基于虚拟现实技术的“华龙一号”主控制室模拟机系统

李溪韵,张 帆,梁晨晨

(1.中国核电工程有限公司,北京 100840;2.中国核工业集团公司,北京 100822)

主控制室是维持核电厂安全和正常运行的重要场所,操纵员在主控制室中集中完成核电厂的监视和控制工作。由于人的因素对核电厂的安全运行有着至关重要的影响,因此核电厂通常使用主控制室模拟机在设计阶段对主控制室的人因工程性能进行验证,并使用模拟机构建核电厂的真实运行工况场景对操纵员进行训练。

核电厂主控制室模拟机根据应用范围和侧重点不同,可分为工程验证模拟机和全范围模拟机两种,前者用于设计阶段对主控制室的人因工程及仪控功能进行验证,后者用于核电厂操纵员的训练。核电厂主控制室模拟机一般需要构建1∶1的实际主控制室模型 (工程验证模拟机可适当简化),用以完成人因工程验证和训练任务。对于人因工程的验证,在环境条件 (如照明设计、装修材质和配色方案等)、设备布置等方面如需对设计进行修改或优化,对于实际主控制室模拟机房间的修改非常困难。同时对于设计方,不同型号的主控制室需要独立的工程验证模拟机房间,随着工程项目的更迭存在所占空间大、复用率低的问题。对于运营单位的训练任务,一套占地约300 m2的全范围模拟机同时只能供一组操纵员进行训练,对于机组数量较多的厂址,需要配备一定规模的模拟机中心才能满足训练需求。

随着计算机图形学和硬件技术的发展,虚拟现实 (Virt ual Reality,VR)技术已被广泛的应用到了医学、室内设计、军事航天等领域[1]。近些年来国内外的研究设计机构也逐渐将VR技术应用到了核电厂的设计当中,如非数字化电厂主控制室的模拟[2]、现场设备的维修操作[3]、电厂模型漫游[4]等。以上VR技术在核电厂中的应用主要用于实际操作和设计效果的展示,且操作界面为常规控制器 (如开关、按钮等)或等效的计算机操作窗口,对于 “华龙一号”高度数字化的主控制室人机界面,仍需在现有VR技术的基础上进行扩展,以实现对应的仿真功能。

基于以上情况,“华龙一号”的设计过程中提出了一套基于VR技术的核电厂主控制室模拟机方案,使用VR设备和其他人机接口在最小化的空间内构建主控制室的实际环境和监控功能,为设计者提供人因工程的验证平台,为主控制室环境装修方案的生成和评审提供参考,同时可作为全范围模拟机的补充为操纵员提供训练的手段。相对于传统工程验证模拟机的方案,基于VR技术的模拟机成本低、灵活性强,在工程设计初期弥补传统模拟机系统的空缺。基于VR技术的模拟机和实体主控制室模拟机可以优势互补,提高设计验证和操纵员训练的效果。

1 技术特点

VR技术通过计算机生成实时三维图像并配合其他传感设备对用户的行为进行响应,让用户体验到真实环境中的感受。此前VR技术曾用于展示核电厂的结构,让用户在核电厂中自由移动,深入直观地了解电厂的每个细节。而基于VR技术的主控制室模拟机的侧重点与其他应用有所不同,其侧重点在于在VR系统中提供与真实核电厂主控制室相同的运行功能,使设计者可以在仿真的运行环境当中评估人机接口设计的性能,也能使操纵员使用该系统进行主控制室运行相关的培训。“华龙一号”基于VR技术的主控制室模拟机在技术上支持数字化人机接口的模拟,具有灵活性强、空间利用率高的特点。

目前,国内新建核电厂的主控制室均采用数字化人机接口,操纵员利用计算机工作站的鼠标、键盘和显示器实现对电厂的监控,将数字化的监控手段集成到VR系统中是本模拟机系统中的一项关键技术。在基于VR的主控制室模拟机中,主控制室计算机工作站上的画面被实时投影在了VR系统中,用户在VR环境中自由移动的基础上,还可以使用真实环境中的鼠标和键盘与VR环境中计算机工作站进行交互,远程操作真实环境中的模拟机工作站,配合传统模拟机的电厂工况和响应的模拟功能,在VR环境中实现对电厂的监视和控制。

传统的工程验证模拟机和全范围模拟机需要建造近乎完整的主控制室模型,而基于VR技术的主控制室模拟机的搭建则更为灵活。两者在模拟仪控逻辑和电厂热工水力模型上是相同的,但基于VR技术的主控制室不需要搭建1∶1的实体主控制室模型,并可以在设计的各个阶段自由调整主控制室的环境和布置,可以随时构建并验证主控制室各个方面 (照明、布置、设备外形等)的不同设计方案,而基于实体的主控制室模拟机一经建立很难在进行大范围修改。在现有的主控制室设计流程当中,需要通过MOCKUP的形式对主控制室布置和设备外形设计进行推演后再建立实体的主控制室模拟机。在这一方面,基于VR技术的主控制室模拟机可以取代人因工程审查大纲中要求的MOCKUP活动[5],并将光照、材料反射等条件在建立实体主控制室模拟机前体现到设计验证的模型当中,使设计成果更加真实可靠。

此外,基于VR的主控制室模拟机可以极大程度上减小模拟机所占面积。以电厂的全范围模拟机训练中心为例,一套全范围模拟机需要约300 m2的房间来训练一组操纵员,而基于VR技术的主控制室模拟机每个操纵员仅需要一个单人工位就能模拟在主控制室中的工作环境,一组操纵员仅需约30 m2的房间即可完成训练任务,极大的提高了空间利用率。而对于设计者的工程验证模拟机,一套VR设备可以同时用来模拟多套主控制室的方案,提高了工程验证模拟机的复用性。

2 实施方案

“华龙一号”的主控制室中主要包括计算机化工作站和常规控制盘两类人机接口设备,具体包括四套计算机化工作站、八个大屏幕显示器、一套坐姿紧急操作台、一套站姿后备盘以及其他仪控系统外的人机接口设备,人机接口及主控制室环境设计符合人因工程的要求。与传统的模拟机系统相似,基于VR技术的模拟机可以模拟主控制室的人机接口功能、设备布置和照明环境。为尽量减小模拟机所占空间,目前主流的模拟机验证平台采用触摸屏的方式来模拟常规控制盘,因此基于VR技术的主控制室模拟机主要需要在软件的三维环境中实现计算机屏幕的功能,具体方案如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 System str ucture

该系统由模拟机服务器、VR服务端和VR用户界面三部分组成,其中模拟机服务器与现有主控制室模拟机功能相同,包含了电厂仪控系统的逻辑、计算机化人机界面以及模拟电厂工艺系统响应的功能。

VR服务端用于生成用户所需的VR图像,并接收用户在虚拟空间内移动、变换视角、改变站/坐姿等动作的信号输入。VR图像由主控制室设计方案的三维模型、模拟机服务器提供的动态画面以及摄像头采集的辅助监视画面合成而成。其中 “华龙一号”的主控制室中主要设置了八块大屏幕和四套计算机化工作站 (每套工作站配六台显示器),需要VR服务端采集并合成的画面规模较大。模拟机服务器的工作站画面信号的传输有以下几种方案可选:

1)视频信号传输:直接使用模拟机服务器上的视频输出接口 (如VGA、HDMI等),VR服务端使用视频采集卡接收信号。该方案的优点是不需要模拟机服务器进行额外的开发,便于对已建成的模拟机系统进行虚拟化改造以及初步设计中最小化方案的搭建;缺点是大量的画面信息对采集卡的硬件要求较高。

2)流媒体信号传输:计算机化的画面信息通过网络流媒体协议 (如RTSP、MMS等)传送到VR服务端。该方案对硬件要求较低,但流媒体传输协议需要在VR服务端建立视频缓存,会导致画面信号存在延迟,不适合需要实时响应操纵员控制命令的工作站画面,但可以用来传输主控制室大屏幕的画面信号 (仅显示电厂的综合状态,无控制功能),以降低对采集卡硬件上的要求。

3)矢量化信号传输:通过模拟机服务器和VR服务端开发专用的信号传输协议,将画面信息转化为x ml格式并将部分资源保存在VR服务端上,以降低信号传输的负荷。该方案可大幅提高画面信号传输的效率,但需要较大的开发工作量,在项目初期难以实现。

基于以上方案的特点,在 “华龙一号”项目初期构建的VR模拟机系统采用视频信号和流媒体信号共用的形式,工程化阶段将继续研究矢量化信号传输以提升系统的性能。

由于 “华龙一号”主控制室中显示器数量很多,实时更新所有显示器的画面信号会对系统性能产生影响,因此VR图像中只对用户视线所在的一个或多个显示器进行视频信号的实时更新,其他显示器在VR中的画面处于暂停状态,VR主机将根据操纵员的视线自动向模拟机服务器发出视频信号的切换命令。根据模拟机使用功能的不同 (如验证人机接口功能或主控制室环境设计),系统可以在实时更新视频信号数量和环境渲染质量之间进行取舍,以在有限的系统性能下达到最佳的使用效果。模拟机服务器所提供的画面即操纵员在计算机化工作站上监控电厂所用的画面,该画面通过视频信号传递给VR主机进行合成,同时响应用户的鼠标键盘指令,响应方式和接口与直接使用模拟机工作站相同。

除此之外,考虑到用户使用VR设备 (如VR眼镜)时无法观察真实世界中鼠标键盘的位置,会影响操作效率,VR服务端的摄像头可以拍摄用户使用鼠标键盘的情况,并由用户在需要时进行调用。VR服务端还设置了用于调整系统配置的鼠标和键盘,维护人员可以在此调整使用者的站姿/坐姿眼高数据、选择用以模拟的场景、调整环境条件或对程序代码进行修改。

VR用户界面由VR设备、操纵杆和鼠标键盘构成。由于基于VR的主控制室模拟机的重点是在最小化的空间内模拟操纵员使用主控制室的人机接口监控电厂,因此操纵员在主控制室内的物理运动并不是VR模拟机的重点,在实施中通常使用操纵杆来实现操纵员的站/坐姿切换和方位移动,并通过鼠标键盘在虚拟的工位上对电厂进行监控。VR用户界面的鼠标键盘直接与模拟机的工作站相连,控制命令和监视需求直接发送到模拟机工作站的主机中,再通过视频信号反送到VR主机,在主机中与其他图像信号合成后通过VR设备展示给操纵员,形成完整的VR环境下输入和反馈的回路。

在以上系统结构的基础上,基于VR的主控制室模拟机还可以根据用户需求进行功能扩展,根据不同的应用场景有针对性的优化各项功能,具体方向如下:

1)设计和验证平台方向:该方向将侧重于实现系统方案的快速部署,以及特定环境条件的针对性模拟,如光照环境、音响环境等,协助设计人员完成主控制室的人因工程设计。

2)参观展示用途方向:该方向将侧重于提供优质的用户体验,通过体感动作捕捉、立体全息影像等技术来提高用户体验,使用户可以快速身临其境地感受主控制室的设计。

3)模拟机培训方向:该方向将侧重于模拟实际电厂主控制室的工作环境,具体侧重于多用户协同操作功能,用户间语音通信功能,以及实现实体全范围模拟机中其他功能。

3 初步方案示例

为验证方案的可行性,“华龙一号”项目初期搭建了该系统的初步演示程序。该程序基于Unreal Engine 4的开源平台,设计输入采用 “华龙一号”的实际主控制室设计,模拟机服务器采用福清5、6号机组的模拟机验证平台,VR服务端通过视频采集卡从模拟机服务器获取主控制室计算机化工作站上的画面信号,通过网络流媒体协议获取主控制室大屏幕画面。程序效果如图2和图3所示。

图2 “华龙一号”主控制室主要设备模型Fig.2 Model of main equip ment in HPR1000 main control r oo m

图3 初步效果展示Fig.3 Demonstration of preli minar y effects

该程序中实现了模拟机工作站画面在三维虚拟环境中的投影,并使用户可以通过外部的鼠标键盘和虚拟环境中的工作站进行互动,实现了系统的主要功能。随着硬件水平的提升,该程序的性能还有进一步优化的空间。

4 结论和展望

基于VR技术的主控制室模拟机在 “华龙一号”项目中提供了一种多样化的设计验证和操纵员训练的方式,该系统具有成本低、灵活性高、复用性强的特点。除 “华龙一号”项目以外,该系统还可以应用到其他堆型的核电厂中,特别是对于不确定性较大的首堆项目 (如霞浦600 MW示范快堆项目),该系统可以有效地解决主控制室布置和人机接口设计的不确定性对模拟机系统的影响。待技术成熟之后,该系统也有应用到其他行业之中的可能。

目前系统的技术方案当中,基于视频信号的画面传输是该技术的一个瓶颈,在硬件资源有限且没有高效的信息交互手段的情况下,画面的质量和刷新率受系统性能制约,尚未达到工程化的高度。后续工作将在现阶段系统初步模型的基础上,对系统的软硬件性能进行优化,解决这一瓶颈问题,同时根据具体的应用场景对系统功能进行扩展和个性化定制,实现该系统的工程化应用。

[1]张占龙,罗辞勇,何为．虚拟现实技术概述 [J]．计算机仿真,2005,22(3):1-3,7．

[2]刘鹏飞,杨燕华,杨永木．虚拟现实技术在核电厂仿真中的应用 [J]．原子能科学技术,2008,42:169-175．

[3]李淼．核电站换料维修仿真系统的研究与实现 [D]．河北:华北电力大学,2013．

[4]阎光伟,王瑞华．核电站三维动态仿真系统 [J]．电力系统自动化,2012,36(1):107-111．

[5]NRC U S．Hu man Factors Engineering Pr ogram Review Model[R]．New Yor k:Office of Nuclear Regulatory Research,2012．