楊政理, 林克軍

(中廣核(北京)仿真技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518031)

引言

核電廠全范圍模擬機又稱為“虛擬核電站”，是核電廠操縱員培訓(xùn)、取照考試，設(shè)計驗證的重要設(shè)備[1-2]，盤臺系統(tǒng)是其關(guān)鍵組成部分。在全范圍模擬機中，盤臺系統(tǒng)的設(shè)計采用了實物模擬和虛擬模擬兩種方式。具體來說，實物模擬選取設(shè)備與實際主控室中的設(shè)備規(guī)格完全相同，只是對信號采集部分進行了簡化；虛擬模擬利用計算機圖形技術(shù)來仿真模擬全范圍模擬機主控室盤臺系統(tǒng)(后備盤(BUP)、應(yīng)急控制盤(ECP)等)的人機界面、功能及性能，并以可視化的方式向教員、研究人員展示模擬機中實際盤臺設(shè)備的外觀和實時狀態(tài)，同時提供列表、圖形化的超控操作方式來定制模擬盤臺故障、強制設(shè)備狀態(tài)等。在全范圍模擬機的培訓(xùn)過程中，實物盤臺由學(xué)員使用，虛擬盤臺由教員使用。虛擬盤臺系統(tǒng)對核電操作人員培訓(xùn)、演練、安全分析、技術(shù)改進等可起到至關(guān)重要的發(fā)展推動作用[3]。

陽江核電廠5,6號機組全范圍模擬機以陽江核電5號機組為參考對象，是國內(nèi)首套采用ACPR1000技術(shù)路線、首次應(yīng)用中國廣核集團擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)(和睦系統(tǒng))的全范圍模擬機[4]。ACPR1000實際硬盤臺采用“馬賽克”風(fēng)格設(shè)計，在模擬機的虛擬盤臺開發(fā)中，優(yōu)化虛擬設(shè)備模塊設(shè)計，簡化拼接元素，外觀更加逼真，可擴展性強，且具有良好的交互性。其虛擬盤臺系統(tǒng)包括：后備盤(BUP)、應(yīng)急控制盤(ECP)、遠程停堆盤(RSS)、嚴(yán)重事故盤(SAP)、DHP盤(多樣性HSI盤)。

全范圍模擬機虛擬盤臺系統(tǒng)嚴(yán)格參考電廠中的盤臺系統(tǒng)外觀及功能設(shè)計，虛擬盤臺系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)主要包括人機界面、接口通訊、功能模擬三個部分。本文即對此展開如下分析論述。

1 虛擬盤臺系統(tǒng)人機界面設(shè)計

在全范圍模擬機中，虛擬盤臺系統(tǒng)給教員配備了一種模擬硬盤臺設(shè)備失效的方式以及對硬盤臺上設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)視的手段。在教室模擬機中，虛擬盤臺將用來替代硬盤臺來集成處理盤臺操作和監(jiān)視功能，故其對界面的仿真度提出了很高要求[5-6]。虛擬盤臺系統(tǒng)圖形部分是在仿真平臺的圖形開發(fā)環(huán)境中來運行生成的，下面將從虛擬盤臺人機界面實際開發(fā)過程中涉及到的主體內(nèi)容來探究其設(shè)計原則的規(guī)劃與確立。

1.1 虛擬盤臺人機界面總體設(shè)計原則

人機界面(Human Machine Interaction，HMI)，又稱用戶界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是系統(tǒng)和用戶之間發(fā)生交互和信息交換的媒介[7]。

虛擬盤臺實際上是對硬盤臺進行模擬。虛擬盤臺模擬的是硬盤臺的臺面與其設(shè)備儀表的動態(tài)和靜態(tài)顯示以及設(shè)備的操作[8]，所以虛擬盤臺的人機界面設(shè)計，需以硬盤臺本身及其上的實際設(shè)備為參考基準(zhǔn)。在虛擬盤臺界面開發(fā)過程中，就要秉承遵循以下2個基本的設(shè)計準(zhǔn)則：

(1)一致性原則。包括設(shè)備圖形一致、操作區(qū)域一致、色彩的一致、文字的一致、布局的一致。界面細(xì)節(jié)設(shè)計的一致性可使操作人員瀏覽界面時感覺舒適，不致分散其注意力，從而減少操作失誤。

(2)面向?qū)ο笤瓌t。虛擬盤臺系統(tǒng)主要面對的用戶是核電模擬機教員及操縱員，按照其身份特征和工作性質(zhì)，設(shè)計與此相適應(yīng)的交互界面，包括導(dǎo)航層級引導(dǎo)設(shè)計，操作窗口友好和易操作，從而提高用戶的交互水平和效率。

1.2 虛擬盤臺人機界面設(shè)計細(xì)則

綜上所述，依托總體設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，在使用仿真平臺的圖形開發(fā)環(huán)境及輔助開發(fā)工具對虛擬盤臺人機界面進行設(shè)計開發(fā)的過程中，還需重點融入一系列設(shè)計細(xì)則，研究內(nèi)容可見如下。

1.2.1 總體布局設(shè)計

每幅虛擬盤臺對應(yīng)一塊實際的硬盤臺，虛擬盤臺上設(shè)備的布局遵從于實際硬盤臺上設(shè)備布局。

整個虛擬盤臺界面的設(shè)計包括一幅總體盤臺界面、8幅單個盤臺界面(后備盤(BUP)、嚴(yán)重事故盤(SAP)、DHP盤(多樣性HSI盤))、一幅應(yīng)急控制盤界面(ECP)、一幅遠程停堆盤界面(RSS)?？梢詫崿F(xiàn)從總體盤臺界面到單幅盤臺界面的導(dǎo)航，通過使用鼠標(biāo)點擊盤臺總體圖上的任一區(qū)域，可以導(dǎo)航到該區(qū)域?qū)?yīng)的單幅虛擬盤臺界面中。對單幅的盤臺界面，還能以鼠標(biāo)當(dāng)前的位置為中心點，進行縮放和拖移。

虛擬盤臺總體界面可以顯示盤臺的全貌，對于單幅虛擬盤臺界面，可以通過鼠標(biāo)縮放，來觀察盤臺的局部細(xì)節(jié)。

1.2.2 靜態(tài)元素設(shè)計

總體盤臺界面，在實際硬盤臺總體圖片的基礎(chǔ)上進行美工編輯，及導(dǎo)航功能開發(fā)。從逼真度要求出發(fā)，總體界面的靜態(tài)設(shè)計主要來自盤臺的實際圖片。

單幅虛擬盤臺，盤臺的顏色與實際盤臺的顏色相同(如：盤臺面板背景色RAL Code 7035)。盤臺上設(shè)備的視像與實際設(shè)備的外觀要對照一致，包括形狀、色澤、材質(zhì)等。虛擬盤臺報警窗字體、設(shè)備標(biāo)識都與實際盤臺的設(shè)計保持一致，并構(gòu)建相應(yīng)的字體集(字體、大小、顏色等)。

1.2.3 動態(tài)元素設(shè)計

(1)設(shè)備操作。在硬盤臺上可以手動操作的設(shè)備，在虛擬盤臺上也將可以使用鼠標(biāo)進行操作。在虛擬盤臺上可以動態(tài)顯示操作設(shè)備的狀態(tài)，顯示展現(xiàn)方式則與實際設(shè)備的動態(tài)顯示相同。

(2)指示燈及報警。虛擬盤臺上所有的指示燈及報警的動態(tài)設(shè)計，均要達到與實際設(shè)備的動態(tài)顯示相同。

(3)儀表指示。虛擬盤臺上所有儀表的動態(tài)設(shè)計，要達到與實際的儀表動態(tài)顯示相同。

以上所有虛擬盤臺的動態(tài)設(shè)計都要具備實時性，確保與硬盤臺的響應(yīng)做到同步。

這里，給出了ACPR1000核電廠全范圍模擬機虛擬盤臺界面局部設(shè)計如圖1所示。

圖1 虛擬盤臺局部界面圖Fig. 1 Soft panel partial view

2 接口通訊的設(shè)計

虛擬盤臺系統(tǒng)接口通訊程序需要實現(xiàn)虛擬盤臺的操作、超控和跟蹤功能[9]。研究闡釋如下。

2.1 接口通訊

IO接口軟件用來設(shè)計生成盤臺系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的接口[10]。在模擬機中，由于DCS的IO系統(tǒng)被簡化，IO接口軟件用來模擬硬盤臺IO信號的采集過程，硬盤臺與DCS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。所以，模擬機中IO接口軟件的設(shè)計，在實現(xiàn)電廠硬盤臺IO數(shù)據(jù)采集功能的基礎(chǔ)上，還另外增加了模擬機中特有的功能。

虛擬盤臺接口屬于模擬機IO接口程序的一部分，其設(shè)計是在整個模擬機盤臺的接口軟件中完成，在此只對虛擬盤臺系統(tǒng)接口通訊部分的設(shè)計予以介紹表述。

虛擬盤臺的接口部分設(shè)計包括3個方面內(nèi)容，詳情如下：

(1)虛擬盤臺跟蹤顯示硬盤臺上的設(shè)備狀態(tài)功能的設(shè)計，就是通過硬設(shè)備IO點映射到虛擬設(shè)備上來實現(xiàn)，只要硬設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化，其對應(yīng)的IO點狀態(tài)將會發(fā)生變化，映射到的虛擬設(shè)備的狀態(tài)也會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了虛擬設(shè)備跟蹤硬設(shè)備狀態(tài)的功能。此時虛擬設(shè)備的操作被屏蔽，不接受從虛擬設(shè)備發(fā)出的操作。

(2)虛擬盤臺操作功能的設(shè)計，則是通過把虛擬設(shè)備的狀態(tài)映射到硬設(shè)備的IO點上來實現(xiàn)的；在對虛擬設(shè)備操作的時候，其狀態(tài)發(fā)生變化，映射到的硬設(shè)備的IO點的狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，這些變化了的IO點的狀態(tài)被送往DCS系統(tǒng)進行控制邏輯的計算，從而實現(xiàn)虛擬設(shè)備的操作功能。該功能是在硬盤臺不可用的情況下、旨在利用虛擬盤臺代替硬盤臺來進行操作時選擇使用。

(3)虛擬盤臺超控功能的設(shè)計，就是通過對每個設(shè)備的每個IO點創(chuàng)建一個超控標(biāo)志變量和超控值變量來實現(xiàn)的；在超控標(biāo)志被設(shè)置的時候，超控值優(yōu)先，被送往DCS進行邏輯計算或者是送到硬盤臺或虛擬盤臺上進行顯示；此時硬盤上的設(shè)備操作被屏蔽，從DCS接受到的該設(shè)備信號也被屏蔽。超控功能可用來模擬硬盤臺上設(shè)備出現(xiàn)故障的情形。超控功能只是針對單個設(shè)備，在超控模式下，僅是在虛擬盤臺上可操作的設(shè)備才被超控。

2.2 接口性能

虛擬盤臺系統(tǒng)的接口通訊是盤臺接口通訊軟件的一部分，為確保其應(yīng)用過程符合要求，接口軟件(包含通訊功能)的性能設(shè)計重點考慮2個方面，對其表述如下：

(1)從軟件中數(shù)據(jù)傳遞過程的設(shè)計上，采用了回調(diào)機制，接受硬盤臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣避免接受數(shù)據(jù)過程中對接口軟件執(zhí)行過程的阻塞，提升了IO接口軟件運行的效率，也是對模擬機整體性能(實時性)保障。

(2)從軟件的結(jié)構(gòu)和分布上，把IO接口軟件部署在仿真系統(tǒng)的服務(wù)器上運行，并通過共享內(nèi)存的方式進行數(shù)據(jù)交換，提高了數(shù)據(jù)傳遞的效率，保證了接口軟件的性能。

3 功能開發(fā)

模擬機作為一種培訓(xùn)工具，為了方便教員對學(xué)員在硬盤臺上的操作進行監(jiān)視，查看硬盤臺上的顯示內(nèi)容，以及教員在培訓(xùn)過程中模擬硬盤臺上設(shè)備的故障，專門設(shè)計了虛擬盤臺。下面即全面探討了虛擬盤臺與硬盤臺上設(shè)備狀態(tài)同步功能的研究實現(xiàn)。

3.1 虛擬盤臺與硬盤臺的同步機理研究

通過虛擬盤臺與硬盤臺中的設(shè)備狀態(tài)的同步，研究得到了虛擬設(shè)備的3種運行方式，內(nèi)容如下：

(1)跟蹤方式。在此方式下，虛擬盤臺和硬盤臺同時工作，虛擬盤臺將跟蹤顯示硬盤臺上的設(shè)備狀態(tài)和操作過程，此時，虛擬設(shè)備處在被動工作的方式下，所有的控制操作只能從硬盤臺上的設(shè)備發(fā)出，對虛擬設(shè)備進行操作不會產(chǎn)生實際效果；對于輸出類型的設(shè)備，虛擬設(shè)備與實際設(shè)備的顯示結(jié)果要一致，對于輸入設(shè)備，在對硬設(shè)備指令操作的時候，虛擬設(shè)備也要伴隨著同步變化。虛擬盤臺此時起到的是對硬盤臺的實時監(jiān)視作用。

(2)超控方式。在此方式下，虛擬盤臺與硬盤臺同時工作，虛擬設(shè)備享有優(yōu)先控制權(quán)，此時，既可以對硬設(shè)備進行操作，也可以對虛擬設(shè)備進行操作，相應(yīng)的操作都會發(fā)揮作用，但是一旦對某一虛擬設(shè)備操作過后，再對關(guān)聯(lián)的硬設(shè)備指定操作時，不會有任何實際效果，但是可以對其它的硬設(shè)備來布控操作，并會產(chǎn)生實際效果；對于輸出設(shè)備，超控之后，虛擬設(shè)備和硬設(shè)備都將顯示超控后的狀態(tài)值。該種方式用來模擬硬盤臺設(shè)備的故障情況。

(3)操作方式。為了節(jié)省成本，在利用虛擬盤臺代替硬盤臺來配置控制和監(jiān)視功能的應(yīng)用場合，虛擬盤臺以此方式工作，可以用虛擬盤臺完成硬盤臺的所有功能，包括對設(shè)備的操作和狀態(tài)的顯示。

研究中，還將通過對ACPR1000全范圍模擬機虛擬盤臺系統(tǒng)的實際應(yīng)用場景來對該功能進行設(shè)計解析，該模擬機中，與虛擬盤臺和硬盤臺相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

仿真平臺軟件提供了模擬機的開發(fā)、調(diào)試和運行環(huán)境，提供了對模擬機中各種計算程序的實時調(diào)度和同步控制，通過共享內(nèi)存機制，提供了實時計算程序之間、以及與仿真平臺之間的數(shù)據(jù)交換方式。虛擬盤臺的圖形軟件在仿真平臺的圖形環(huán)境中開發(fā)和運行，虛擬盤臺接口程序的核心主旨就是虛擬設(shè)備的狀態(tài)計算，計算出來的狀態(tài)用來控制虛擬設(shè)備圖形的動態(tài)顯示，虛擬設(shè)備狀態(tài)與虛擬盤臺圖形之間的信息傳遞采用了仿真平臺提供的數(shù)據(jù)訂閱和命令傳遞機制來完成，虛擬盤臺接口程序以實時方式運行在仿真平臺(服務(wù)器端)的環(huán)境中；IO接口程序也是以實時方式運行在仿真平臺的環(huán)境中，操控與硬盤臺之間的IO數(shù)據(jù)通訊。

圖2 盤臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig. 2 Panel system structure design

3.2 虛擬盤臺和硬盤臺的同步設(shè)計實現(xiàn)

虛擬盤臺和硬盤臺的同步，是由虛擬盤臺接口程序?qū)?種模式下虛擬設(shè)備狀態(tài)的計算來實現(xiàn)的。下面分別針對輸入設(shè)備(例如：開關(guān))和輸出設(shè)備(例如：儀表、燈)來描述闡析虛擬設(shè)備與實際設(shè)備的同步過程。

(1)輸入設(shè)備的狀態(tài)同步。同步過程如圖3所示。

圖3 輸入設(shè)備的狀態(tài)同步流程圖Fig. 3 Input device status synchronization flowchart

該種類型的虛擬設(shè)備，不僅要能作為輸入設(shè)備，接收用戶(通過鼠標(biāo))對該設(shè)備的操作，而且要反饋對應(yīng)的硬設(shè)備的狀態(tài)(例如：對于控制開關(guān)，需要反饋其位置狀態(tài))，要實現(xiàn)此功能的關(guān)鍵是建立虛擬設(shè)備狀態(tài)與硬設(shè)備IO(DI)點之間的映射關(guān)系。例如：假設(shè)一個控制開關(guān)為自復(fù)位開關(guān)，有3種位置狀態(tài)：開位置、關(guān)位置、中間位置。其中，中間位置為自由狀態(tài)，該開關(guān)連接到2個DI點，斷開時DI點對應(yīng)的狀態(tài)為0，接通時為1；當(dāng)開關(guān)扳到“開”位置時，第一個DI點接通，扳到“關(guān)”位置時，第二個DI點接通，那么該開關(guān)在以上3種位置時，這2個DI點對應(yīng)的狀態(tài)分別為：(1，0)、(0，1)、(0，0),虛擬設(shè)備對應(yīng)的狀態(tài)值分別為：1、2、0；映射機制需要建立起硬設(shè)備的一組(2個)IO點狀態(tài)與虛擬設(shè)備狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系。具體來說，在跟蹤模式下，虛擬盤臺接口程序檢測到這2個IO點的狀態(tài)為(1，0)時，就知道這個開關(guān)被切到了“開”位置，此時需要把虛擬設(shè)備的狀態(tài)值設(shè)為“1”，虛擬設(shè)備在檢測到目標(biāo)狀態(tài)變?yōu)椤?”后，其圖形顯示也隨之轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的顯示；反之，當(dāng)虛擬設(shè)備被超控到“開”位置時，其對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)值為2，此時，需要把狀態(tài)值2映射到這2個IO點上，把這2個IO點的狀態(tài)設(shè)置成(0，1)。

對于盤臺上所有的輸入設(shè)備，批量化建立各設(shè)備與虛擬設(shè)備之間的映射關(guān)系，是同步過程的另一項關(guān)鍵技術(shù)。

(2)輸出設(shè)備的狀態(tài)同步。同步過程如圖4所示。

圖4 輸出設(shè)備的顯示狀態(tài)同步流程圖

Fig.4Outputdevicedisplaystatussynchronization

flowchart

由于輸出設(shè)備只是用來顯示，不存在類似輸入設(shè)備中的狀態(tài)反饋過程，這就使得設(shè)計同步過程相對簡單一些，只要保證實際設(shè)備與虛擬設(shè)備顯示的信息一致即可；在超控狀態(tài)下，虛擬設(shè)備和實際設(shè)備都顯示超控后的狀態(tài)，而非顯示超控前的狀態(tài)。

4 結(jié)束語

首套ACPR1000虛擬盤臺系統(tǒng)已成功應(yīng)用于陽江核電廠5,6號機組全范圍模擬機及教室模擬機中，自正式投入培訓(xùn)使用以來運行穩(wěn)定，界面友好，交互性手段完善，仿真精度更高等[11]。該系統(tǒng)不僅滿足了盤臺系統(tǒng)的監(jiān)視和超控功能的要求，還達到了模擬機的性能指標(biāo)，該ACPR1000全范圍模擬機虛擬盤臺系統(tǒng)可推廣應(yīng)用至其他采用ACPR1000技術(shù)路線的核電廠全范圍模擬機中(如：紅沿河核電廠二期工程全范圍模擬機)。總而言之，本文研究成果提升了ACPR1000模擬機教學(xué)的質(zhì)量及便利，對盤臺功能的培訓(xùn)、研究、演示及技術(shù)拓展具有重要的使用價值[12]。

[1] NB/T 20015- 2010，核電廠操縱人員培訓(xùn)及考試用模擬機[S].

[2] 章旋,茆榮,曹建亭． 核電站全范圍模擬機關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 熱力發(fā)電，2011，40 (1) :16-18．

[3] 楊孟琢,高佳,趙炳全,等. 核電廠操縱員可靠性研究[J]. 科學(xué)通報，1997，42(17)：1804-1809.

[4] 齊克林,朱玉龍,李青,等. 核電站全范圍模擬機標(biāo)準(zhǔn)和國產(chǎn)化能力分析[C]//中國核學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文摘要集. 武漢：中國核學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會， 2007：34.

[5] 方向,何旭洪,趙炳全. 核電廠操縱員認(rèn)知模型研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2006，40(5)：570-573.

[6] 侯雪燕,李姝,李青. 核電站全范圍模擬機數(shù)字控制計算機系統(tǒng)仿真[C]//中國核科學(xué)技術(shù)進展報告(第二卷)—中國核學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集第3冊(核能動力分卷(下)). 貴陽：中國核學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會，2011：918-923.

[7] 褚中葦,魏東. 交互設(shè)計在人機界面設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 藝術(shù)與設(shè)計(理論)，2007(4)：93-95.

[8] 石桂連,王中青,胡俊. 核電站全范圍模擬機畫面重演技術(shù)及應(yīng)用[J]. 自動化博覽，2017(9)：90-93.

[9] 林克軍,張漢泉,楊政理,等. 寧德核電廠全范圍模擬機硬盤臺系統(tǒng)設(shè)計[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)，2014，10 (4) :321-326．

[10]陳偉,李永權(quán),毛偉,等. 紅沿河核電廠全范圍模擬機I/O接口系統(tǒng)實現(xiàn)[C]//中國計量協(xié)會冶金分會2012年會暨能源計量與節(jié)能降耗經(jīng)驗交流會. 貴陽：中國計量協(xié)會冶金分會，《冶金自動化》，2012(S2):651-654.

[11]方飛. 核電廠模擬機研制過程中的質(zhì)量保證[C]//中國核學(xué)會核能動力學(xué)會核電質(zhì)量保證專業(yè)委員會第十一屆年會暨學(xué)術(shù)報告會論文專集. 云南：中國核學(xué)會，2013，26(1)：157-163.

[12]張波,王青松,王承智,等. 全范圍模擬機的應(yīng)用現(xiàn)狀及在核安全監(jiān)管中的應(yīng)用展望[C]//中國核科學(xué)技術(shù)進展報告(第三卷)——中國核學(xué)會2013年學(xué)術(shù)年會論文集第3冊(核能動力分卷(下)). 哈爾濱：中國核學(xué)會2013學(xué)術(shù)年會，2013：477-482.