国内首套ACPR1000核电厂全范围模拟机虚拟盘台系统研发与应用

国内首套ACPR1000核电厂全范围模拟机虚拟盘台系统研发
与应用
杨政理;林克军
【摘要】本文介绍了国内首套ACPR1000核电厂全范围模拟机虚拟盘台系统研发及应用情况,探讨核电模拟机虚拟盘台系统设计研发中的一般性原则;依照此原则进行设计的虚拟盘台系统,经过实际应用的验证,满足了其在人机界面、功能需求和性能保证等方面的要求.
【期刊名称】《智能计算机与应用》
【年(卷),期】2018(008)001
【总页数】5页(P103-107)
【关键词】ACPR1000全范围模拟机;虚拟盘台系统
【作者】杨政理;林克军
【作者单位】中广核(北京)仿真技术有限公司, 广东深圳518031;中广核(北京)仿真技术有限公司, 广东深圳518031
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
引言
核电厂全范围模拟机又称为“虚拟核电站”，是核电厂操纵员培训、取照考试，设
计验证的重要设备[1-2]，盘台系统是其关键组成部分。

在全范围模拟机中，盘台
系统的设计采用了实物模拟和虚拟模拟两种方式。

具体来说，实物模拟选取设备与实际主控室中的设备规格完全相同，只是对信号采集部分进行了简化；虚拟模拟利用计算机图形技术来仿真模拟全范围模拟机主控室盘台系统(后备盘(BUP)、应急控制盘(ECP)等)的人机界面、功能及性能，并以可视化的方式向教员、研究人员展示模拟机中实际盘台设备的外观和实时状态，同时提供列表、图形化的超控操作方式来定制模拟盘台故障、强制设备状态等。

在全范围模拟机的培训过程中，实物盘台由学员使用，虚拟盘台由教员使用。

虚拟盘台系统对核电操作人员培训、演练、安全分析、技术改进等可起到至关重要的发展推动作用[3]。

阳江核电厂5,6号机组全范围模拟机以阳江核电5号机组为参考对象，是国内首套采用ACPR1000技术路线、首次应用中国广核集团拥有自主知识产权的核安全级
数字化仪控系统(和睦系统)的全范围模拟机[4]。

ACPR1000实际硬盘台采用“马
赛克”风格设计，在模拟机的虚拟盘台开发中，优化虚拟设备模块设计，简化拼接元素，外观更加逼真，可扩展性强，且具有良好的交互性。

其虚拟盘台系统包括：后备盘(BUP)、应急控制盘(ECP)、远程停堆盘(RSS)、严重事故盘(SAP)、DHP盘(多样性HSI盘)。

全范围模拟机虚拟盘台系统严格参考电厂中的盘台系统外观及功能设计，虚拟盘台系统的设计研发主要包括人机界面、接口通讯、功能模拟三个部分。

本文即对此展开如下分析论述。

1 虚拟盘台系统人机界面设计
在全范围模拟机中，虚拟盘台系统给教员配备了一种模拟硬盘台设备失效的方式以及对硬盘台上设备状态进行监视的手段。

在教室模拟机中，虚拟盘台将用来替代硬盘台来集成处理盘台操作和监视功能，故其对界面的仿真度提出了很高要求[5-6]。

虚拟盘台系统图形部分是在仿真平台的图形开发环境中来运行生成的，下面将从虚
拟盘台人机界面实际开发过程中涉及到的主体内容来探究其设计原则的规划与确立。

1.1 虚拟盘台人机界面总体设计原则
人机界面(Human Machine Interaction，HMI)，又称用户界面，是人与计算机
之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是系统和用户之间发生交互和信息交换的媒介[7]。

虚拟盘台实际上是对硬盘台进行模拟。

虚拟盘台模拟的是硬盘台的台面与其设备仪表的动态和静态显示以及设备的操作[8]，所以虚拟盘台的人机界面设计，需以硬
盘台本身及其上的实际设备为参考基准。

在虚拟盘台界面开发过程中，就要秉承遵循以下2个基本的设计准则：
(1)一致性原则。

包括设备图形一致、操作区域一致、色彩的一致、文字的一致、
布局的一致。

界面细节设计的一致性可使操作人员浏览界面时感觉舒适，不致分散其注意力，从而减少操作失误。

(2)面向对象原则。

虚拟盘台系统主要面对的用户是核电模拟机教员及操纵员，按
照其身份特征和工作性质，设计与此相适应的交互界面，包括导航层级引导设计，操作窗口友好和易操作，从而提高用户的交互水平和效率。

1.2 虚拟盘台人机界面设计细则
综上所述，依托总体设计原则的基础上，在使用仿真平台的图形开发环境及辅助开发工具对虚拟盘台人机界面进行设计开发的过程中，还需重点融入一系列设计细则，研究内容可见如下。

1.2.1 总体布局设计
每幅虚拟盘台对应一块实际的硬盘台，虚拟盘台上设备的布局遵从于实际硬盘台上设备布局。

整个虚拟盘台界面的设计包括一幅总体盘台界面、8幅单个盘台界面(后备盘(BUP)、严重事故盘(SAP)、DHP盘(多样性HSI盘))、一幅应急控制盘界面(ECP)、一幅远
程停堆盘界面(RSS)。

可以实现从总体盘台界面到单幅盘台界面的导航，通过使用
鼠标点击盘台总体图上的任一区域，可以导航到该区域对应的单幅虚拟盘台界面中。

对单幅的盘台界面，还能以鼠标当前的位置为中心点，进行缩放和拖移。

虚拟盘台总体界面可以显示盘台的全貌，对于单幅虚拟盘台界面，可以通过鼠标缩放，来观察盘台的局部细节。

1.2.2 静态元素设计
总体盘台界面，在实际硬盘台总体图片的基础上进行美工编辑，及导航功能开发。

从逼真度要求出发，总体界面的静态设计主要来自盘台的实际图片。

单幅虚拟盘台，盘台的颜色与实际盘台的颜色相同(如：盘台面板背景色RAL Code 7035)。

盘台上设备的视像与实际设备的外观要对照一致，包括形状、色泽、材质等。

虚拟盘台报警窗字体、设备标识都与实际盘台的设计保持一致，并构建相应的字体集(字体、大小、颜色等)。

1.2.3 动态元素设计
(1)设备操作。

在硬盘台上可以手动操作的设备，在虚拟盘台上也将可以使用鼠标
进行操作。

在虚拟盘台上可以动态显示操作设备的状态，显示展现方式则与实际设备的动态显示相同。

(2)指示灯及报警。

虚拟盘台上所有的指示灯及报警的动态设计，均要达到与实际
设备的动态显示相同。

(3)仪表指示。

虚拟盘台上所有仪表的动态设计，要达到与实际的仪表动态显示相同。

以上所有虚拟盘台的动态设计都要具备实时性，确保与硬盘台的响应做到同步。

这里，给出了ACPR1000核电厂全范围模拟机虚拟盘台界面局部设计如图1所示。

图1 虚拟盘台局部界面图Fig. 1 Soft panel partial view
2 接口通讯的设计
虚拟盘台系统接口通讯程序需要实现虚拟盘台的操作、超控和跟踪功能[9]。

研究阐释如下。

2.1 接口通讯
IO接口软件用来设计生成盘台系统与其它系统的接口[10]。

在模拟机中，由于DCS的IO系统被简化，IO接口软件用来模拟硬盘台IO信号的采集过程，硬盘台与DCS系统之间的数据交换。

所以，模拟机中IO接口软件的设计，在实现电厂硬盘台IO数据采集功能的基础上，还另外增加了模拟机中特有的功能。

虚拟盘台接口属于模拟机IO接口程序的一部分，其设计是在整个模拟机盘台的接口软件中完成，在此只对虚拟盘台系统接口通讯部分的设计予以介绍表述。

虚拟盘台的接口部分设计包括3个方面内容，详情如下：
(1)虚拟盘台跟踪显示硬盘台上的设备状态功能的设计，就是通过硬设备IO点映射到虚拟设备上来实现，只要硬设备的状态发生变化，其对应的IO点状态将会发生变化，映射到的虚拟设备的状态也会发生变化，从而实现了虚拟设备跟踪硬设备状态的功能。

此时虚拟设备的操作被屏蔽，不接受从虚拟设备发出的操作。

(2)虚拟盘台操作功能的设计，则是通过把虚拟设备的状态映射到硬设备的IO点上来实现的；在对虚拟设备操作的时候，其状态发生变化，映射到的硬设备的IO点的状态也随之发生变化，这些变化了的IO点的状态被送往DCS系统进行控制逻辑的计算，从而实现虚拟设备的操作功能。

该功能是在硬盘台不可用的情况下、旨在利用虚拟盘台代替硬盘台来进行操作时选择使用。

(3)虚拟盘台超控功能的设计，就是通过对每个设备的每个IO点创建一个超控标志变量和超控值变量来实现的；在超控标志被设置的时候，超控值优先，被送往DCS进行逻辑计算或者是送到硬盘台或虚拟盘台上进行显示；此时硬盘上的设备操作被屏蔽，从DCS接受到的该设备信号也被屏蔽。

超控功能可用来模拟硬盘台上设备出现故障的情形。

超控功能只是针对单个设备，在超控模式下，仅是在虚拟
盘台上可操作的设备才被超控。

2.2 接口性能
虚拟盘台系统的接口通讯是盘台接口通讯软件的一部分，为确保其应用过程符合要求，接口软件(包含通讯功能)的性能设计重点考虑2个方面，对其表述如下：(1)从软件中数据传递过程的设计上，采用了回调机制，接受硬盘台发送的数据，
这样避免接受数据过程中对接口软件执行过程的阻塞，提升了IO接口软件运行的效率，也是对模拟机整体性能(实时性)保障。

(2)从软件的结构和分布上，把IO接口软件部署在仿真系统的服务器上运行，并通过共享内存的方式进行数据交换，提高了数据传递的效率，保证了接口软件的性能。

3 功能开发
模拟机作为一种培训工具，为了方便教员对学员在硬盘台上的操作进行监视，查看硬盘台上的显示内容，以及教员在培训过程中模拟硬盘台上设备的故障，专门设计了虚拟盘台。

下面即全面探讨了虚拟盘台与硬盘台上设备状态同步功能的研究实现。

3.1 虚拟盘台与硬盘台的同步机理研究
通过虚拟盘台与硬盘台中的设备状态的同步，研究得到了虚拟设备的3种运行方式，内容如下：
(1)跟踪方式。

在此方式下，虚拟盘台和硬盘台同时工作，虚拟盘台将跟踪显示硬
盘台上的设备状态和操作过程，此时，虚拟设备处在被动工作的方式下，所有的控制操作只能从硬盘台上的设备发出，对虚拟设备进行操作不会产生实际效果；对于输出类型的设备，虚拟设备与实际设备的显示结果要一致，对于输入设备，在对硬设备指令操作的时候，虚拟设备也要伴随着同步变化。

虚拟盘台此时起到的是对硬盘台的实时监视作用。

(2)超控方式。

在此方式下，虚拟盘台与硬盘台同时工作，虚拟设备享有优先控制权，此时，既可以对硬设备进行操作，也可以对虚拟设备进行操作，相应的操作都
会发挥作用，但是一旦对某一虚拟设备操作过后，再对关联的硬设备指定操作时，不会有任何实际效果，但是可以对其它的硬设备来布控操作，并会产生实际效果；对于输出设备，超控之后，虚拟设备和硬设备都将显示超控后的状态值。

该种方式用来模拟硬盘台设备的故障情况。

(3)操作方式。

为了节省成本，在利用虚拟盘台代替硬盘台来配置控制和监视功能的应用场合，虚拟盘台以此方式工作，可以用虚拟盘台完成硬盘台的所有功能，包括对设备的操作和状态的显示。

研究中，还将通过对ACPR1000全范围模拟机虚拟盘台系统的实际应用场景来对该功能进行设计解析，该模拟机中，与虚拟盘台和硬盘台相关的系统设计如图2所示。

仿真平台软件提供了模拟机的开发、调试和运行环境，提供了对模拟机中各种计算程序的实时调度和同步控制，通过共享内存机制，提供了实时计算程序之间、以及与仿真平台之间的数据交换方式。

虚拟盘台的图形软件在仿真平台的图形环境中开发和运行，虚拟盘台接口程序的核心主旨就是虚拟设备的状态计算，计算出来的状态用来控制虚拟设备图形的动态显示，虚拟设备状态与虚拟盘台图形之间的信息传递采用了仿真平台提供的数据订阅和命令传递机制来完成，虚拟盘台接口程序以实时方式运行在仿真平台(服务器端)的环境中；IO接口程序也是以实时方式运行在仿真平台的环境中，操控与硬盘台之间的IO数据通讯。

图2 盘台系统结构设计图Fig. 2 Panel system structure design
3.2 虚拟盘台和硬盘台的同步设计实现
虚拟盘台和硬盘台的同步，是由虚拟盘台接口程序对3种模式下虚拟设备状态的计算来实现的。

下面分别针对输入设备(例如：开关)和输出设备(例如：仪表、灯)来描述阐析虚拟设备与实际设备的同步过程。

(1)输入设备的状态同步。

同步过程如图3所示。

图3 输入设备的状态同步流程图Fig. 3 Input device status synchronization flowchart
该种类型的虚拟设备，不仅要能作为输入设备，接收用户(通过鼠标)对该设备的操作，而且要反馈对应的硬设备的状态(例如：对于控制开关，需要反馈其位置状态)，要实现此功能的关键是建立虚拟设备状态与硬设备IO(DI)点之间的映射关系。

例如：假设一个控制开关为自复位开关，有3种位置状态：开位置、关位置、中间
位置。

其中，中间位置为自由状态，该开关连接到2个DI点，断开时DI点对应
的状态为0，接通时为1；当开关扳到“开”位置时，第一个DI点接通，扳到“关”位置时，第二个DI点接通，那么该开关在以上3种位置时，这2个DI点
对应的状态分别为：(1，0)、(0，1)、(0，0),虚拟设备对应的状态值分别为：1、2、0；映射机制需要建立起硬设备的一组(2个)IO点状态与虚拟设备状态之间的对应
关系。

具体来说，在跟踪模式下，虚拟盘台接口程序检测到这2个IO点的状态为(1，0)时，就知道这个开关被切到了“开”位置，此时需要把虚拟设备的状态值设为“1”，虚拟设备在检测到目标状态变为“1”后，其图形显示也随之转换为对
应的显示；反之，当虚拟设备被超控到“开”位置时，其对应的设备状态值为2，此时，需要把状态值2映射到这2个IO点上，把这2个IO点的状态设置成(0，1)。

对于盘台上所有的输入设备，批量化建立各设备与虚拟设备之间的映射关系，是同步过程的另一项关键技术。

(2)输出设备的状态同步。

同步过程如图4所示。

图4 输出设备的显示状态同步流程图
Fig. 4 Output device display status synchronization
flowchart
由于输出设备只是用来显示，不存在类似输入设备中的状态反馈过程，这就使得设
计同步过程相对简单一些，只要保证实际设备与虚拟设备显示的信息一致即可；在超控状态下，虚拟设备和实际设备都显示超控后的状态，而非显示超控前的状态。

4 结束语
首套ACPR1000虚拟盘台系统已成功应用于阳江核电厂5,6号机组全范围模拟机
及教室模拟机中，自正式投入培训使用以来运行稳定，界面友好，交互性手段完善，仿真精度更高等[11]。

该系统不仅满足了盘台系统的监视和超控功能的要求，还达到了模拟机的性能指标，该ACPR1000全范围模拟机虚拟盘台系统可推广应用至
其他采用ACPR1000技术路线的核电厂全范围模拟机中(如：红沿河核电厂二期工程全范围模拟机)。

总而言之，本文研究成果提升了ACPR1000模拟机教学的质量及便利，对盘台功能的培训、研究、演示及技术拓展具有重要的使用价值[12]。

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