CN107591216B - 一种核电站数字化仪控的混合现实系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电站数字化仪控系统领域，特别地涉及一种核电站数字化仪控的混合现实系统和方法。本发明公开了一种核电站数字化仪控的混合现实系统和方法，其中系统包括核电站数字化仪控系统混合现实模型、核电站数字化仪控系统仿真模型、核电站数字化仪控系统运行历史数据库、数据接口模块及核电站仿真机。本发明可有效改进核电站仪控系统维修人员的培训条件和环境，节约实体数字化仪控实验系统的建设费用，从而降低维修人员的技能培训费用；在核电站仪控系统的日常运行和维护中，该系统为核电站仪控系统技术培训、故障演变过程监视、事故分析提供了新的技术手段。

Description

一种核电站数字化仪控的混合现实系统和方法

技术领域

本发明属于核电站数字化仪控系统领域，具体地涉及一种核电站数字化仪控的混合现实系统和方法。

背景技术

数字化仪控系统是核电站的神经系统，提供了保护、控制、管理和监测功能，其可靠性和稳定性关乎整个核电站的安全，是确保核电站安全运行最重要的保障和防线之一。因此，对仪控制系统故障的精准预断处理、人员核心维修技能的提升显得尤为重要。

核电站通常需要建设一个较为完整的、实验性质的实体数字化仪控系统，为现场故障提供诊断模拟，为在装设备校验和升级提供平台，进行防人因失效操作练习，开展维修核心技能培训等，从而为核电站控制系统稳定运行提供后台保障。全厂数字化仪控系统价格非常昂贵，且占地空间相当大，所以核电站现场通常只能建设重要控制系统的最小集成，即所谓的“最小系统”。“最小系统”涵盖了一个控制系统所需的CPU、输入输出卡件、网络通讯模块、上位机等基本硬件，能够模拟诊断现场大部分常见故障。

由于核电站各个控制子系统(包括保护系统)在功能需求、冗余架构和安全完整性等级等方面均存在较大差异，即便是同一控制子系统中不同的冗余序列或通道也可能存在硬件和/或软件配置上的差异。所以，“最小系统”在硬件配置、系统冗余架构、通讯接口方式等等方面，无法全面模拟多样化、差异性的核电站仪控系统。另一方面，在核电站数字化仪控“最小系统”的实际使用过程中，往往需要根据具体模拟或测试的对象，重新配置该“最小系统”，包括CPU、输入输出卡件、网络通讯模块的硬件更换和重连线，以及上位机控制程序、人机界面等等软件的重新配置和下装。软件和/或硬件的配置过程中也将产生较大的工作量。

混合现实(MR)技术已运用在多个行业，其是在虚拟场景中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建一个交互反馈的回路，以增强用户体验的真实感。MR(包括增强现实和增强虚拟)将现实和虚拟世界合并产生新的可视化环境，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。MR的关键点就是与现实世界进行交互和信息的及时获取。MR技术可以有效解决核电站数字化仪控系统运行直观显示和成本昂贵的问题，空间模型的引入对减少运维中的人因失误有显著贡献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核电站数字化仪控的混合现实系统和方法用以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种核电站数字化仪控的混合现实系统，包括：

核电站数字化仪控系统混合现实模型，用于以三维全息图像的形式显示核电站数字化仪控系统仿真模型的仿真结果，并接收通过混合现实模型的输入设备输入的操作信号并将操作信号输出给核电站数字化仪控系统仿真模型；

核电站数字化仪控系统仿真模型，用于根据接收到的操作信号向核电站仿真机发送相应的控制信号，接收核电站仿真机提供的仿真数据，并根据接收到的仿真数据仿真核电站数字化仪控系统的工作过程；

核电站仿真机，用于建立物理模型，反映核岛及常规岛的中子和热工水力等特性，并根据接收到的控制信号仿真实际操作和工况下的核电站运行状况。

进一步的，还包括核电站数字化仪控系统运行历史数据库，用于记录核电站数字化仪控系统的运行历史数据，包括故障历史记录，并提供给核电站数字化仪控系统仿真模型，所述核电站数字化仪控系统仿真模型根据接收到运行历史数据仿真核电站数字化仪控系统的历史工作过程。

更进一步的，还包括第一数据接口、第二数据接口和第三数据接口，所述核电站数字化仪控系统混合现实模型通过第一数据接口与核电站数字化仪控系统仿真模型进行双向数据通讯，所述核电站数字化仪控系统仿真模型与所述核电站仿真机通过第二数据接口进行双向数据通讯，所述核电站数字化仪控系统仿真模型与所述核电站数字化仪控系统运行历史数据库通过第三数据接口进行单向数据通讯。

进一步的，所述核电站数字化仪控系统仿真模型在同一时间点只与核电站仿真机和核电站数字化仪控系统运行历史数据库中的一个进行数据通讯。

进一步的，所述操作信号包括卡件插拔、拨动开关、触动人机界面、机柜门开启和/或机柜门关闭信号。

进一步的，所述核电站数字化仪控系统仿真模型与核电站仿真机安装在同一台服务器上并通过共享内存进行数据通讯，或分别安装在不同的服务器上并通过网络进行数据通讯。

进一步的，所述核电站数字化仪控系统混合现实模型包括核电站数字化仪控系统的三维模型，核电站数字化仪控系统的三维模型包括控制系统机柜、卡件、连线和触摸屏人机界面，所述三维触摸屏人机界面显示核电站数字化仪控系统的运行参数、数据图表和状态信息，并可接收操作员通过混合现实模型的输入设备输入的虚拟触控操作指令。

进一步的，所述核电站数字化仪控系统的三维模型通过具有机械尺寸信息的工程图纸导入建模，或通过三维扫描方式进行建模。

本发明还公开了一种核电站数字化仪控的混合现实方法，包括如下步骤：

A，通过核电站数字化仪控系统混合现实模型输入操作信号并将操作信号传输给核电站数字化仪控系统仿真模型；

B，采用核电站数字化仪控系统仿真模型对操作信号进行处理后输出相应控制信号给核电站仿真机；

C，采用核电站仿真机建立物理模型，反映核岛及常规岛的中子和热工水力等特性，并根据接收到的控制信号仿真实际操作和工况下的核电站运行状况；

D，采用核电站数字化仪控系统仿真模型根据核电站仿真机提供的仿真数据仿真核电站数字化仪控系统的工作过程；

E，通过核电站数字化仪控系统混合现实模型对核电站数字化仪控系统仿真模型的仿真结果进行三维全息图像的形式显示。

本发明的有益技术效果：

本发明可有效改进核电站仪控系统维修人员的培训条件和环境，节约实体数字化仪控实验系统的建设费用，从而降低维修人员的技能培训费用；在核电站仪控系统的日常运行和维护中，该系统为核电站仪控系统技术培训、故障演变过程监视、事故分析提供了新的技术手段。

附图说明

图1为本发明具体实施例的系统结构框图；

图2为本发明具体实施例的方法流程图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，一种核电站数字化仪控的混合现实系统，包括：

核电站数字化仪控系统混合现实模型5，用于以三维全息图像的形式显示核电站数字化仪控系统仿真模型4的仿真结果，并接收通过混合现实模型的输入设备输入的操作信号并将操作信号输出给核电站数字化仪控系统仿真模型4。

具体的，核电站数字化仪控系统混合现实模型5包括核电站数字化仪控系统的三维模型，该三维模型包括控制系统机柜、卡件、连线、触摸屏人机界面(HMI)等，所述三维触摸屏人机界面(HMI)显示核电站数字化仪控系统仿真模型4的仿真结果，包括核电站数字化仪控系统的运行参数、数据图表和状态信息，并可接收操作员通过核电站数字化仪控系统混合现实模型5的输入设备输入的虚拟触控操作指令。

仪控维修人员通过视觉感知(如虚拟现实眼镜等设备，或直接通过裸眼)观察仪控系统设备、人机界面、系统运行参数和图表等。仪控维修人员同时可通过核电站数字化仪控系统混合现实模型5的输入设备(如触觉和力反馈设备)输入的信号，完成包括卡件插拔、拨动开关、触动人机界面、机柜门开启和/或关闭等动作，从而在现实的数字化仪控系统仿真模型或历史运行数据库、虚拟数字化仪控系统和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，增强仪控维修人员用户体验的真实感，并替代实体数字化仪控实验系统。

为了减少三维建模过程中的工作量，核电站数字化仪控系统的三维模型建模过程，可以通过具有机械尺寸信息的工程图纸导入，也可以通过对数字化仪控系统的卡件和设备的三维扫描方式进行建模。

核电站数字化仪控系统仿真模型4，用于根据接收到的操作信号向核电站仿真机1发送相应的控制信号，如打开阀门等，接收核电站仿真机1提供的仿真数据，并根据接收到的仿真数据仿真核电站数字化仪控系统的工作过程。

具体的，核电站数字化仪控系统仿真模型4对接收到的操作信号进行处理，并仿真成对应的核电站数字化仪控系统的控制信号，如打开阀门等，发送给核电站仿真机1，接收核电站仿真机1提供的仿真数据，包括核电站的传感器、阀门状态等数据，并根据接收到的仿真数据仿真核电站数字化仪控系统的工作过程。

核电站仿真机1，用于建立物理模型，反映核岛及常规岛的中子和热工水力等特性，并根据接收到的控制信号仿真实际操作和工况下的核电站运行状况。

本具体实施例中，还包括核电站数字化仪控系统运行历史数据库2，用于记录核电站数字化仪控系统的运行历史数据，包括故障历史记录等信息，并提供给核电站数字化仪控系统仿真模型4，所述核电站数字化仪控系统仿真模型4根据接收到运行历史数据仿真核电站数字化仪控系统的历史工作过程。

本具体实施例中，还包括第一数据接口31、第二数据接口32和第三数据接口33，所述核电站数字化仪控系统混合现实模型5通过第一数据接口31与核电站数字化仪控系统仿真模型4实现数据格式转换和双向数据传输，所述核电站数字化仪控系统仿真模型4与所述核电站模拟机1通过第二数据接口32实现数据格式转换和双向数据传输，所述核电站数字化仪控系统仿真模型4与所述核电站数字化仪控系统运行历史数据库2通过第三数据接口33进行数据格式转换和单向数据传输。

本具体实施例中，所述核电站数字化仪控系统仿真模型4在同一时间点只与核电站仿真机1和核电站数字化仪控系统运行历史数据库2中的一个进行数据通讯，当与所述核电站仿真机1进行数据交互时，系统处于核电站数字化仪控系统仿真模式；当与所述核电站数字化仪控系统运行历史数据库2进行数据交互时，系统处于核电站数字化仪控系统运行历史数据运行模式。

在核电站数字化仪控系统仿真模式下，运用核电站仿真机1建立核电站物理模型，反映核岛及常规岛的中子和热工水力等特性，模拟实际操作和工况下的核电站运行状况。核电站仿真机1为核电站数字化仪控系统仿真模型4提供核电站的传感器、阀门状态等模拟量和数字量的输入信息，供核电站数字化仪控系统仿真模型4逻辑运行使用，核电站数字化仪控系统仿真模型4再将其逻辑运算的结果反馈给核电站仿真机1。

在核电站数字化仪控系统历史数据运行模式下，运用核电站数字化仪控系统的运行历史数据，包括故障历史记录等信息，仿真并再现仪控系统的运行历史状态，以便分析仪控系统故障的演变过程，诊断故障原因，从而训练仪控系统的故障诊断能力，提升技术培训的效果。

本具体实施例中，所述核电站数字化仪控系统仿真模型4与核电站仿真机1可以安装在同一台服务器上并通过共享内存进行数据通讯，或分别安装在不同的服务器上并通过网络进行数据通讯。

本实施例的核电站数字化仪控的混合现实系统，提供两种工作模式：核电站数字化仪控系统仿真模式和核电站数字化仪控系统历史数据运行模式。当工作在核电站数字化仪控系统仿真模式下：仪控操作员通过虚拟的三维模型和输入设备，观察并操作虚拟数字化仪控系统，通过与核电站数字化仪控系统仿真模型4及核电站模拟机1的数据交互，能够模拟核电站及其数字化仪控系统的运行和状态信息，从而高效经济地完成核电站数字化仪控维修人员的培训费用；当工作在核电站数字化仪控系统历史数据运行模式下：通过接受核电站数字化仪控系统运行历史数据，重现数字化仪控系统历史数据，可获得比仿真模式更为真实的使用体验，可根据历史记录，分析数字化仪控系统故障的演变过程，分析并训练仪控系统的故障诊断能力。

本发明还公开了一种核电站数字化仪控的混合现实方法，包括如下步骤：

A，通过核电站数字化仪控系统混合现实模型输入操作信号并将操作信号传输给核电站数字化仪控系统仿真模型；

B，采用核电站数字化仪控系统仿真模型对操作信号进行处理后输出相应控制信号给核电站仿真机；

C，采用核电站仿真机建立物理模型，反映核岛及常规岛的中子和热工水力等特性，并根据接收到的控制信号仿真实际操作和工况下的核电站运行状况；

D，采用核电站数字化仪控系统仿真模型根据核电站仿真机提供的仿真数据仿真核电站数字化仪控系统的工作过程；

E，通过核电站数字化仪控系统混合现实模型对核电站数字化仪控系统仿真模型的仿真结果进行三维全息图像的形式显示。

本发明可有效改进核电站仪控系统维修人员的培训条件和环境，节约实体数字化仪控实验系统的建设费用，从而降低维修人员的技能培训费用；在核电站仪控系统的日常运行和维护中，该系统为核电站仪控系统技术培训、故障演变过程监视、事故分析提供了新的技术手段。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种核电站数字化仪控的混合现实系统，其特征在于，包括：

核电站数字化仪控系统混合现实模型，用于以三维全息图像的形式显示核电站数字化仪控系统仿真模型的仿真结果，并接收通过混合现实模型的输入设备输入的操作信号并将操作信号输出给核电站数字化仪控系统仿真模型；所述核电站数字化仪控系统混合现实模型包括核电站数字化仪控系统的三维模型，核电站数字化仪控系统的三维模型包括控制系统机柜、卡件、连线和触摸屏人机界面，所述三维触摸屏人机界面显示核电站数字化仪控系统的运行参数、数据图表和状态信息，并可接收操作员通过混合现实模型的输入设备输入的虚拟触控操作指令；

核电站数字化仪控系统仿真模型，用于根据接收到的操作信号向核电站仿真机发送相应的控制信号，接收核电站仿真机提供的仿真数据，并根据接收到的仿真数据仿真核电站数字化仪控系统的工作过程；

核电站仿真机，用于建立物理模型，反映核岛及常规岛的中子和热工水力特性，并根据接收到的控制信号仿真实际操作和工况下的核电站运行状况。

2.根据权利要求1所述的核电站数字化仪控的混合现实系统，其特征在于：还包括核电站数字化仪控系统运行历史数据库，用于记录核电站数字化仪控系统的运行历史数据，包括故障历史记录，并提供给核电站数字化仪控系统仿真模型，所述核电站数字化仪控系统仿真模型根据接收到运行历史数据仿真核电站数字化仪控系统的历史工作过程。

3.根据权利要求2所述的核电站数字化仪控的混合现实系统，其特征在于：还包括第一数据接口、第二数据接口和第三数据接口，所述核电站数字化仪控系统混合现实模型通过第一数据接口与核电站数字化仪控系统仿真模型进行双向数据通讯，所述核电站数字化仪控系统仿真模型与所述核电站仿真机通过第二数据接口进行双向数据通讯，所述核电站数字化仪控系统仿真模型与所述核电站数字化仪控系统运行历史数据库通过第三数据接口进行单向数据通讯。

4.根据权利要求2所述的核电站数字化仪控的混合现实系统，其特征在于：所述核电站数字化仪控系统仿真模型在同一时间点只与核电站仿真机和核电站数字化仪控系统运行历史数据库中的一个进行数据通讯。

5.根据权利要求1所述的核电站数字化仪控的混合现实系统，其特征在于：所述操作信号包括卡件插拔、拨动开关、触动人机界面、机柜门开启和/或机柜门关闭信号。

6.根据权利要求1所述的核电站数字化仪控的混合现实系统，其特征在于：所述核电站数字化仪控系统仿真模型与核电站仿真机安装在同一台服务器上并通过共享内存进行数据通讯，或分别安装在不同的服务器上并通过网络进行数据通讯。

7.根据权利要求1所述的核电站数字化仪控的混合现实系统，其特征在于：所述核电站数字化仪控系统的三维模型通过具有机械尺寸信息的工程图纸导入建模，或通过三维扫描方式进行建模。

8.一种基于权利要求1所述的核电站数字化仪控的混合现实系统的混合现实方法，其特征在于，包括如下步骤：

A，通过核电站数字化仪控系统混合现实模型输入操作信号并将操作信号传输给核电站数字化仪控系统仿真模型；

B，采用核电站数字化仪控系统仿真模型对操作信号进行处理后输出相应控制信号给核电站仿真机；

C，采用核电站仿真机建立物理模型，反映核岛及常规岛的中子和热工水力特性，并根据接收到的控制信号仿真实际操作和工况下的核电站运行状况；

D，采用核电站数字化仪控系统仿真模型根据核电站仿真机提供的仿真数据仿真核电站数字化仪控系统的工作过程；

E，通过核电站数字化仪控系统混合现实模型对核电站数字化仪控系统仿真模型的仿真结果进行三维全息图像的形式显示。