陳艷芳，劉海鵬

（1. 武漢第二船舶研究設(shè)計所，武漢 430064；2. 海軍裝備部，北京 100036）

近年來，為提高核應急信息化水平，核應急基礎(chǔ)設(shè)施與裝備的投入顯著增加，從國家到地方及核電站，都積極開展了應急基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、應急設(shè)備配備、核應急系統(tǒng)軟硬件開發(fā)、平臺搭建等各項能力建設(shè)工作[1]。目前，已經(jīng)取得了一定的成效，開發(fā)了一系列產(chǎn)品，如核應急培訓和演練工具軟件，核應急決策支持系統(tǒng)等，并在核應急培訓和演練中起到了重要的作用[2，3]。

將虛擬技術(shù)融入應急培訓、演練以及技術(shù)支持系統(tǒng)中，可以精確地仿真事故的行為，指導核設(shè)施應急處置人員對核設(shè)施狀態(tài)進行正確的評估，制訂應急預案，并且該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一個重要的研究領(lǐng)域。本文介紹的基于VR技術(shù)的核電站核應急輔助系統(tǒng)（以下“簡稱核應急輔助系統(tǒng)”）實現(xiàn)了核設(shè)施模擬仿真技術(shù)和VR 仿真技術(shù)的結(jié)合，既真實地反映了核設(shè)施設(shè)計基準事故與超設(shè)計基準事故下，堆芯、安全殼以及環(huán)境的狀態(tài)，又充分利用了VR 的3D 仿真技術(shù)模擬真實環(huán)境，表現(xiàn)出了多源信息融合的交互式三維動態(tài)視景，能夠讓用戶進入3D 環(huán)境中，達到沉浸式體驗效果[4]。

該系統(tǒng)采用確定論和概率論的方法進行了多個核應急場景的相關(guān)計算，并搭建了數(shù)據(jù)庫，用于存儲這些事故場景的計算數(shù)據(jù)，以便在培訓和演練時直接調(diào)取這些數(shù)據(jù)，用于應急演練的三維動態(tài)展示。在應急響應狀態(tài)下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)來自應急管理系統(tǒng)（EM），用于實時動態(tài)地展示事故的進程。該系統(tǒng)可輔助核應急處置人員及時發(fā)現(xiàn)事故、準確地判斷事故的原因、快速地做出正確的決策，并迅速采取有效行動，進而控制或減輕核事故影響，避免發(fā)生核事故[5]。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了核設(shè)施設(shè)計基準事故與超設(shè)計基準事故下，堆芯、安全殼、環(huán)境的模擬仿真計算，并將結(jié)果與VR技術(shù)有機結(jié)合。下面對系統(tǒng)的架構(gòu)、系統(tǒng)的組成、工作流程、優(yōu)點和不足進行闡述。

1 系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

核應急輔助系統(tǒng)采用CS（Client/Server）軟件，客戶端—服務器架構(gòu)。服務器端是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲中心，用于保存多種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用MySQL 建立了數(shù)據(jù)庫。客戶端是人機交互的窗口（UI），為用戶提供系統(tǒng)交互功能。另外，將系統(tǒng)的邏輯部分也部署在客戶端，邏輯部分實現(xiàn)控制邏輯功能，利用人機接口及數(shù)據(jù)庫進行交互[6]。

基于VR技術(shù)的核電站核應急輔助系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System framework

該結(jié)構(gòu)具有交互性強、存取模式安全、網(wǎng)絡(luò)通信量低、響應速度快等特點，處理大量數(shù)據(jù)時有明顯優(yōu)勢[7]，在開發(fā)和使用中較BS（Browser/Server）結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。

系統(tǒng)運行所需的硬件配置簡單，經(jīng)濟性好，只需服務器1臺、客戶端若干臺（根據(jù)使用需求配置），以及實現(xiàn)客戶端和服務器通訊的網(wǎng)絡(luò)。

1.2 系統(tǒng)組成

核應急輔助系統(tǒng)由應急場景數(shù)據(jù)生成和存儲模塊、場景校準模塊、展示模塊、方案生成模塊4 個部分組成（如圖2 所示），分別用于不同應急演練場景的生成、數(shù)據(jù)的分類存儲和校準、場景的三維動態(tài)展示，為應急演練方案的編制提供核電站系統(tǒng)的狀態(tài)信息和廠區(qū)內(nèi)外的環(huán)境信息。

圖2 系統(tǒng)組成Fig.2 System structure

下面對以上4個模塊的組成和功能進行簡要說明。

1.2.1 場景數(shù)據(jù)生成和存儲模塊

場景數(shù)據(jù)生成和存儲模塊用于針對不同核動力裝置的培訓和應急演練場景的生成，供核應急輔助系統(tǒng)開發(fā)和維護工程師使用。設(shè)計明顯簡化了一般用戶的使用流程，降低了核應急輔助系統(tǒng)的操作難度。一般用戶只需直接通過UI 操作，選取已存儲的數(shù)據(jù)，進行場景的三維動態(tài)展示，并根據(jù)需要對展示的場景進行控制。

系統(tǒng)開發(fā)和維護工程師根據(jù)核動力裝置所有可能的應急演練需求，選取所有可能的初因事件或事件組，分別引入仿真計算模型。在執(zhí)行仿真計算之前，開發(fā)和維護工程師對所有可能的場景進行參數(shù)計算和時間序列選取。在完成上述兩項準備工作后，依次選取初因事件或事件組并執(zhí)行計算，已選取的場景數(shù)據(jù)自動存儲在服務器的數(shù)據(jù)庫中，計算結(jié)束后，系統(tǒng)UI 將自動提示是否進行場景數(shù)據(jù)的永久存儲。

場景數(shù)據(jù)生成和存儲模塊的執(zhí)行流程如圖3所示。

除本系統(tǒng)已提供的場景數(shù)據(jù)庫生成方式以外，系統(tǒng)開發(fā)和維護人員還可以遵循既定的格式，采用其他仿真計算模型完成場景數(shù)據(jù)的添加。

圖3 場景數(shù)據(jù)庫生成和存儲Fig.3 The creation and storage of the scene database

1.2.2 場景校準模塊

圖4 參數(shù)校準和存儲Fig.4 The parameter calibration and storage

核動力裝置的培訓和演習場景中，實際需要的參數(shù)和時間序列與已存儲的場景參數(shù)和時間序列之間可能存在差異。因此，本系統(tǒng)提供了“場景校準”功能，用于參數(shù)和時間序列的修改。

圖形化參數(shù)校準和存儲窗口如圖4所示。

圖形化時間序列的校準和存儲窗口如圖5所示。

在系統(tǒng)UI 中，為時間序列的校準和存儲提供了圖形化的窗口，通過鼠標點擊實現(xiàn)對已存儲場景參數(shù)和時間序列的調(diào)取，同時，可實現(xiàn)對已存儲場景的修改、校準和再次存儲[8]。所有已創(chuàng)建的場景存儲在場景數(shù)據(jù)庫中，供應急培訓和演練使用。

圖5 時間序列的校準和存儲Fig.5 The timing sequence calibration and storage

1.2.3 展示模塊

在核應急培訓和演練過程中，該模塊可以以3D 形式生動、逼真地展示核事故的進程，進而幫助核應急指揮部、技術(shù)支持中心等工作人員準確地了解核設(shè)施的真實情況，對事故狀態(tài)做出正確的判斷，為核應急處置措施的實施提供決策依據(jù)。

Windows環(huán)境下，采用3DMax建立核動力裝置系統(tǒng)和設(shè)備的3D模型，采用Unity3d表現(xiàn)核動力裝置穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)、瞬態(tài)、事故以及嚴重事故過程。同時，提供了部分2D畫面，為核應急培訓、演練以及應急響應提供充分和必要的信息[9]。

展示模塊的UI 中還布置了暫停、運行、快進、慢進等功能按鈕，控制核事故的進程。培訓或演習時，核事故的進程控制由專人負責，確保核事故的進程與演習或培訓的進度一致（如圖6所示）。

核應急輔助系統(tǒng)的展示模塊能夠生動、直觀地展示事故進程，提供關(guān)鍵參數(shù)、參數(shù)變化趨勢、時間序列等關(guān)鍵信息。展示模塊采取簡化配置，盡量多地在同一張畫面分類提供應急響應所需的信息，展示模塊由狀態(tài)監(jiān)視、堆芯和回路、安全殼、專設(shè)和應急設(shè)備、場外劑量分布，共計5張畫面組成。

（1）狀態(tài)監(jiān)視畫面：采用2D 畫面同步、動態(tài)地展示核應急狀態(tài)下的參數(shù)、趨勢曲線、報警以及主要時間序列，為核應急決策提供依據(jù)。

圖6 展示模塊的執(zhí)行流程Fig.6 The working flow-rate of the display model

（2）堆芯和回路：采用3D 畫面同步、動態(tài)地展示核應急條件下堆芯和回路系統(tǒng)管道內(nèi)部的（包括破口）流動、箱體的液位、堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的升溫、變形、熔融、坍塌、遷移、再定位，壓力容器的破損，以及堆芯熔融物相互作用（MCCI）等事故過程，為核應急決策提供依據(jù)。

（3）安全殼：采用3D 畫面同步、動態(tài)地展示核應急條件下安全殼內(nèi)部壓力、溫度、放射性劑量、氫氣濃度等場分布效果。同時，給出安全殼噴淋、噴淋液滴的汽化、液模表面的蒸發(fā)以及安全殼艙室液位變化等過程的動態(tài)效果，生動直觀地展示事故的進程，為核應急決策提供依據(jù)。

（4）專設(shè)和應急設(shè)備：采用2D 畫面同步、動態(tài)地展示核設(shè)施專設(shè)系統(tǒng)和應急設(shè)備的狀態(tài)，為核應急決策過程中的設(shè)備可用性和資源可調(diào)配性提供依據(jù)。

（5）場外劑量分布：根據(jù)三維劑量場模型的計算結(jié)果，將劑量場的分布情況以三維動態(tài)的方式展示出來，為核應急決策提供依據(jù)。

1.2.4 方案生成模塊

在系統(tǒng)的UI 上面提供了方案生成功能按鈕，供應急培訓和演練方案編制人員使用。方案生成模塊可根據(jù)用戶的需求生成相應格式和內(nèi)容的腳本文件[10]，文件內(nèi)容主要包括參數(shù)值、事件序列、趨勢曲線等，用戶可對此方案文件進行編輯和存儲（如圖7所示）。

圖7 展示模塊的執(zhí)行流程Fig.7 The working flows-rate of the script generation model

2 系統(tǒng)的使用和評價

2.1 系統(tǒng)的使用

核應急輔助系統(tǒng)有3種使用模式，即培訓模式、演練模式、應急響應模式。用戶可以根據(jù)實際進行選擇。

在培訓模式和演練模式下展示系統(tǒng)的驅(qū)動數(shù)據(jù)來自場景存儲服務器的仿真數(shù)據(jù)。核應急輔助系統(tǒng)在培訓模式下的工作流程如圖8所示。

圖8 培訓模式工作流程Fig.8 The working flow-rate of the training mode

核應急演練和核應急響應模式的使用方法是一樣的，只是數(shù)據(jù)來源不同。系統(tǒng)處于應急響應模式下，展示系統(tǒng)直接從機組的應急管理系統(tǒng)（EM）讀取數(shù)據(jù)。應急技術(shù)支持中心以及應急指揮中心通過應急網(wǎng)進行系統(tǒng)的登錄[11]。核應急輔助系統(tǒng)在核應急演練和核應急響應模式下的工作流程，如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)評價

核應急輔助系統(tǒng)可用于核應急培訓、演練、應急響應過程中的應急待命、廠房應急、場區(qū)應急以及場外應急的狀態(tài)判斷，為采?、艏?、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級響應行動提供輔助手段，為應急決策提供技術(shù)支持。

圖9 應急演練和應急響應模式工作流程Fig.9 The working flow-rate of the drilling and emergency response mode

該系統(tǒng)有以下主要特點：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便：該系統(tǒng)采用CS架構(gòu)，軟硬件結(jié)構(gòu)簡單，便于使用和維護,支持多用戶同時使用。

（2）一鍵式啟動：雙擊核應急輔助系統(tǒng)的圖標，系統(tǒng)自動、快速啟動。

（3）可擴展性強：系統(tǒng)開發(fā)和維護人員可根據(jù)需要隨時更新和添加新的演習場景，可根據(jù)需要對2D畫面進行參數(shù)配置。

（4）數(shù)據(jù)存儲容量大：場景存儲服務器能夠滿足多場景、海量數(shù)據(jù)存儲的需求。

（5）兩種模式，任意選擇：既能滿足應急培訓和演練的需求，又能滿足應急響應的需求。

（6）場景數(shù)據(jù)可校準：用戶可以根據(jù)使用需求定制化修改和存儲服務器中已存儲的場景數(shù)據(jù)。

（7）培訓演練進程控制：系統(tǒng)UI 提供了暫停、運行、快進、慢進等控制按鈕，實現(xiàn)了應急培訓和演練進程的控制。

（8）方案自動生成：點擊UI 上面的按鈕可自動生成腳本，減少了應急腳本編制人員的工作量，提高了工作效率。

（9）2D 和3D 相結(jié)合：2D 和3D 互為補充，既能生動逼真地展示核應急條件下系統(tǒng)、設(shè)備、安全殼、場外的狀態(tài)，又確保了應急決策支持信息的準確性。

3 結(jié)論

基于VR技術(shù)的核電站核應急輔助系統(tǒng)能夠生動、逼真地展示核事故狀態(tài)下應急相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備、安全殼、廠區(qū)、場外的狀態(tài)，為核應急工作提供充分的信息，能夠滿足應急培訓、演練以及應急響應的需求。

該系統(tǒng)的開發(fā)得到了核運營單位的大力支持和肯定，但是系統(tǒng)的推廣、應用和標準化還需要經(jīng)過充分的論證以及核安全監(jiān)管部門的認可。