張亞軍，王靜濤，黃昌軍，蘇小軍

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引 言

隨著我國(guó)核電事業(yè)的不斷發(fā)展，核電站發(fā)變組設(shè)備的復(fù)雜度不斷提升，對(duì)核電站發(fā)變組運(yùn)維人員的技術(shù)水平也有了更高的要求[1-2]。發(fā)變組運(yùn)維人員在正式進(jìn)入工作崗位前，必須要通過專業(yè)的技術(shù)水平培訓(xùn)。因此，需要針對(duì)核電站發(fā)變組設(shè)備開發(fā)三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直觀調(diào)試與仿真，保證運(yùn)維人員能夠快速且扎實(shí)地提升技術(shù)水平。

目前，國(guó)內(nèi)外已有高校和科研機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了新型站內(nèi)電氣設(shè)備的仿真方法。文獻(xiàn)[3]提出了一種將站內(nèi)電氣設(shè)備和軟件技術(shù)相結(jié)合的混合仿真方式，雖然能夠較為直接地反映站內(nèi)電氣設(shè)備的工況，但投入成本巨大且拓展性較低。文獻(xiàn)[4]依據(jù)可擴(kuò)展對(duì)象庫，提出了一種三維仿真平臺(tái)的構(gòu)建方法，雖然能夠有效提升系統(tǒng)的擴(kuò)展性，但無法有效反映站內(nèi)的信息交互。目前，大部分方法面向智能化變電站[5]，而電氣設(shè)備三維可視化技術(shù)在核電站中應(yīng)用較少。

本文建立的核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)模型，集核電站發(fā)變組一次設(shè)備、二次設(shè)備以及相關(guān)二次回路于一體，可模擬核電站發(fā)變組一次設(shè)備、二次設(shè)備和二次回路各種工況，并能夠充分描述各個(gè)設(shè)備間的交互影響，為核電站發(fā)變組運(yùn)維人員提供一個(gè)逼真的虛擬發(fā)變組運(yùn)維場(chǎng)景。該系統(tǒng)核電站發(fā)變組一次設(shè)備、二次設(shè)備的實(shí)際布局，使相關(guān)運(yùn)維人員能夠產(chǎn)生直觀的視覺沖擊，可作為相關(guān)運(yùn)維人員專業(yè)學(xué)習(xí)、技能培訓(xùn)以及技能鑒定考核的重要平臺(tái)。

1 可視化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)基于核電站電氣部分的設(shè)計(jì)圖紙，將核電站發(fā)變組的各個(gè)測(cè)量、操控以及信號(hào)等二次回路匯集到可視化三維仿真場(chǎng)景，為核電站發(fā)變組運(yùn)維人員建立逼真直觀的二次回路可視化培訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)而為相關(guān)人員在理論和技能等多層次提供全方位的演練培訓(xùn)。核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)包括3D模擬平臺(tái)、教學(xué)視頻系統(tǒng)、核電站電氣設(shè)備3D仿真以及電氣設(shè)備平面圖2D仿真等部分。各個(gè)組成部分由同一臺(tái)上位機(jī)服務(wù)器統(tǒng)一管理，記錄運(yùn)維人員的學(xué)習(xí)情況。核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)架構(gòu)

構(gòu)建人機(jī)交互平臺(tái)可將運(yùn)維人員的記錄信息傳遞給服務(wù)器。該平臺(tái)遵循IEEE1516標(biāo)準(zhǔn)和IEC61970標(biāo)準(zhǔn)，適用性較廣且拓展性較強(qiáng)，不局限于核電站發(fā)變組的可視化仿真，易與其他類型的仿真系統(tǒng)進(jìn)行匯集，從而構(gòu)建更加豐富完整的可視化仿真平臺(tái)。離線所建立的各個(gè)電氣設(shè)備的3D模型可在上位機(jī)服務(wù)器中備份，只要保證用戶的下位機(jī)與服務(wù)器連接，即可調(diào)用已有的3D模型，并對(duì)其進(jìn)行重新編輯定義，便于系統(tǒng)及相關(guān)虛擬電氣設(shè)備的再次開發(fā)。

3D模擬平臺(tái)按核電站電氣設(shè)備的實(shí)際布局和形狀進(jìn)行建設(shè)，能夠精確描述一次設(shè)備、二次設(shè)備及其二次回路的鏈接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)核電站發(fā)變組全場(chǎng)景的觀測(cè)。

教學(xué)視頻系統(tǒng)主要統(tǒng)計(jì)學(xué)員的個(gè)人信息，同時(shí)錄制相關(guān)教學(xué)人員的指導(dǎo)視頻。學(xué)員登錄賬戶后，可以回顧相關(guān)的教學(xué)視頻，而教學(xué)人員則可以向?qū)W員下發(fā)操作任務(wù)。

電氣設(shè)備3D仿真是參照核電站發(fā)變組的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行的相關(guān)計(jì)算，學(xué)員可以在3D漫游中直接讀取到各個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)工況信息。

電氣設(shè)備平面圖2D仿真依據(jù)核電站發(fā)變組實(shí)際圖紙進(jìn)行構(gòu)建，以通態(tài)平面圖的形式表現(xiàn)發(fā)變組等設(shè)備及相關(guān)二次回路的工況，能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)各個(gè)設(shè)備間的交互影響。2D仿真的優(yōu)勢(shì)在于學(xué)員可以從宏觀角度觀測(cè)核電站發(fā)變組乃至整個(gè)核電站電氣部分的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次回路讀圖、識(shí)圖、回路測(cè)量以及缺陷分析處理等操作。

2 可視化系統(tǒng)技術(shù)方案

核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)基于人機(jī)交互平臺(tái)，重點(diǎn)在于對(duì)發(fā)變組二次回路圖紙的2D實(shí)時(shí)仿真及核電站發(fā)變組一次設(shè)備、二次設(shè)備3D可視化模擬進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。

建立合理的核電站發(fā)變組可視化二次回路的2D及3D動(dòng)態(tài)模型，研制一套從圖紙到模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真軟件。在2D平面圖及3D動(dòng)畫場(chǎng)景中，可直觀了解各個(gè)電氣設(shè)備的工作方式，全方位展示核電站發(fā)變組二次回路的實(shí)時(shí)工況。對(duì)相關(guān)設(shè)備和回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)渲染，便于查看和學(xué)習(xí)相關(guān)二次回路及元件的動(dòng)作過程。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真軟件需要兼?zhèn)鋱D像分析、數(shù)據(jù)處理以及通信等多方面能力，并且運(yùn)算速率需滿足實(shí)時(shí)要求。變壓器3D虛擬模型如圖2所示。

圖2 變壓器3D虛擬模型

將核電站發(fā)變組二次回路可視化仿真模塊與電氣部分的一次設(shè)備、二次設(shè)備可視化仿真模塊相結(jié)合，將回路核電站電氣部分圖紙與虛擬3D可視化設(shè)備一一對(duì)應(yīng)，可精準(zhǔn)描述二次回路和設(shè)備的關(guān)聯(lián)狀態(tài)、動(dòng)態(tài)過程以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)完整的核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

為確定學(xué)員在漫游過程中的位置，需具備漫游導(dǎo)航功能，生成小地圖，標(biāo)記學(xué)員所在位置。漫游操作僅需通過鍵盤方向鍵和鼠標(biāo)進(jìn)行控制。

為便于學(xué)員查找虛擬核電站發(fā)變組及其二次回路的缺陷，需在人機(jī)界面中提供經(jīng)典類型的缺陷案例和缺陷查找工具，模擬必要的測(cè)量過程，并給出正確的測(cè)量結(jié)果。

建立友好的人機(jī)交互界面即教學(xué)視頻系統(tǒng)，便于教學(xué)人員安排教學(xué)內(nèi)容和下達(dá)教學(xué)任務(wù)，學(xué)員亦能按照實(shí)際核電站電氣設(shè)備運(yùn)維方法在學(xué)員下位機(jī)上操作。

3 可視化系統(tǒng)應(yīng)用

核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)根據(jù)核電站繼保運(yùn)維人員的培訓(xùn)要求，基于實(shí)際核電站電氣部分，將3D虛擬場(chǎng)景和主要運(yùn)維工具（圖紙、萬用表等）相結(jié)合，使得學(xué)員可從識(shí)別2D圖紙到學(xué)習(xí)各個(gè)設(shè)備的邏輯，再到缺陷查找和運(yùn)維，由淺至深地掌握核電站發(fā)變組的運(yùn)維技術(shù)。

仿真系統(tǒng)的主界面包括用戶注冊(cè)登錄界面和仿真培訓(xùn)主菜單界面，如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)的主界面

通過在Canvas創(chuàng)建Button、InputFiled以及Text控件，可完成登錄界面的制作。當(dāng)學(xué)員單擊注冊(cè)按鈕后，跳出注冊(cè)界面，判別學(xué)員所輸入的注冊(cè)用戶名是否已經(jīng)被占用。已經(jīng)注冊(cè)過的學(xué)員在輸入用戶名和密碼后，點(diǎn)擊登錄，即可進(jìn)入自己的核電站電氣設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，開始發(fā)變組運(yùn)維的培訓(xùn)與練習(xí)。

核電站電氣設(shè)備可視化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，生成的報(bào)文可通過雙擊2D模型中對(duì)應(yīng)的電氣圖標(biāo)進(jìn)行查看。相關(guān)報(bào)文的詳細(xì)信息可以在右邊欄查看。

學(xué)員在漫游的同時(shí)，還可以進(jìn)入飛行模式。將飛行模式與地面漫游相結(jié)合，學(xué)員能夠全方位了解核電站電氣設(shè)備的場(chǎng)景切換，從而提高仿真培訓(xùn)的效果。廠房頂部觀測(cè)虛擬核電站發(fā)電機(jī)組的3D效果，如圖4所示。

圖4 核電站發(fā)電機(jī)組

4 結(jié) 論

核電站發(fā)變組二次回路可視化系統(tǒng)是基于核電站工程實(shí)際的全方位仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，為學(xué)員提供了圖紙查閱、理論培訓(xùn)以及操作技能練習(xí)等多方面內(nèi)容。核電站發(fā)變組的二次回路缺陷查找功能，能夠?yàn)楹穗娬倦姎獠糠诌\(yùn)維人員提供一個(gè)逼真、直觀、便于使用的技能培訓(xùn)系統(tǒng)和綜合考核平臺(tái)，對(duì)保證核電站電氣部分安全運(yùn)行、降低事故概率具有重要意義。