［摘 要］文章旨在探討華龍一號核電站堆芯換料模擬操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用。華龍一號是我國自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)，其堆芯換料操作直接關(guān)聯(lián)到核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行和核燃料的有效利用。為確保換料過程中的操作安全、精確無誤，對操作人員的培訓(xùn)至關(guān)重要。文章介紹了一種基于虛幻引擎的高級模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確展示換料操作的主要步驟，并同時(shí)模擬換料過程中可能出現(xiàn)的異常情況，如燃料組件剮蹭等危險(xiǎn)行為的判斷與處理。

［關(guān)鍵詞］華龍一號；堆芯換料；操作模擬；虛幻引擎；人機(jī)交互

［中圖分類號］TL351.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0095–03

借鑒國內(nèi)外在核電站操作安全培訓(xùn)方面的成熟經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)進(jìn)步，文章提出一套全新的換料模擬操作系統(tǒng)，可以大幅提升國內(nèi)核電站員工的操作技能和應(yīng)急處理能力，為我國核電安全穩(wěn)健運(yùn)行提供強(qiáng)大的技術(shù)和人才支撐。

1 仿真模擬基礎(chǔ)研究

虛幻引擎是由Epic Games 公司開發(fā)的高端仿真開發(fā)平臺，其核心競爭力在于提供行業(yè)領(lǐng)先的實(shí)時(shí)3D 創(chuàng)建和渲染工具。這款引擎結(jié)合了復(fù)雜的圖形處理技術(shù)，包括先進(jìn)的光線追蹤、物理基準(zhǔn)的渲染、動(dòng)態(tài)光照和影子系統(tǒng)，以及高度真實(shí)的材質(zhì)和紋理支持，使得最終產(chǎn)出物能夠在視覺上高度接近于現(xiàn)實(shí)世界。

（1）通過虛幻引擎強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)編程功能，開發(fā)者可以利用TCP（傳輸控制協(xié)議）技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行可靠的通信。TCP 作為一種可靠的傳輸層控制協(xié)議，確保了數(shù)據(jù)的安全傳輸和順利交付，為多人游戲、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)交換等聯(lián)網(wǎng)功能提供了可靠基礎(chǔ)。這使得虛幻引擎成為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)交互的理想平臺。

（2）CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）技術(shù)旨在檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤或損壞。在數(shù)顯管顯示中，CRC 技術(shù)可以用于確保傳輸?shù)綌?shù)顯管的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。通過在數(shù)據(jù)中添加CRC 校驗(yàn)碼，并在接收端對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，數(shù)顯管可以有效地檢測到傳輸過程中可能發(fā)生的錯(cuò)誤，并采取相應(yīng)的糾正措施，以確保顯示的信息準(zhǔn)確無誤。CRC 技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)顯管顯示更加可靠，并提升了其在各種應(yīng)用場景中的實(shí)用性和可靠性。

（3）UMG（通用媒體網(wǎng)關(guān)）是虛幻引擎中構(gòu)建用戶界面的工具。其利用了藍(lán)圖和C++ 的優(yōu)勢，提供了一種創(chuàng)建響應(yīng)式和動(dòng)態(tài)UI（用戶界面）的方法。UMG 工作原理類似于網(wǎng)頁和移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)中的UI 設(shè)計(jì)，允許設(shè)計(jì)師創(chuàng)建各種小部件，如按鈕、滑塊、文本框等，并定義其外觀和行為。UMG 支持樣式化和動(dòng)態(tài)內(nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫、屏幕轉(zhuǎn)換等高級UI 特性。利用UMG，開發(fā)者可以創(chuàng)建從簡單的HUD（抬頭顯視設(shè)備）到復(fù)雜的游戲菜單和交互式控制面板的任何東西。

（4）C++ 編程支持。虛幻引擎提供了全面的C++支持，使得開發(fā)者能夠編寫高效率的代碼來構(gòu)建復(fù)雜的游戲邏輯和性能關(guān)鍵的系統(tǒng)。與藍(lán)圖相比，C++ 提供了更大的靈活性和控制，允許開發(fā)者訪問引擎的低層系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的代碼。此外，對于需要執(zhí)行大量計(jì)算或需要精細(xì)控制的功能，C++ 是更好的選擇。C++ 和藍(lán)圖之間有很好的互操作性，可以將C++ 類暴露給藍(lán)圖使用，或在藍(lán)圖中調(diào)用C++ 編寫的函數(shù)。

2 模擬操作流程

模擬操作臺實(shí)物按鈕與程序通過TCP 進(jìn)行信號傳輸，從而控制模擬操作裝卸料過程。描述了裝卸料機(jī)的正常操作，以指導(dǎo)裝卸料機(jī)操作員正確、安全地進(jìn)行裝卸料操作。在反應(yīng)堆廠房內(nèi)，一切裝卸料操作都是在換料主管的監(jiān)督下由裝卸料機(jī)操作員來完成。

（1）操作前需要按照3 個(gè)步驟進(jìn)行選擇：①裝料還是卸料操作；②自動(dòng)還是手動(dòng)操作；③具體要操作哪個(gè)燃料組件。最后點(diǎn)擊確認(rèn)開始下一步。

（2）手動(dòng)進(jìn)行裝卸料操作。卸料先從堆芯處操作裝卸料機(jī)取出對應(yīng)的燃料組件，操作大車、小車及主提升移動(dòng)抓具，并通過抓具操作開關(guān)控制抓具的嚙合抓取燃料組件，然后操作大車、小車及主提升，將燃料組件移動(dòng)至傾翻機(jī)指定標(biāo)高位置釋放，從而完成卸料操作。裝料先從傾翻機(jī)處取出對應(yīng)燃料組件，然后操作大車、小車到達(dá)指定燃料組件位置，再通過操作主提升將指定燃料組件放至堆芯指定位置，再通過抓具操作開關(guān)釋放燃料組件，完成裝料操作，最后操作主提升、大車、小車離開堆芯區(qū)域完成操作流程，如圖1 所示。

（3）自動(dòng)操作。體驗(yàn)者可以通過選擇自動(dòng)操作進(jìn)行自動(dòng)換料模擬，選擇裝料或卸料操作及對應(yīng)的燃料組件，采用橫向比較位置和縱向比較位置后進(jìn)行積分計(jì)算直線路徑，即可進(jìn)行自動(dòng)換料操作模擬。全自動(dòng)操作通過數(shù)據(jù)庫提供的步數(shù)、坐標(biāo)等信息，來實(shí)現(xiàn)大、小車位置的自動(dòng)定位。每一步的操作包括兩種運(yùn)動(dòng)：①裝卸料機(jī)從標(biāo)識提升的地方取燃料；②裝卸料機(jī)在標(biāo)識插入的地方放置燃料組件。自動(dòng)操作流程如下：點(diǎn)擊大、小車或主提升畫面的“選擇自動(dòng)”按鈕，進(jìn)入“自動(dòng)操作畫面”→選擇“全自動(dòng)操作”，確認(rèn)畫面上顯示“全自動(dòng)激活”→檢查“全自動(dòng)操作數(shù)據(jù)畫面”顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)→點(diǎn)擊“下個(gè)動(dòng)作”，確認(rèn)數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“確認(rèn)”；裝卸料機(jī)操作員點(diǎn)擊“自動(dòng)運(yùn)行”，大、小車開始自動(dòng)定位移動(dòng)→點(diǎn)擊“選擇新步數(shù)”，彈出“小鍵盤”，可以跳轉(zhuǎn)到任意一步。注意：如果在自動(dòng)運(yùn)行的工況下手動(dòng)干預(yù)停止，完成后必須重新選擇“手動(dòng)”模式。

3 旁路檢測和手動(dòng)操作注意事項(xiàng)

在操作中，有幾個(gè)判斷區(qū)域需要考慮。進(jìn)入堆芯慢速區(qū)和停止點(diǎn)時(shí)，顯示荷載線性變化情況。堆芯接近全下位時(shí)，如果x、y 坐標(biāo)誤差超過1 mm，將顯示超載/ 欠載錯(cuò)誤。當(dāng)堆芯全下位時(shí)，在9 525±5 mm 的范圍內(nèi)可釋放。抓具進(jìn)入套筒慢速區(qū)和接近上部慢速區(qū)時(shí)，速度會(huì)切換。此外，大車、小車聯(lián)鎖規(guī)定在提升高度不小于4 000 mm 時(shí)，只能操作小車，低于該標(biāo)高則可操作大車和小車。空載重量為主提升空載下降到4 500 mm 時(shí)的重量（濕重），裝卸料機(jī)抓取控制棒組件時(shí)選擇開關(guān)打到位置“重”，抓取其他組件時(shí)選擇開關(guān)打到位置“輕”。

操作面板和指示燈提供了多種功能：報(bào)警靜音按鈕用于靜音裝卸料機(jī)故障報(bào)警；抓具嚙合燈和抓具脫扣燈用于顯示抓具狀態(tài)；抓具操作開關(guān)控制抓具的嚙合和釋放；速度控制開關(guān)手動(dòng)切換游戲操作移動(dòng)速度；大車手柄操作大車前后運(yùn)行，小車手柄操作小車左右運(yùn)行，主提升手柄操作主提升上下移動(dòng)；主提升超載和欠載時(shí)警示燈亮起；邊界旁路指示燈顯示是否在邊界操作；自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)功能可以按預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)流程播放當(dāng)前任務(wù)的燃料組件操作。

晶體管顯示提供了大車、小車、主提升位置及主提升荷載的相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)根據(jù)模擬程序內(nèi)的世界坐標(biāo)位置換算到實(shí)際標(biāo)高，主提升荷載根據(jù)燃料組件重量計(jì)算，并進(jìn)行線性變化顯示。

屏幕信息顯示包括當(dāng)前大車位置、當(dāng)前小車位置、目標(biāo)大車位置、目標(biāo)小車位置、主提升高度、主提升荷載、主提升速度及氣壓等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)也是根據(jù)模擬程序內(nèi)的世界坐標(biāo)位置換算到實(shí)際標(biāo)高，主提升荷載根據(jù)燃料組件重量計(jì)算，并進(jìn)行線性變化顯示。

（1）手動(dòng)操作。裝卸料機(jī)操作員手動(dòng)推動(dòng)“大車控制手柄”，向上推動(dòng)裝卸料大車即向堆芯90° 方向移動(dòng)，向下推動(dòng)即裝卸料大車向堆芯270° 方向移動(dòng)。裝卸料機(jī)操作員手動(dòng)推動(dòng)“小車控制手柄”，向左推動(dòng)裝卸料小車即向堆芯0° 方向移動(dòng)，向右推動(dòng)裝卸料小車即向堆芯180° 方向移動(dòng)。裝卸料機(jī)操作員手動(dòng)推動(dòng)“主提升控制手柄”，向上推動(dòng)裝卸料機(jī)伸縮套筒即向上移動(dòng)，向下推動(dòng)裝卸料機(jī)伸縮套筒即向下移動(dòng)。裝卸料機(jī)主提升下降到燃料組件上方，且出現(xiàn)主提升荷載釋放后，裝卸料機(jī)操作員手動(dòng)將“抓具操作開關(guān)”向“嚙合”位置旋轉(zhuǎn)，裝卸料機(jī)抓具即抓取組件，隨后“抓具嚙合”燈亮。荷載釋放條件為堆芯位置參考標(biāo)高9 525±5 mm，傾翻機(jī)位置參考標(biāo)高4 545±5 mm，荷載釋放參考值不大于450 kg。裝卸料機(jī)操作員手動(dòng)將“抓具操作開關(guān)”向“脫扣”位置旋轉(zhuǎn)即釋放組件，隨后“抓具脫扣”燈亮。

當(dāng)主提升進(jìn)入接近上部慢速區(qū)（≤ 300 mm）時(shí)速度自動(dòng)降為慢速，慢速區(qū)是防止主提升快速?zèng)_過上部限位開關(guān)。提升主提升到上部限位，觸摸屏上顯示編碼器上部限位，主提升上部限位燈亮并且主提升自動(dòng)停止。

晶體管顯示大車位置、小車位置、主提升位置，模擬程序內(nèi)世界坐標(biāo)位置換算到實(shí)際標(biāo)高，顯示主提升荷載隨著組件重量變化而產(chǎn)生線性變化。

（2）旁路檢測。在安全區(qū)外，觸發(fā)邊界旁路，只允許大車、小車慢速移動(dòng)。如果手動(dòng)操作碰撞到其他設(shè)備或堆芯基建設(shè)施，觸發(fā)操作失敗警告。并且主提升攜帶燃料組件在堆芯或傾翻機(jī)處操作時(shí)，與其他設(shè)備或燃料組件剮蹭或未對準(zhǔn)坐標(biāo)位置觸發(fā)超載或欠載旁路，模擬操作結(jié)束，提示失敗。

4 結(jié)束語

堆芯換料操作是核電站核島內(nèi)運(yùn)行極其重要的一步，對整個(gè)核電站的正常發(fā)電運(yùn)行有著極其重要的影響。本研究圍繞著華龍一號堆芯換料模擬操作系統(tǒng)展開研究與應(yīng)用，深入探討了其設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容。通過此系統(tǒng)，還原華龍一號換料操作的基礎(chǔ)操作模擬及基礎(chǔ)旁路模擬，可以在低成本、高安全性的前提下實(shí)現(xiàn)對體驗(yàn)者的操作基礎(chǔ)教學(xué)，有助于學(xué)員了解堆芯換料操作?？傊?，華龍一號堆芯換料模擬操作系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，未來的研究工作將繼續(xù)致力于推動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，為核能領(lǐng)域的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

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