基于VR技术的国和一号模拟机设计与实现

刘阳力，程俊杰，薛琳娜，王云伟，王黎泽，林 桦

(国核自仪系统工程有限公司，上海 200241)

核电厂模拟机是核电厂操纵员培训[1]、考取执照[2-3]的重要设备。自主研发的国和一号示范工程1#机组属于第三代核电技术[4]。国和一号模拟机是以国和一号示范工程1#机组作为参考机组，满足培训和执照考试需求的设备。

近年来，虚拟现实(virtual reality，VR)[5-6]技术在核能行业得到了越来越多的研究和应用。培训操纵员的核电厂模拟机的建造成本非常高，且需占用大量的现场空间。针对传统模拟机的缺点，本文设计并实现了1种虚拟国和一号模拟机。在20多平方米的空间中，经数据传输获得最小范围模拟机的真实数据，结合VR场景，实现了虚拟的1∶1等比例结构布置的国和一号模拟机主控制室和远距离停堆室。用户穿戴VR交互设备，在逼真的场景中体验国和一号模拟机的结构布置、运行状态，以及接受设备检查、停堆操作、报警处理等场景培训。这可以满足不在模拟机现场的用户体验以及接受设备检查、停堆操作、报警处理的培训需求，并大幅度降低建造成本。

国和一号模拟机的仿真运行与控制中心采用实物仿真，包括主控制室[7-8]、远距离停堆室、技术支持中心和应急指挥中心内的模拟设备。模拟机模型服务器、报警服务器等服务器，以及各操纵员工作站、大屏幕工作站等工作站均布置在计算机室内。

基于VR技术的国和一号模拟机系统主要包括硬件层、软件层、应用层。模拟机服务器运行最小模拟机系统的真实画面信号。VR服务器运行主控制室和远距离停堆室的三维(three-dimensional，3D)场景。VR主机结合位置跟踪器、头显/手柄监视画面。VR服务器和VR主机中运行的软件将画面信号、3D场景、监视画面数据合成VR图像，根据头显/手柄交互操作实时刷新交互界面。系统总体方案如图1所示。

图1 系统总体方案

国和一号模拟机系统的硬件设计包括2部分内容，即基于VR技术的硬件设计和硬件网络拓扑。

2.1 VR硬件设计

基于VR的核电厂模拟机可以极大程度地减少模拟机所占空间。基于VR技术的国和一号模拟机，在20多平方米的房间即可完成硬件布局。硬件设备主要包括VR主机、VR服务器、模拟机服务器、路由器、5G Wi-Fi、头显/手柄、位置跟踪器、投影机/大屏幕等。硬件结构如图2所示。

图2 硬件结构

2.2 硬件网络拓扑

国和一号模拟机的模型服务器和各操纵员工作站、大屏幕工作站等通信速率为1 000 Mbit/s。3台VR主机、1台VR服务器、4台模拟机服务器和路由器及5G Wi-Fi构成基于VR技术的国和一号模拟机系统局域网。最小范围模拟机系统的数据来源于国和一号模拟机模型服务器。基于VR技术的国和一号模拟机系统硬件网络拓扑如图3所示。

图3 硬件网络拓扑

系统的软件设计主要分为三部分：3D模型、最小范围模拟机系统、数据传输。

3.1 3D模型

本文采用3D建模技术构建虚拟国和一号模拟机场景。根据国和一号模拟机现场采集的图片资料、场景尺寸和CAD图纸等信息，建模工程师采用建模软件3DS Max将国和一号模拟机场景复原成1∶1比例的虚拟场景，以提供3D场景的模型数据源。创建仿真主控制室和仿真远距离停堆室内的主/次安全专用盘、常规岛汽机控制盘、多样化驱动系统(diverse actuation system,DAS)盘、主控制室(main control room,MCR)/远距离停堆室(remote shutdown room,RSR)切换盘、远距离停堆控制盘上的开关、仪表等控制和指示装置及大屏幕的各个部件的3D模型。其节点和动画需进行分组，并按一定规则命名。在3D模型构建过程中，首先点击“场景树”窗口，然后选择模型对象，最后编写代码和配置文件，从而实现3D模型的创建、修改、增加和删除。

3.2 最小范围模拟机系统

国和一号模拟机采用模拟仿真方式实现对参考机组工艺系统的仿真，采用虚拟仿真方式实现非安全级仪控系统[9]的level 1逻辑仿真，采用模拟仿真方式实现安全级仪控系统和其他第三方仪控系统的level 1逻辑仿真，并采用实物仿真方式实现对模拟机主控制室和相应level 2人机接口设备的软硬件模拟。

国和一号模拟机模型如图4所示。

机组工艺系统数学模型的设计使用物理方程和数值解法或相应的假设以模拟相应的物理现象。除了功能性模拟的模型以外，其他模型均基于相应的数学原理和守恒方程进行建模。在所确定的仿真范围中，模型能够对电厂所有的正常、异常和瞬态工况进行连续的仿真，而不需要在模型或配置上作切换。最小范围模拟机系统主要包括反应堆堆芯模型[10]、热工水力模型、电气系统模型和仪控模型。

3.2.1 反应堆堆芯模型

反应堆堆芯模型是基于时间相关的中子物理计算方程，并能实时运算的3D模型。该模型包括以下内容。

①计算每个节点的2群中子通量。

②计算每个节点的6组缓发中子量。

③基于ANSI-5.1标准计算每个节点的衰变热。

④径向节点为单一燃料组件。

⑤纵向至少为18节点。

⑥3个燃料周期点。

反应堆堆芯模型在任何工况，在保持堆芯几何构造完整性条件下，都能准确地模拟以下参数。

①中子通量。

②缓发中子。

③核功率。

④伽马辐射。

⑤多普勒燃料温度系数。

⑥中子通量探测器的响应。

⑦瞬发裂变释热和衰变热。

⑧裂变产物和气体的产生。

⑨慢化剂密度和温度系数、空泡份额。

⑩控制棒、氙毒和钐毒，以及硼浓度对堆芯反应率的影响。

3.2.2 热工水力模型

①一回路热工水力模型。一回路热工水力模型用于模拟冷却剂系统环路、反应堆压力容器、稳压器、冷却剂泵、补水箱、蒸汽发生器，以及主蒸汽阀门和所有相关的管道和阀门。一回路热工水力模型是两相流、非均衡、非均质模型，至少由2个液相和气相的质量守恒方程、2个液相和气相的能量守恒方程以及1个单一的、针对液相和气相的混合动量守恒方程组成。该模型还包括气态的和溶解的不可凝气体的质量守恒方程，硼及其他化学成分的输运，以及放射性物质的输运。

②二回路热工水力模型。除反应堆冷却剂系统外，所有的流体系统和蒸汽发生器的模型都应使用高精度的图形建模软件进行开发。根据管道仪表图(piping and instrument diagram,P&ID)，流体网络模型能可视化地、动态地展现在工程师站上。模型部件的配置能准确表达系统组件的设计或制造的几何形状。模型的开发中使用实际的P&ID(包括阀门、过滤器及配件等)。管道直径、长度、粗糙度明确地反映在建模中。这样，系统的流动特性就能很好地体现，而不用来回调整流体的流导系数。在整个系统范围内，模型计算出的压降准确地反映在所有流道中。

3.2.3 电气系统模型

电气系统模型模拟备用电源的功率、频率、电压和电流以及主发电机与外电网之间的连接。对电力系统模型的输入包括泵和风机的状态、开关状态和继电器保护系统的状态，以及其他自动装置故障状态信息和在教练员站上设置的外部参数。

3.2.4 仪控模型

模拟机系统的仿真实现采用了实物仿真、虚拟仿真和模拟仿真3种方式相结合的解决方案。该方案的特点是仿真逼真度高、便于后期维护。

①模拟机系统的仿真主控制室、仿真远距离停堆室采用1∶1实物仿真，所有硬件的外观和布置与参考机组相应的设备完全相同，但无抗震要求。

②模拟机系统的仿真技术支持中心，复制参考机组技术支持中心内的4台操作站、打印装置和通信设备以及会议桌等办公设备。

③模拟机系统的仿真数量显示与处理系统(data display and processing system,DDS)采用实物仿真，使用与参考机组相同的软件和硬件，但无冗余配置要求。

④模拟机系统的仿真电厂控制系统(plant control system,PLS)采用虚拟仿真，使用NuCON平台的软控制器作为载体，直接导入控制逻辑组态文件进行仿真。

⑤模拟机系统的仿真保护和安全监测系统(protection and safety monitoring system,PMS)和DAS采用纯模拟的方式，使用仿真平台进行建模仿真。其位于主控制室的人机接口设备安全网画面人机接口(safety graphic userinterface,SGUI)和DAS控制盘采用1∶1实物仿真。

⑥NuCON平台与仿真平台之间的通信，使用并行配置的接口服务器SimCom完成，包括教练员站仿真控制指令的传递和执行反馈。

⑦仿真主控制室和仿真远距离停堆室内的盘(主次安全专用盘、常规岛汽机控制盘、DAS盘、MCR/RSR切换盘、远距离停堆控制盘)上的开关、仿真仪表等控制和指示装置，通过I/O接口与电厂模型计算机系统(plant model computer system,PMCS)进行数据通信。

国和一号模拟机的仪控模型采用了先进的虚拟仿真技术。该技术可以在节约成本的基础上，最大程度地保证数字化仪控系统的仿真逼真度和精度；
同时，在模拟机集成和测试过程中，对工程实际仪控系统起到设计验证作用，并反馈设计问题，以提高仪控系统测试效率、缩短调试周期。

3.3 数据传输

数据传输主要包括VR主机、VR服务器与模拟机服务器系统之间的模型数据传输。

数据传输主要实现以下功能。

①VR服务器和VR主机运行VR程序启动虚拟场景，通过头盔或鼠标选择进入多人协同场景或自动漫游场景。

②虚拟场景中，屏幕画面按照真实模拟机服务器运行的最小范围仿真模拟机系统的状态并实时刷新场景显示。

③虚拟场景中，操作鼠标、键盘、手柄，VR服务器和VR主机根据操作指令向真实的模拟机服务器请求数据；
模拟机服务器将最小范围模拟机系统的运行状态的数据流返回到VR主机和VR服务器；
数据流合成图像，刷新虚拟场景屏幕显示画面。

数据传输流程如图5所示。

图5 数据传输流程图

3.3.1 虚拟场景显示

虚拟场景显示是对模型相关的文件进行管理、对显示的模型进行渲染，以实现模型的虚拟显示。根据场景中的屏幕编号，通过轮询方式，虚拟场景显示程序向模拟机服务器请求当前屏幕画面的数据，模拟机服务器返回当前画面的数据流。虚拟显示程序将数据流转化为图像后显示到相应的屏幕上。

3.3.2 屏幕动态管理

受模拟机服务器中的用户界面程序NuCON的限制，每台计算机最多只能运行8个实例。因此，需要将虚拟场景中的32个屏幕画面分配到4个模拟机服务器上，并给屏幕画面分配唯一编号。模拟机服务器使用可拓展标记语言(extensible markup language,XML)文件，配置8个屏幕画面的编号，并对8个屏幕画面进行启动、关闭、实时截图的管理。屏幕动态管理软件主要包括UiServer、JavaServer和ActiveServer。UiServer提供用户界面程序NuCON的GraphicViewer远程画面20、21、23、24、25、26、31、32拷屏，安装在4台模拟机服务器；
JavaServer提供27、28、29、30号屏中的4个4∶3的java程序画面，安装在模拟机服务器3；
ActiveServer提供VR主机程序操作屏幕进行激活后的画面输出，并支持鼠标、键盘、手柄等交互操作，安装在3台VR主机。

在20多平方米的空间中，用户配戴头显/手柄后，在虚拟的1∶1等比例结构布置的国和一号模拟机场景中进行交互操作。通过交互操作的反馈，系统自动切换到下一个场景，从而控制虚拟场景的变化[11-12]。在虚拟场景中，通过手柄分别按下A/B/C键，触发左键/中键/右键的操作。手柄通过B键选中并打开DAS盘的柜门，检查柜子里的温度、湿度、压力等数显表是否正常，以及反应堆开关的状态是否正常。扳动主安全专用盘上的反应堆开关，触发反应堆停堆。反应堆停堆报警声响起，屏幕画面中的阀门、泵显示相应的数据。报警声响起后，手柄通过A键开启射线选择，射线选择远距离停堆室，按下C键发送消息，到达远距离停堆室，实现空间瞬移。

传统模拟机培训中，操纵员可以模拟各种瞬态、事故工况。基于VR技术的国和一号模拟机的事故工况场景培训主要包括设备检查、停堆操作、报警处理，具有一定的局限性。

本文设计的基于VR技术的国和一号模拟机系统，以国和一号示范工程1#机组最小范围模拟机系统为核心，结合交互性较强的虚拟环境，能满足不在模拟机现场的用户快速熟知国和一号模拟机的结构布置、运行状态，体验设备检查、停堆操作、报警处理等交互操作场景等需求。与传统模拟机相比，该系统可大幅度降低成本、节省现场空间，具有良好的培训便捷性，有助于为国和一号的深入研究从制造、推广提供体验环境。