CN104866525A - 一种虚拟核电站仿真教学系统与构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟核电站仿真教学系统与构建方法，用于核电站的模拟真实数据的仿真教学，该系统包括依次连接的OPC客户机、数字仿真机、服务器组、无线网络和在线虚拟客户端，所述的服务器组包括应用服务器、数据库服务器和Web服务器，所述的应用服务器分别与数字仿真机和数据库服务器连接，所述的数据库服务器通过无线网络与在线虚拟客户端连接。与现有技术相比，本发明具有便于培训、数据全面、教学效果好、操作便捷、易实现等优点。

Description

一种虚拟核电站仿真教学系统与构建方法

技术领域

本发明涉及一种仿真教学系统，尤其是涉及一种虚拟核电站仿真教学系统与构建方法。

背景技术

虚拟现实技术是近年来出现的一项高新技术，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。虚拟现实在大型工业系统中也得到了广泛的应用。它可以逼真地仿真构筑物、系统和设备的设计、安装和运行。

核电站由于其安全性需求，禁止人员随意出入，这就对核电专业的人员培训带来了很大的困难，很难实现现场培训与实践。这使得面向核电站的虚拟现实教学很有必要，很有价值。目前国内在核电站虚拟仿真的应用研究方面，从早期简单的厂房和系统的漫游、设备的拆装，已逐渐拓展到与设备的虚拟维修、人因工程相关的各个方向，其中还应该包括与人因工程紧密相关的各个仪表、测控方面。

在虚拟现实教学方面，发达国家已经开始普及，政府投入巨资在海洋、天体物理、分子生物等学科领域建造了各自的虚拟实验室，开展了探索性研究并取得实质性进展。一些政府部门，正在制定计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的科学家已投入到构筑一个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来。

在我国，虚拟实验的开展起步较晚。在工业领域中，虚拟仪器在航天、车辆、仪表等行业的应用日益广泛。在教育领域，已有部分高校初步建立了虚拟实验。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”；复旦大学、上海 交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟实验系统用于教学和科研。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便于培训、数据全面、教学效果好、操作便捷、易实现的虚拟核电站仿真教学系统与构建方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种虚拟核电站仿真教学系统，用于核电站的模拟真实数据的仿真教学，所述的仿真教学系统包括依次连接的OPC客户机、数字仿真机、服务器组、无线网络和在线虚拟客户端，所述的服务器组包括应用服务器、数据库服务器和Web服务器，所述的应用服务器分别与数字仿真机和数据库服务器连接，所述的数据库服务器通过无线网络与在线虚拟客户端连接。

所述的OPC客户机包括基于Matlab的数据源和基于工业组态软件的数据源，所述的基于Matlab的数据源和基于工业组态软件的数据源分别与数字仿真机连接。

所述的数字仿真机为OPC服务器。

所述的无线网络包括依次连接的因特网、防火墙和交换机，所述的因特网与数据库服务器连接，所述的交换机分别与Web服务器和在线虚拟客户端连接。

所述的数据库服务器包括静态数据库服务器和动态数据库服务器。

所述的在线虚拟客户端包括虚拟模拟工业对象模块、虚拟仪表模块、虚拟操作盘模块和虚拟操作员模块，所述的数据库服务器分别与虚拟模拟工业对象模块、虚拟仪表模块、虚拟操作盘模块和虚拟操作员模块连接。

一种构建虚拟核电站仿真教学系统的构建方法，包括以下步骤：

1)根据核电站设备的实际尺寸，构建核电站基础三维模型；

2)根据电站基础三维模型的实际数据和动态系统运行参数，分别构建静态数据库和动态数据库，所述的静态数据库的数据包括设备的名称、设备编号、尺寸信息、材质、设计参数、功能和工作原理，用于教学中的自定义查询功能，所述的动态数据库包括动态的保存系统运行参数，包括温度、压力、流量和功率的实时数据；

3)根据建立交互式客户端程序。

所述的步骤3)中的交互式客户端程序的基本功能包括虚拟环境的漫游、三维 对象的交互式访问和设备查询与定位。

所述的步骤3)中的交互式客户端程序的功能还包括虚拟人物行走、场景视角的改变、设备状态的刷新和虚拟设备操控、调节及查询。

所述的静态数据库服务器中的数据包括核电站设备的名称、设备编号、尺寸信息、材质、设计参数、功能和工作原理，用于教学中的自定义查询功能，所述的动态数据库服务器中的动态数据为系统的运行参数，包括温度、压力、流量和功率的实时数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、便于培训：本发明解决了由于核电站安全性需求，禁止人员随意出入，无法对核电专业的人员培训的困难，实现了核电站安全操作的在线培训。

二、数据全面、教学效果好：虚拟仿真系统与运行数据互联，以数据、模型动作、变形等方式体现实际运行参数，同时进行虚拟仪表的设计与实现，能够实现仪表的全方位的仿真，并且能够通过互联网交互使用。

三、操作便捷、易实现：本操作系统结构简单，操作和维护容易，能够适应绝大部分的核电站教学工作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为动态数据接入示意图。

图3为仿真数字虚拟仪表的执行流程图。

其中，1、OPC客户机，11、基于Matlab的数据源，12、基于工业组态软件的数据源，2、数字仿真机，3、服务器组，31、应用服务器，32、数据库服务器，33、Web服务器，4、无线网络，41、因特网，42、防火墙，43、交换机，5、在线虚拟客户端，51、虚拟模拟工业对象模块，52、虚拟仪表模块，53、虚拟操作盘模块，54、虚拟操作员模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，本发明提出一种虚拟核电站仿真教学系统，用于核电站的模拟真 实数据的仿真教学，仿真教学系统包括依次连接的OPC客户机1、数字仿真机2、服务器组3、无线网络4、在线虚拟客户端5，服务器组3包括应用服务器31、数据库服务器32和Web服务器33，应用服务器31分别与数字仿真机2和数据库服务器32连接，数据库服务器32通过无线网络4与在线虚拟客户端5连接。

OPC客户机1包括基于Matlab的数据源11和基于工业组态软件的数据源12，基于Matlab的数据源11和基于工业组态软件的数据源12分别与数字仿真机2连接，数字仿真机2为OPC服务器，无线网络4包括依次连接的因特网41、防火墙42和交换机43，因特网41与数据库服务器32连接，交换机43分别与Web服务器33和在线虚拟客户端5连接，数据库服务器32包括静态数据库服务器和动态数据库服务器。

在线虚拟客户端5包括虚拟模拟工业对象模块51、虚拟仪表模块52、虚拟操作盘模块53和虚拟操作员模块54，数据库服务器32分别与虚拟模拟工业对象模块51、虚拟仪表模块52、虚拟操作盘模块53和虚拟操作员模块54连接。

其特点是在Web环境下，不仅能提供核电站反应堆、蒸汽发生器等主要设备的虚拟三维模型的漫游、查询和学习，而且可以与核电站控制系统或数字仿真机进行对接，根据实际数据控制设备的运作、实时数据的展示、水、汽等工质的变化展示，实现符合现实逻辑的互动式仿真教学，现有的虚拟现实系统大多只提供漫游、简单互动等功能。本发明提出的虚拟仿真教学系统不同于现有大多数的虚拟现实系统，在提供虚拟核电站漫游和互动的同时，通过工业组态软件的OPC接口、Matlab的OPC接口或数据库的访问，建立虚拟现实系统与实际运行数据的联系，这就使得虚拟教学系统能够实现设备本体、仪表、操作盘、工作介质的实时参数准确的动态展示。能够更有效地将核电站的运行过程展示给用户，达到超越现实、现场教学的效果。

核电站虚拟现实仿真系统整体上是一个互联网应用系统，包括客户端和服务器端两部分，客户端主要实现用户的接入、交互等操作。服务器端包括数据库服务器、应用服务器和Web服务器组成。多台服务器由交换机连接并通过防火墙接入互联网。

数据库服务器可由两部分组成：静态数据库和动态数据库，静态数据库存储设备基础信息、设计参数等静态信息。动态数据库负责动态数据的存储，包括虚拟仿真系统运行总的温度、压力等动态参数。

应用服务器主要完成虚拟仿真系统的数据更新功能，从外部系统的OPC等数据接口将数据更新到数据库服务器，另外还负责为Web服务器提供数据支持。

Web服务器主要完成用户的访问，包括网页的存放、用户请求的响应等。

一种构建虚拟核电站仿真教学系统的构建方法，包括以下步骤：

首先，构建核电站基础三维模型，包括厂房、安全壳、核反应堆、蒸汽发生器、主泵、主管道等。可采用3DSMAX等制图工具来实现，其尺寸遵循实际尺寸，便于后期的扩展和系统间的合并。三维设备模型的构建以可拆解零件为最小单位，以便后期的拆解、查询等功能的设计与实现。

其次，建立静态数据库，将三维模型的实际数据写入数据库，数据包括设备的基本信息(名称、设备编号)、尺寸信息、材质、设计参数、功能、工作原理等，用于教学中的自定义查询功能。

再次，建立动态数据库，动态数据库主要是动态的保存系统运行参数，如温度、压力、流量、功率等实时数据。

再次，设计开发交互式客户端程序，客户端程序的基本功能包括：虚拟环境的漫游、三维对象的交互式访问、设备查询与定位功能。客户端程序可以是应用程序也可以是Web页面。客户端的主要任务是提供给用户(学员)一个人机交互接口，虚拟设备所对应的静态信息和动态数据可通过网络从服务器端获得。

客户端的功能包括模型的显示、响应用户的输入控制，包括虚拟人物行走或场景视角的改变、查询、虚拟设备操控等，其中查询主要完成远程数据库的查询与结果的展示。客户端的功能还包括设备状态的刷新，如旋转设备的转速更新、工作介质(水、汽)状态的更新、数据点(LED显示器、指针仪表盘)的更新，虚拟设备操控是用户利用交互界面对虚拟设备进行设备控制，如激活控制棒驱动机构，或者依据不同的系统控制方法调节运行状态参数，以此完成仿真机系统仿真的内容。

服务器端的主要功能包括维护基础数据库的运行、利用OPC(OLE for Process Control)等接口从数字仿真机或DCS(分散控制系统)获得实时数据，同时接受客户端发来的请求信息并进行信息服务。

下面以压水堆核电站为例，虚拟仿真教学系统的构建由以下步骤实现：

1.数字模型的准备

以实际工程图纸为依据，使用3DS-MAX2010(32bit/64bit)构建数字模型。构建过程中模型尺寸与实际尺寸大体一致，在模型压缩方面，模型塌陷以可拆解零件为 最小单位，便于后期模型拆解或零件单独访问、操控。针对构成复杂的设备建模，遵循从小部件到大部件、从关键设备到附属设备、从局部到整体的原则来实现。利用3DS-MAX2010的弯曲、变形等工具建立各设备的基本结构组成，然后附加或成组编辑成回路中的关键设备，最后在系统级别上配置各个回路的设备，并添加相应的管道、阀门、仪表等附属设备模型。

2.数据库的设计与实施

静态和动态数据库均采用mySQL5.0进行构建，根据设备的静态信息、动态信息建立数据库表，其中动态信息表在运行时使用，由运行在应用服务器上的应用程序进行修改和访问。

3.客户端网页的设计与实现

客户端和网页的设计用开发工具软件VRP12.0来完成，设计内容包括三维模型导入、模型互动设计、水汽等环境特效的加入、用户界面窗口设计、数据库访问设计等。

4.人机交互方式实现

人机交互主要通过客户端的键盘、鼠标和外设的输入消息进行相应的处理，设置相应的消息响应函数，在函数中设置VRP中提供的模型控制函数来实现。

表1 人机交互消息映射表

用户消息	响应函数
		鼠标拖动	模型旋转或平移
鼠标点击	模型选中
		键盘消息	快捷键映射
窗口输入	查询等功能
		控制柄操作	人物运动或场景视角改变

5.动态数据的接入与表现

动态数据来源于仿真机福清核电站M310型压水堆核电站仿真机，仿真机提供通用OPC2.0接口，利用C++开发接口程序，完成数据的访问并存入实时数据库，供Web服务器访问。用户通过客户端界面完成对动态数据查询与控制。

如图2所示，动态数据的接入有以下步骤：

①应用服务器上的OPC-Client与M310仿真机的OPC-Server建立连接，按照 配置文件的要求(包括通讯点表、通讯周期等)，将数据读出；

②应用服务器上的OPC-Client周期性的将得到的数据写入MYSQL数据库中的数据表；

③客户端(页面)通过通讯脚本周期性的向远程的数据库发出数据请求，这里周期设为1秒；

④数据库服务器将数据返回给客户端(页面)，通讯脚本接收数据并赋给相应的变量；

⑤客户端(页面)上的画面脚本周期性的根据变量数据改变三维虚拟场景中的模型和其他元素。

6.虚拟工质的实现

压水堆核电站虚拟工质包括水和蒸汽，工质的表现主要是液位和蒸汽流量的表现，可增强虚拟现实的直观效果。

液位的外观可采用GIF动画贴图并进行半透明处理。液位的变化主要是通过数据库的访问获得实时液位数值，再根据液位数值改变虚拟液位的尺寸。同时用动态数字显示液位实时值。

对于蒸汽的实现可类似处理，但由于核电系统中不同回路和阶段的蒸汽流量要求温度不同，可设置以不同程度的颜色和形状变化，来更好的模拟回路中相应工质的对流和热交换。

7.虚拟仪表的实现

虚拟仪表是核电站实际仪表的虚拟再现，其静态外观与动态特性与实际仪表要尽可能一致。

以数字虚拟压力表为例，首先建立压力表的三维模型(包括外壳、表盘、指针)，再设计数字压力表的动态特征。

当所对应的压力值发生变化时，压力表指针和文本数据将进行相应的旋转和更新，具体实现可根据图3所示的执行流程来完成，数字虚拟仪表可以实现与真实仪表一致的使用效果。

Claims (10)

1.一种虚拟核电站仿真教学系统，用于核电站的模拟真实数据的仿真教学，其特征在于，所述的仿真教学系统包括依次连接的OPC客户机(1)、数字仿真机(2)、服务器组(3)、无线网络(4)和在线虚拟客户端(5)，所述的服务器组(3)包括应用服务器(31)、数据库服务器(32)和Web服务器(33)，所述的应用服务器(31)分别与数字仿真机(2)和数据库服务器(32)连接，所述的数据库服务器(32)通过无线网络(4)与在线虚拟客户端(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟核电站仿真教学系统，其特征在于，所述的OPC客户机(1)包括基于Matlab的数据源(11)和基于工业组态软件的数据源(12)，所述的基于Matlab的数据源(11)和基于工业组态软件的数据源(12)分别与数字仿真机(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种虚拟核电站仿真教学系统，其特征在于，所述的数字仿真机(2)为OPC服务器。

4.根据权利要求1所述的一种虚拟核电站仿真教学系统，其特征在于，所述的无线网络(4)包括依次连接的因特网(41)、防火墙(42)和交换机(43)，所述的因特网(41)与数据库服务器(32)连接，所述的交换机(43)分别与Web服务器(33)和在线虚拟客户端(5)连接。

5.根据权利要求1所述的一种虚拟核电站仿真教学系统，其特征在于，所述的数据库服务器(32)包括静态数据库服务器和动态数据库服务器。

6.根据权利要求1所述的一种虚拟核电站仿真教学系统，其特征在于，所述的在线虚拟客户端(5)包括虚拟模拟工业对象模块(51)、虚拟仪表模块(52)、虚拟操作盘模块(53)和虚拟操作员模块(54)，所述的数据库服务器(32)分别与虚拟模拟工业对象模块(51)、虚拟仪表模块(52)、虚拟操作盘模块(53)和虚拟操作员模块(54)连接。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的虚拟核电站仿真教学系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据核电站设备的实际尺寸，构建核电站基础三维模型；

2)根据电站基础三维模型的实际数据和动态系统运行参数，分别构建静态数据库和动态数据库，所述的静态数据库的数据包括设备的名称、设备编号、尺寸信息、材质、设计参数、功能和工作原理，用于教学中的自定义查询功能，所述的动态数据库包括动态的保存系统运行参数，包括温度、压力、流量和功率的实时数据；

3)根据建立交互式客户端程序。

8.根据权利要求7所述的一种虚拟核电站仿真教学系统的构建方法，其特征在于，所述的步骤3)中的交互式客户端程序的基本功能包括虚拟环境的漫游、三维对象的交互式访问和设备查询与定位。

9.根据权利要求7所述的一种虚拟核电站仿真教学系统的构建方法，其特征在于，所述的步骤3)中的交互式客户端程序的功能还包括虚拟人物行走、场景视角的改变、设备状态的刷新和虚拟设备操控、调节及查询。

10.根据权利要求5所述的一种虚拟核电站仿真教学系统的构建方法，其特征在于，所述的静态数据库服务器中的数据包括核电站设备的名称、设备编号、尺寸信息、材质、设计参数、功能和工作原理，用于教学中的自定义查询功能，所述的动态数据库服务器中的动态数据为系统的运行参数，包括温度、压力、流量和功率的实时数据。