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(yè)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(jiān)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(guān)重要的影響,因此核電廠通常使用主控制室模擬機在設(shè)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(gòu)建核電廠的真實運行工況場景對操縱員進行訓(xùn)練。

核電廠主控制室模擬機根據(jù)應(yīng)用范圍和側(cè)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(shè)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(xùn)練。核電廠主控制室模擬機一般需要構(gòu)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(xùn)練任務(wù)。對于人因工程的驗證,在環(huán)境條件 (如照明設(shè)計、裝修材質(zhì)和配色方案等)、設(shè)備布置等方面如需對設(shè)計進行修改或優(yōu)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(shè)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(fù)用率低的問題。對于運營單位的訓(xùn)練任務(wù),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(xùn)練,對于機組數(shù)量較多的廠址,需要配備一定規(guī)模的模擬機中心才能滿足訓(xùn)練需求。

隨著計算機圖形學(xué)和硬件技術(shù)的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實 (Virt ual Reality,VR)技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用到了醫(yī)學(xué)、室內(nèi)設(shè)計、軍事航天等領(lǐng)域[1]。近些年來國內(nèi)外的研究設(shè)計機構(gòu)也逐漸將VR技術(shù)應(yīng)用到了核電廠的設(shè)計當中,如非數(shù)字化電廠主控制室的模擬[2]、現(xiàn)場設(shè)備的維修操作[3]、電廠模型漫游[4]等。以上VR技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用主要用于實際操作和設(shè)計效果的展示,且操作界面為常規(guī)控制器 (如開關(guān)、按鈕等)或等效的計算機操作窗口,對于 “華龍一號”高度數(shù)字化的主控制室人機界面,仍需在現(xiàn)有VR技術(shù)的基礎(chǔ)上進行擴展,以實現(xiàn)對應(yīng)的仿真功能。

基于以上情況,“華龍一號”的設(shè)計過程中提出了一套基于VR技術(shù)的核電廠主控制室模擬機方案,使用VR設(shè)備和其他人機接口在最小化的空間內(nèi)構(gòu)建主控制室的實際環(huán)境和監(jiān)控功能,為設(shè)計者提供人因工程的驗證平臺,為主控制室環(huán)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(xùn)練的手段。相對于傳統(tǒng)工程驗證模擬機的方案,基于VR技術(shù)的模擬機成本低、靈活性強,在工程設(shè)計初期彌補傳統(tǒng)模擬機系統(tǒng)的空缺?；赩R技術(shù)的模擬機和實體主控制室模擬機可以優(yōu)勢互補,提高設(shè)計驗證和操縱員訓(xùn)練的效果。

1 技術(shù)特點

VR技術(shù)通過計算機生成實時三維圖像并配合其他傳感設(shè)備對用戶的行為進行響應(yīng),讓用戶體驗到真實環(huán)境中的感受。此前VR技術(shù)曾用于展示核電廠的結(jié)構(gòu),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(jié)。而基于VR技術(shù)的主控制室模擬機的側(cè)重點與其他應(yīng)用有所不同,其側(cè)重點在于在VR系統(tǒng)中提供與真實核電廠主控制室相同的運行功能,使設(shè)計者可以在仿真的運行環(huán)境當中評估人機接口設(shè)計的性能,也能使操縱員使用該系統(tǒng)進行主控制室運行相關(guān)的培訓(xùn)?！叭A龍一號”基于VR技術(shù)的主控制室模擬機在技術(shù)上支持數(shù)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(nèi)新建核電廠的主控制室均采用數(shù)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(xiàn)對電廠的監(jiān)控,將數(shù)字化的監(jiān)控手段集成到VR系統(tǒng)中是本模擬機系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。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(tǒng)中,用戶在VR環(huán)境中自由移動的基礎(chǔ)上,還可以使用真實環(huán)境中的鼠標和鍵盤與VR環(huán)境中計算機工作站進行交互,遠程操作真實環(huán)境中的模擬機工作站,配合傳統(tǒng)模擬機的電廠工況和響應(yīng)的模擬功能,在VR環(huán)境中實現(xiàn)對電廠的監(jiān)視和控制。

傳統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shè)計的各個階段自由調(diào)整主控制室的環(huán)境和布置,可以隨時構(gòu)建并驗證主控制室各個方面 (照明、布置、設(shè)備外形等)的不同設(shè)計方案,而基于實體的主控制室模擬機一經(jīng)建立很難在進行大范圍修改。在現(xiàn)有的主控制室設(shè)計流程當中,需要通過MOCKUP的形式對主控制室布置和設(shè)備外形設(shè)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(shù)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(xiàn)到設(shè)計驗證的模型當中,使設(shè)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(xùn)練中心為例,一套全范圍模擬機需要約300 m2的房間來訓(xùn)練一組操縱員,而基于VR技術(shù)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(huán)境,一組操縱員僅需約30 m2的房間即可完成訓(xùn)練任務(wù),極大的提高了空間利用率。而對于設(shè)計者的工程驗證模擬機,一套VR設(shè)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(fù)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(guī)控制盤兩類人機接口設(shè)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(tǒng)外的人機接口設(shè)備,人機接口及主控制室環(huán)境設(shè)計符合人因工程的要求。與傳統(tǒng)的模擬機系統(tǒng)相似,基于VR技術(shù)的模擬機可以模擬主控制室的人機接口功能、設(shè)備布置和照明環(huán)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(guī)控制盤,因此基于VR技術(shù)的主控制室模擬機主要需要在軟件的三維環(huán)境中實現(xiàn)計算機屏幕的功能,具體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System str ucture

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

VR服務(wù)端用于生成用戶所需的VR圖像,并接收用戶在虛擬空間內(nèi)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(shè)計方案的三維模型、模擬機服務(wù)器提供的動態(tài)畫面以及攝像頭采集的輔助監(jiān)視畫面合成而成。其中 “華龍一號”的主控制室中主要設(shè)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(wù)端采集并合成的畫面規(guī)模較大。模擬機服務(wù)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(wù)器上的視頻輸出接口 (如VGA、HDMI等),VR服務(wù)端使用視頻采集卡接收信號。該方案的優(yōu)點是不需要模擬機服務(wù)器進行額外的開發(fā),便于對已建成的模擬機系統(tǒng)進行虛擬化改造以及初步設(shè)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(wǎng)絡(luò)流媒體協(xié)議 (如RTSP、MMS等)傳送到VR服務(wù)端。該方案對硬件要求較低,但流媒體傳輸協(xié)議需要在VR服務(wù)端建立視頻緩存,會導(dǎo)致畫面信號存在延遲,不適合需要實時響應(yīng)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(tài),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(wù)器和VR服務(wù)端開發(fā)專用的信號傳輸協(xié)議,將畫面信息轉(zhuǎn)化為x ml格式并將部分資源保存在VR服務(wù)端上,以降低信號傳輸?shù)呢摵?。該方案可大幅提高畫面信號傳輸?shù)男?但需要較大的開發(fā)工作量,在項目初期難以實現(xiàn)。

基于以上方案的特點,在 “華龍一號”項目初期構(gòu)建的VR模擬機系統(tǒng)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(xù)研究矢量化信號傳輸以提升系統(tǒng)的性能。

由于 “華龍一號”主控制室中顯示器數(shù)量很多,實時更新所有顯示器的畫面信號會對系統(tǒng)性能產(chǎn)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(tài),VR主機將根據(jù)操縱員的視線自動向模擬機服務(wù)器發(fā)出視頻信號的切換命令。根據(jù)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(huán)境設(shè)計),系統(tǒng)可以在實時更新視頻信號數(shù)量和環(huán)境渲染質(zhì)量之間進行取舍,以在有限的系統(tǒng)性能下達到最佳的使用效果。模擬機服務(wù)器所提供的畫面即操縱員在計算機化工作站上監(jiān)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(yīng)用戶的鼠標鍵盤指令,響應(yīng)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(shè)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(wù)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(diào)用。VR服務(wù)端還設(shè)置了用于調(diào)整系統(tǒng)配置的鼠標和鍵盤,維護人員可以在此調(diào)整使用者的站姿/坐姿眼高數(shù)據(jù)、選擇用以模擬的場景、調(diào)整環(huán)境條件或?qū)Τ绦虼a進行修改。

VR用戶界面由VR設(shè)備、操縱桿和鼠標鍵盤構(gòu)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(nèi)模擬操縱員使用主控制室的人機接口監(jiān)控電廠,因此操縱員在主控制室內(nèi)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(xiàn)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(jiān)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(jiān)視需求直接發(fā)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(shè)備展示給操縱員,形成完整的VR環(huán)境下輸入和反饋的回路。

在以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,基于VR的主控制室模擬機還可以根據(jù)用戶需求進行功能擴展,根據(jù)不同的應(yīng)用場景有針對性的優(yōu)化各項功能,具體方向如下:

1)設(shè)計和驗證平臺方向:該方向?qū)?cè)重于實現(xiàn)系統(tǒng)方案的快速部署,以及特定環(huán)境條件的針對性模擬,如光照環(huán)境、音響環(huán)境等,協(xié)助設(shè)計人員完成主控制室的人因工程設(shè)計。

2)參觀展示用途方向:該方向?qū)?cè)重于提供優(yōu)質(zhì)的用戶體驗,通過體感動作捕捉、立體全息影像等技術(shù)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(shè)計。

3)模擬機培訓(xùn)方向:該方向?qū)?cè)重于模擬實際電廠主控制室的工作環(huán)境,具體側(cè)重于多用戶協(xié)同操作功能,用戶間語音通信功能,以及實現(xiàn)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(tǒng)的初步演示程序。該程序基于Unreal Engine 4的開源平臺,設(shè)計輸入采用 “華龍一號”的實際主控制室設(shè)計,模擬機服務(wù)器采用福清5、6號機組的模擬機驗證平臺,VR服務(wù)端通過視頻采集卡從模擬機服務(wù)器獲取主控制室計算機化工作站上的畫面信號,通過網(wǎng)絡(luò)流媒體協(xié)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(shè)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(xiàn)了模擬機工作站畫面在三維虛擬環(huán)境中的投影,并使用戶可以通過外部的鼠標鍵盤和虛擬環(huán)境中的工作站進行互動,實現(xiàn)了系統(tǒng)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(yōu)化的空間。

4 結(jié)論和展望

基于VR技術(shù)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(shè)計驗證和操縱員訓(xùn)練的方式,該系統(tǒng)具有成本低、靈活性高、復(fù)用性強的特點。除 “華龍一號”項目以外,該系統(tǒng)還可以應(yīng)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(tǒng)可以有效地解決主控制室布置和人機接口設(shè)計的不確定性對模擬機系統(tǒng)的影響。待技術(shù)成熟之后,該系統(tǒng)也有應(yīng)用到其他行業(yè)之中的可能。

目前系統(tǒng)的技術(shù)方案當中,基于視頻信號的畫面?zhèn)鬏斒窃摷夹g(shù)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(zhì)量和刷新率受系統(tǒng)性能制約,尚未達到工程化的高度。后續(xù)工作將在現(xiàn)階段系統(tǒng)初步模型的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)的軟硬件性能進行優(yōu)化,解決這一瓶頸問題,同時根據(jù)具體的應(yīng)用場景對系統(tǒng)功能進行擴展和個性化定制,實現(xiàn)該系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。

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