楊政理, 林克軍

(中廣核(北京)仿真技術有限公司， 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、取照考試，設計驗證的重要設備[1-2]，盤臺系統(tǒng)是其關鍵組成部分。在全范圍模擬機中，盤臺系統(tǒng)的設計采用了實物模擬和虛擬模擬兩種方式。具體來說，實物模擬選取設備與實際主控室中的設備規(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來仿真模擬全范圍模擬機主控室盤臺系統(tǒng)(后備盤(BUP)、應急控制盤(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、強制設備狀態(tài)等。在全范圍模擬機的培訓過程中，實物盤臺由學員使用，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、演練、安全分析、技術改進等可起到至關重要的發(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技術路線、首次應用中國廣核集團擁有自主知識產(chǎn)權的核安全級數(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”風格設計，在模擬機的虛擬盤臺開發(fā)中，優(yōu)化虛擬設備模塊設計，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)、應急控制盤(ECP)、遠程停堆盤(RSS)、嚴重事故盤(SAP)、DHP盤(多樣性HSI盤)。

全范圍模擬機虛擬盤臺系統(tǒng)嚴格參考電廠中的盤臺系統(tǒng)外觀及功能設計，虛擬盤臺系統(tǒng)的設計研發(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備失效的方式以及對硬盤臺上設備狀態(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)容來探究其設計原則的規(guī)劃與確立。

1.1 虛擬盤臺人機界面總體設計原則

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備儀表的動態(tài)和靜態(tài)顯示以及設備的操作[8]，所以虛擬盤臺的人機界面設計，需以硬盤臺本身及其上的實際設備為參考基準。在虛擬盤臺界面開發(fā)過程中，就要秉承遵循以下2個基本的設計準則：

(1)一致性原則。包括設備圖形一致、操作區(qū)域一致、色彩的一致、文字的一致、布局的一致。界面細節(jié)設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)面向對象原則。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，設計與此相適應的交互界面，包括導航層級引導設計，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計細則

綜上所述，依托總體設計原則的基礎上，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計開發(fā)的過程中，還需重點融入一系列設計細則，研究內(nèi)容可見如下。

1.2.1 總體布局設計

每幅虛擬盤臺對應一塊實際的硬盤臺，虛擬盤臺上設備的布局遵從于實際硬盤臺上設備布局。

整個虛擬盤臺界面的設計包括一幅總體盤臺界面、8幅單個盤臺界面(后備盤(BUP)、嚴重事故盤(SAP)、DHP盤(多樣性HSI盤))、一幅應急控制盤界面(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航，通過使用鼠標點擊盤臺總體圖上的任一區(qū)域，可以導航到該區(qū)域對應的單幅虛擬盤臺界面中。對單幅的盤臺界面，還能以鼠標當前的位置為中心點，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，可以通過鼠標縮放，來觀察盤臺的局部細節(jié)。

1.2.2 靜態(tài)元素設計

總體盤臺界面，在實際硬盤臺總體圖片的基礎上進行美工編輯，及導航功能開發(fā)。從逼真度要求出發(fā)，總體界面的靜態(tài)設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)。盤臺上設備的視像與實際設備的外觀要對照一致，包括形狀、色澤、材質等。虛擬盤臺報警窗字體、設備標識都與實際盤臺的設計保持一致，并構建相應的字體集(字體、大小、顏色等)。

1.2.3 動態(tài)元素設計

(1)設備操作。在硬盤臺上可以手動操作的設備，在虛擬盤臺上也將可以使用鼠標進行操作。在虛擬盤臺上可以動態(tài)顯示操作設備的狀態(tài)，顯示展現(xiàn)方式則與實際設備的動態(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)設計，均要達到與實際設備的動態(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)設計都要具備實時性，確保與硬盤臺的響應做到同步。

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接口軟件的設計，在實現(xiàn)電廠硬盤臺IO數(shù)據(jù)采集功能的基礎上，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)接口通訊部分的設計予以介紹表述。

虛擬盤臺的接口部分設計包括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備狀態(tài)功能的設計，就是通過硬設備IO點映射到虛擬設備上來實現(xiàn)，只要硬設備的狀態(tài)發(fā)生變化，其對應的IO點狀態(tài)將會發(fā)生變化，映射到的虛擬設備的狀態(tài)也會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了虛擬設備跟蹤硬設備狀態(tài)的功能。此時虛擬設備的操作被屏蔽，不接受從虛擬設備發(fā)出的操作。

(2)虛擬盤臺操作功能的設計，則是通過把虛擬設備的狀態(tài)映射到硬設備的IO點上來實現(xiàn)的；在對虛擬設備操作的時候，其狀態(tài)發(fā)生變化，映射到的硬設備的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計，就是通過對每個設備的每個IO點創(chuàng)建一個超控標志變量和超控值變量來實現(xiàn)的；在超控標志被設置的時候，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；此時硬盤上的設備操作被屏蔽，從DCS接受到的該設備信號也被屏蔽。超控功能可用來模擬硬盤臺上設備出現(xiàn)故障的情形。超控功能只是針對單個設備，在超控模式下，僅是在虛擬盤臺上可操作的設備才被超控。

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，為確保其應用過程符合要求，接口軟件(包含通訊功能)的性能設計重點考慮2個方面，對其表述如下：

(1)從軟件中數(shù)據(jù)傳遞過程的設計上，采用了回調機制，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)從軟件的結構和分布上，把IO接口軟件部署在仿真系統(tǒng)的服務器上運行，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工具，為了方便教員對學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，以及教員在培訓過程中模擬硬盤臺上設備的故障，專門設計了虛擬盤臺。下面即全面探討了虛擬盤臺與硬盤臺上設備狀態(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備狀態(tài)的同步，研究得到了虛擬設備的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備狀態(tài)和操作過程，此時，虛擬設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備發(fā)出，對虛擬設備進行操作不會產(chǎn)生實際效果；對于輸出類型的設備，虛擬設備與實際設備的顯示結果要一致，對于輸入設備，在對硬設備指令操作的時候，虛擬設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，虛擬設備享有優(yōu)先控制權，此時，既可以對硬設備進行操作，也可以對虛擬設備進行操作，相應的操作都會發(fā)揮作用，但是一旦對某一虛擬設備操作過后，再對關聯(lián)的硬設備指定操作時，不會有任何實際效果，但是可以對其它的硬設備來布控操作，并會產(chǎn)生實際效果；對于輸出設備，超控之后，虛擬設備和硬設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)的實際應用場景來對該功能進行設計解析，該模擬機中，與虛擬盤臺和硬盤臺相關的系統(tǒng)設計如圖2所示。

仿真平臺軟件提供了模擬機的開發(fā)、調試和運行環(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備的狀態(tài)計算，計算出來的狀態(tài)用來控制虛擬設備圖形的動態(tài)顯示，虛擬設備狀態(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)結構設計圖Fig. 2 Panel system structure design

3.2 虛擬盤臺和硬盤臺的同步設計實現(xiàn)

虛擬盤臺和硬盤臺的同步，是由虛擬盤臺接口程序對3種模式下虛擬設備狀態(tài)的計算來實現(xiàn)的。下面分別針對輸入設備(例如：開關)和輸出設備(例如：儀表、燈)來描述闡析虛擬設備與實際設備的同步過程。

(1)輸入設備的狀態(tài)同步。同步過程如圖3所示。

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

該種類型的虛擬設備，不僅要能作為輸入設備，接收用戶(通過鼠標)對該設備的操作，而且要反饋對應的硬設備的狀態(tài)(例如：對于控制開關，需要反饋其位置狀態(tài))，要實現(xiàn)此功能的關鍵是建立虛擬設備狀態(tài)與硬設備IO(DI)點之間的映射關系。例如：假設一個控制開關為自復位開關，有3種位置狀態(tài)：開位置、關位置、中間位置。其中，中間位置為自由狀態(tài)，該開關連接到2個DI點，斷開時DI點對應的狀態(tài)為0，接通時為1；當開關扳到“開”位置時，第一個DI點接通，扳到“關”位置時，第二個DI點接通，那么該開關在以上3種位置時，這2個DI點對應的狀態(tài)分別為：(1，0)、(0，1)、(0，0),虛擬設備對應的狀態(tài)值分別為：1、2、0；映射機制需要建立起硬設備的一組(2個)IO點狀態(tài)與虛擬設備狀態(tài)之間的對應關系。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，就知道這個開關被切到了“開”位置，此時需要把虛擬設備的狀態(tài)值設為“1”，虛擬設備在檢測到目標狀態(tài)變?yōu)椤?”后，其圖形顯示也隨之轉換為對應的顯示；反之，當虛擬設備被超控到“開”位置時，其對應的設備狀態(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)設置成(0，1)。

對于盤臺上所有的輸入設備，批量化建立各設備與虛擬設備之間的映射關系，是同步過程的另一項關鍵技術。

(2)輸出設備的狀態(tài)同步。同步過程如圖4所示。

圖4 輸出設備的顯示狀態(tài)同步流程圖

Fig.4Outputdevicedisplaystatussynchronization

flowchart

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

4 結束語

首套ACPR1000虛擬盤臺系統(tǒng)已成功應用于陽江核電廠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，該ACPR1000全范圍模擬機虛擬盤臺系統(tǒng)可推廣應用至其他采用ACPR1000技術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)?？偠灾?，本文研究成果提升了ACPR1000模擬機教學的質量及便利，對盤臺功能的培訓、研究、演示及技術拓展具有重要的使用價值[12]。

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