基于虚拟技术的核电站应急辅助系统的开发

陈艳芳，刘海鹏

（1. 武汉第二船舶研究设计所，武汉 430064；2. 海军装备部，北京 100036）

近年来，为提高核应急信息化水平，核应急基础设施与装备的投入显著增加，从国家到地方及核电站，都积极开展了应急基础设施建设、应急设备配备、核应急系统软硬件开发、平台搭建等各项能力建设工作[1]。目前，已经取得了一定的成效，开发了一系列产品，如核应急培训和演练工具软件，核应急决策支持系统等，并在核应急培训和演练中起到了重要的作用[2，3]。

将虚拟技术融入应急培训、演练以及技术支持系统中，可以精确地仿真事故的行为，指导核设施应急处置人员对核设施状态进行正确的评估，制订应急预案，并且该技术已经发展为一个重要的研究领域。本文介绍的基于VR技术的核电站核应急辅助系统（以下“简称核应急辅助系统”）实现了核设施模拟仿真技术和VR 仿真技术的结合，既真实地反映了核设施设计基准事故与超设计基准事故下，堆芯、安全壳以及环境的状态，又充分利用了VR 的3D 仿真技术模拟真实环境，表现出了多源信息融合的交互式三维动态视景，能够让用户进入3D 环境中，达到沉浸式体验效果[4]。

该系统采用确定论和概率论的方法进行了多个核应急场景的相关计算，并搭建了数据库，用于存储这些事故场景的计算数据，以便在培训和演练时直接调取这些数据，用于应急演练的三维动态展示。在应急响应状态下，系统数据来自应急管理系统（EM），用于实时动态地展示事故的进程。该系统可辅助核应急处置人员及时发现事故、准确地判断事故的原因、快速地做出正确的决策，并迅速采取有效行动，进而控制或减轻核事故影响，避免发生核事故[5]。

本系统实现了核设施设计基准事故与超设计基准事故下，堆芯、安全壳、环境的模拟仿真计算，并将结果与VR技术有机结合。下面对系统的架构、系统的组成、工作流程、优点和不足进行阐述。

1 系统的设计

1.1 系统架构

核应急辅助系统采用CS（Client/Server）软件，客户端—服务器架构。服务器端是整个系统的数据存储中心，用于保存多种数据，系统采用MySQL 建立了数据库。客户端是人机交互的窗口（UI），为用户提供系统交互功能。另外，将系统的逻辑部分也部署在客户端，逻辑部分实现控制逻辑功能，利用人机接口及数据库进行交互[6]。

基于VR技术的核电站核应急辅助系统架构如图1所示。

图1 系统架构Fig.1 System framework

该结构具有交互性强、存取模式安全、网络通信量低、响应速度快等特点，处理大量数据时有明显优势[7]，在开发和使用中较BS（Browser/Server）结构具有明显的优势。

系统运行所需的硬件配置简单，经济性好，只需服务器1台、客户端若干台（根据使用需求配置），以及实现客户端和服务器通讯的网络。

1.2 系统组成

核应急辅助系统由应急场景数据生成和存储模块、场景校准模块、展示模块、方案生成模块4 个部分组成（如图2 所示），分别用于不同应急演练场景的生成、数据的分类存储和校准、场景的三维动态展示，为应急演练方案的编制提供核电站系统的状态信息和厂区内外的环境信息。

图2 系统组成Fig.2 System structure

下面对以上4个模块的组成和功能进行简要说明。

1.2.1 场景数据生成和存储模块

场景数据生成和存储模块用于针对不同核动力装置的培训和应急演练场景的生成，供核应急辅助系统开发和维护工程师使用。设计明显简化了一般用户的使用流程，降低了核应急辅助系统的操作难度。一般用户只需直接通过UI 操作，选取已存储的数据，进行场景的三维动态展示，并根据需要对展示的场景进行控制。

系统开发和维护工程师根据核动力装置所有可能的应急演练需求，选取所有可能的初因事件或事件组，分别引入仿真计算模型。在执行仿真计算之前，开发和维护工程师对所有可能的场景进行参数计算和时间序列选取。在完成上述两项准备工作后，依次选取初因事件或事件组并执行计算，已选取的场景数据自动存储在服务器的数据库中，计算结束后，系统UI 将自动提示是否进行场景数据的永久存储。

场景数据生成和存储模块的执行流程如图3所示。

除本系统已提供的场景数据库生成方式以外，系统开发和维护人员还可以遵循既定的格式，采用其他仿真计算模型完成场景数据的添加。

图3 场景数据库生成和存储Fig.3 The creation and storage of the scene database

1.2.2 场景校准模块

图4 参数校准和存储Fig.4 The parameter calibration and storage

核动力装置的培训和演习场景中，实际需要的参数和时间序列与已存储的场景参数和时间序列之间可能存在差异。因此，本系统提供了“场景校准”功能，用于参数和时间序列的修改。

图形化参数校准和存储窗口如图4所示。

图形化时间序列的校准和存储窗口如图5所示。

在系统UI 中，为时间序列的校准和存储提供了图形化的窗口，通过鼠标点击实现对已存储场景参数和时间序列的调取，同时，可实现对已存储场景的修改、校准和再次存储[8]。所有已创建的场景存储在场景数据库中，供应急培训和演练使用。

图5 时间序列的校准和存储Fig.5 The timing sequence calibration and storage

1.2.3 展示模块

在核应急培训和演练过程中，该模块可以以3D 形式生动、逼真地展示核事故的进程，进而帮助核应急指挥部、技术支持中心等工作人员准确地了解核设施的真实情况，对事故状态做出正确的判断，为核应急处置措施的实施提供决策依据。

Windows环境下，采用3DMax建立核动力装置系统和设备的3D模型，采用Unity3d表现核动力装置稳态运行状态、瞬态、事故以及严重事故过程。同时，提供了部分2D画面，为核应急培训、演练以及应急响应提供充分和必要的信息[9]。

展示模块的UI 中还布置了暂停、运行、快进、慢进等功能按钮，控制核事故的进程。培训或演习时，核事故的进程控制由专人负责，确保核事故的进程与演习或培训的进度一致（如图6所示）。

核应急辅助系统的展示模块能够生动、直观地展示事故进程，提供关键参数、参数变化趋势、时间序列等关键信息。展示模块采取简化配置，尽量多地在同一张画面分类提供应急响应所需的信息，展示模块由状态监视、堆芯和回路、安全壳、专设和应急设备、场外剂量分布，共计5张画面组成。

（1）状态监视画面：采用2D 画面同步、动态地展示核应急状态下的参数、趋势曲线、报警以及主要时间序列，为核应急决策提供依据。

图6 展示模块的执行流程Fig.6 The working flow-rate of the display model

（2）堆芯和回路：采用3D 画面同步、动态地展示核应急条件下堆芯和回路系统管道内部的（包括破口）流动、箱体的液位、堆内结构材料的升温、变形、熔融、坍塌、迁移、再定位，压力容器的破损，以及堆芯熔融物相互作用（MCCI）等事故过程，为核应急决策提供依据。

（3）安全壳：采用3D 画面同步、动态地展示核应急条件下安全壳内部压力、温度、放射性剂量、氢气浓度等场分布效果。同时，给出安全壳喷淋、喷淋液滴的汽化、液模表面的蒸发以及安全壳舱室液位变化等过程的动态效果，生动直观地展示事故的进程，为核应急决策提供依据。

（4）专设和应急设备：采用2D 画面同步、动态地展示核设施专设系统和应急设备的状态，为核应急决策过程中的设备可用性和资源可调配性提供依据。

（5）场外剂量分布：根据三维剂量场模型的计算结果，将剂量场的分布情况以三维动态的方式展示出来，为核应急决策提供依据。

1.2.4 方案生成模块

在系统的UI 上面提供了方案生成功能按钮，供应急培训和演练方案编制人员使用。方案生成模块可根据用户的需求生成相应格式和内容的脚本文件[10]，文件内容主要包括参数值、事件序列、趋势曲线等，用户可对此方案文件进行编辑和存储（如图7所示）。

图7 展示模块的执行流程Fig.7 The working flows-rate of the script generation model

2 系统的使用和评价

2.1 系统的使用

核应急辅助系统有3种使用模式，即培训模式、演练模式、应急响应模式。用户可以根据实际进行选择。

在培训模式和演练模式下展示系统的驱动数据来自场景存储服务器的仿真数据。核应急辅助系统在培训模式下的工作流程如图8所示。

图8 培训模式工作流程Fig.8 The working flow-rate of the training mode

核应急演练和核应急响应模式的使用方法是一样的，只是数据来源不同。系统处于应急响应模式下，展示系统直接从机组的应急管理系统（EM）读取数据。应急技术支持中心以及应急指挥中心通过应急网进行系统的登录[11]。核应急辅助系统在核应急演练和核应急响应模式下的工作流程，如图9所示。

2.2 系统评价

核应急辅助系统可用于核应急培训、演练、应急响应过程中的应急待命、厂房应急、场区应急以及场外应急的状态判断，为采取Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级响应行动提供辅助手段，为应急决策提供技术支持。

图9 应急演练和应急响应模式工作流程Fig.9 The working flow-rate of the drilling and emergency response mode

该系统有以下主要特点：

（1）系统结构简单、使用方便：该系统采用CS架构，软硬件结构简单，便于使用和维护,支持多用户同时使用。

（2）一键式启动：双击核应急辅助系统的图标，系统自动、快速启动。

（3）可扩展性强：系统开发和维护人员可根据需要随时更新和添加新的演习场景，可根据需要对2D画面进行参数配置。

（4）数据存储容量大：场景存储服务器能够满足多场景、海量数据存储的需求。

（5）两种模式，任意选择：既能满足应急培训和演练的需求，又能满足应急响应的需求。

（6）场景数据可校准：用户可以根据使用需求定制化修改和存储服务器中已存储的场景数据。

（7）培训演练进程控制：系统UI 提供了暂停、运行、快进、慢进等控制按钮，实现了应急培训和演练进程的控制。

（8）方案自动生成：点击UI 上面的按钮可自动生成脚本，减少了应急脚本编制人员的工作量，提高了工作效率。

（9）2D 和3D 相结合：2D 和3D 互为补充，既能生动逼真地展示核应急条件下系统、设备、安全壳、场外的状态，又确保了应急决策支持信息的准确性。

3 结论

基于VR技术的核电站核应急辅助系统能够生动、逼真地展示核事故状态下应急相关系统、设备、安全壳、厂区、场外的状态，为核应急工作提供充分的信息，能够满足应急培训、演练以及应急响应的需求。

该系统的开发得到了核运营单位的大力支持和肯定，但是系统的推广、应用和标准化还需要经过充分的论证以及核安全监管部门的认可。