality3 基于虚拟现实的全范围核电仿真机的构建3.1 VR建模及渲染基于VR技术，建立核电站全范围仿真机中的Stimulation,Level,2部分包括：主控室OWP盘台、POP盘台、BUP盘台及ECP盘台,,计算机机房（包括维护站、配置站、工程师站）,远程停堆站、技术支持中心、教练员站的虚拟场景。构变为图7。利用三维建模软件建立立体图形、渲染后，全部盘台的操作界面、操作感觉、力度将等同于实际设备。所有盘台画面、虚拟设备、网络监视等在虚拟场景中建立，所有数据将存储在数据库中，利用VC建立虚拟场景与level,1,的接口与Leve,0,的数据交换通过数据库完成。本部分重点是在建立完虚拟场景后,,开发与Level,1,DCS的接口。可以利用VC实现虚拟场景与Level,1,数据库的数据3.2 搭建VR技术核电站全范围仿真机在将虚拟现实场景应用到核电站全范围仿真机后图1架Copyright©博看网 . All Rights Rerved.70

仪器仪表用户INSTRUMENTATION表1 两种全范围仿真机比较Table 1 Comparison of two full range simulators第24卷

目前核电站FSSVR技术的FSS硬件变化Level2盘台，Level1模拟计算机，Level0仿真机。Level2是VR虚拟场景，Level1模拟计算机，Level0仿真机。软件变化每个OPS需要软件，需要NI/CI/计算、历史服务器软件。开发虚拟场景的建模和渲染软件，需要开发与一层接口的软件。价格差异整个FSS价格100000000元人民币左右6000万~7000万调用。此部分内容上海交通大学开发了基于秦山二期的主控室虚拟场景，并搭建了接口。证实此方案可行。Level1与Level0的接口及设备跟通常的FSS仿真机相同。有效性。这将是验证核电厂全范围仿真机虚拟现实问题的关键所在。4 结论本文通过介绍实际核电厂DCS全范围仿真机的软硬件架构，结合当前成熟虚拟现实技术，构建了将虚拟现实融合到核电厂全范围仿真机的可行性。重点分析了与现有的核电厂全范围仿真机的不同。通过两种方案的比较得出：基于虚拟现实的全范围仿真机，首先，成本上可以节省很多；对核电厂全范围仿真机OWP盘台、大屏系统、BUP盘台、RSS盘台、TSC盘台和服务器等节省很大的布置空间；虚拟现实由于硬件简单，可以更大范围的布置；除了对操作员进行培训外，还可以对其他现场操作人员进行培训；虚拟现实可以进行MOCK-UP验证、修改，形成系统性的作为下一个核电厂的人因工程学的输入，对减少由于核电厂人因因素造成的核事故具有重大的现实意义。本文除了完成上述论证外，要考虑的是建立一套评估和验证程序包括：出于核电厂全范围仿真机搭建的意义；如何评估虚拟现实的培训效果不比实际的全范围仿真机差；如何在现有的仿真机基础上验证和确认基于VR技术的（上接第100页）对汽机辅机设备的检修步骤进行三维仿真，动态直观展现设备检修工序，并对关键工序点予以提醒。4）实现汽机辅机设备运行原理三维仿真动态直观展现设备的运行原理，为分析设备运行过程中影响设备效率的关键部位与原因提供可视化分析手段。5）实现三维实时数据监测与实时数据集成，在三维环境中动态监测、展现汽机辅机设备的运行参数。和掌握系统流程、结构布置、部件图纸、故障信息，培训方式直观全面、效果优良，为汽机辅机设备检修工作作出了较大贡献。[8][9]参考文献：[1]冷杉.秦山300MW核电站全范围仿真系统[J].中国电机工程学[2][3][4][5][6][7]报,1997,17(1):48-53．国家核安全局.HAF 103核动力厂运行安全规定[R].2004．毛伟.红沿河核电站DCS仿真研究及应用[D].河北 保定:华北电力大学,2015.张茂军. 虚拟现实系统[M]. 北京: 科学出版社, 2001.曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海:上海交通大学出版社,1997.刘晓波.虚拟现实在核电站的应用——虚拟场景实时漫游及交互[D].上海:上海交通大学,2003.J Reed,C application of advanced techniques in

control room design and operator training [nuclear power plants],

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IEEE Sixth Conference on,1997,Page(s):3/13-3/18.杨永木.虚拟现实在核电站主控室仿真设计应用[D].上海:上海交通大学, 2008.刘鹏飞,杨燕华,杨永木,等.虚拟现实技术在核电厂仿真中的应用[J].原子能科学技术,2008,42(Suppl.):169-175．5 结论虚拟现实技术在燃煤电站汽机辅机设备检维修工作中的应用，为电厂建立一个可视化的信息管理平台和工具，能够革新和改进设备精细化的管理，降低检修成本，提高了检修效率及设备运行的可靠性。4 应用情况虚拟现实技术应用在华能海门电厂已逐步开始上线运行，在完成三维模型建模、系统功能开发、安装调试、基础数据录入及上线优化后，该系统运行稳定。在实际工作中，通过三维可视化平台实现了设计数据、运行数据、历史故障信息、维护检修信息的有效集成与三维展现，为事故分析、检修方案制定、工作报告编制等提供直观、高效的可视化工具。同时，专业人员通过该系统能够快速熟知参考文献：[1]杨忠飞.浅谈电厂汽轮机检修管理[J].中国新技术产品,2011(24):100-101.[2]Fletcher Dunn,Ian Parberry,史银雪,等.3D数学基础图形与游戏开发[M].北京:清华大学出版社,2005.[3]中华人民共和国电力工业部.火力发电厂汽水管道设计技术规定:DL/T5054-1996[S].北京:中国电力出版社,2010.

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