浮動(dòng)式核動(dòng)力模擬器教員站輔助教學(xué)功能改進(jìn)設(shè)計(jì)

景應(yīng)剛, 侯雪燕, 李 青, 劉 偉

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浮動(dòng)式核動(dòng)力模擬器教員站輔助教學(xué)功能改進(jìn)設(shè)計(jì)

景應(yīng)剛, 侯雪燕, 李 青, 劉 偉

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司, 武漢 430223）

本文針對(duì)浮動(dòng)式核動(dòng)力模擬器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)其中的教員工作站輔助教學(xué)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了分析與升級(jí)設(shè)計(jì)，包括觸發(fā)器功能、學(xué)員評(píng)估系統(tǒng)、教案編輯方式、教案管理方式。通過提供功能強(qiáng)大的輔助教學(xué)手段，作為模擬器、人機(jī)接口的教練員工作站可以更好地服務(wù)于教學(xué)培訓(xùn)。

浮動(dòng)式核動(dòng)力模擬器 教員站 輔助教學(xué)功能

0 引言

輔助教學(xué)功能是模擬器教員工作站的功能之一，在日常教學(xué)培訓(xùn)使用頻率較高。國外有影響的仿真公司（GSE Systems、L-3MAPPS、CORYS T.E.S.S等）的教練員工作站軟件都具備強(qiáng)大的輔助教學(xué)功能。浮動(dòng)核動(dòng)力仿真平臺(tái)的教練員工作站軟件也有相關(guān)的輔助教學(xué)功能，在結(jié)合了用戶的需求，同時(shí)也為了仿真平臺(tái)的持續(xù)改進(jìn)，需要對(duì)工作站輔助教學(xué)功能進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使教員能夠更加方便地在培訓(xùn)前準(zhǔn)備好包含教練員指令、操縱人員行為和提示的教案，能夠提前檢查核對(duì)教案，確保模擬器執(zhí)行教案時(shí)，有能力產(chǎn)生預(yù)期的參考機(jī)組響應(yīng)，能夠滿足預(yù)定的學(xué)習(xí)和考試目標(biāo)，而沒有重大的性能差異或偏離核準(zhǔn)的場景順序。

1 浮動(dòng)式核動(dòng)力模擬器

以核動(dòng)力仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的浮動(dòng)核動(dòng)力模擬器集成了工藝系統(tǒng)仿真、數(shù)字化儀控系統(tǒng)仿真，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制邏輯、主控室人機(jī)界面、后備盤臺(tái)的模擬操作，供學(xué)員培訓(xùn)。

浮動(dòng)核動(dòng)力模擬器由教員站、盤臺(tái)區(qū)、通訊程序、UPS電源等部分組成，組成框圖如圖1所示。

2 相關(guān)的模擬器功能

輔助教學(xué)功能是程序化的模擬器動(dòng)作序列。

核電仿真平臺(tái)教練員工作站已有的輔助教學(xué)功能基于下列教控功能：

1) 故障 (malfunction)：可能影響或改變模型中的所模擬的儀表或部件正常運(yùn)行的模擬器特性。

2) 就地(remote)：模擬器正常運(yùn)行和故障運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的控制室以外的操作。就地功能使教練員可以對(duì)就地進(jìn)行控制。

3) 超控 (override)：使教練員能夠中斷或修改模擬器數(shù)學(xué)模型與盤臺(tái)儀表之間輸入/輸出數(shù)據(jù)傳遞。

4) 外部參數(shù)（extern parameters）：通過控制室或就地操作無法調(diào)整，又對(duì)仿真機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生較為重要的影響的因素。

5) 仿真模式控制（simulation mode control）：使教練員能夠控制模擬器運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)、步進(jìn)、快時(shí)、慢時(shí)運(yùn)行。

在此基礎(chǔ)上，需要增加設(shè)計(jì)以下功能：

1) 觸發(fā)器 (trigger)

觸發(fā)器是用加、減、乘、除、大于、小于等運(yùn)算符連接模擬器中的變量形成的邏輯表達(dá)式。教練員在進(jìn)行設(shè)置故障、就地、超控和編輯教案等操作時(shí)，能夠選擇觸發(fā)條件，一經(jīng)加入，進(jìn)行每秒一次的動(dòng)態(tài)計(jì)算，當(dāng)檢測到表達(dá)式為真時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的故障等操作，為故障組合、超控異常提供了手段。

模擬器需要增加人機(jī)接口使教練員能夠方便地增加、編輯觸發(fā)器。

2) 學(xué)員評(píng)估系統(tǒng)TPM(trainee performance monitoring)

TPM使教員可以依照預(yù)先設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)視、評(píng)估學(xué)員在選定的培訓(xùn)過程中的操作，并生成相應(yīng)的報(bào)告。TPM考察學(xué)員在整個(gè)培訓(xùn)過程中的操作水平，學(xué)員在操作時(shí)，要保證選定的關(guān)鍵參數(shù)在教員設(shè)置的邊界之內(nèi)，才能獲得高分。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可以采用以下兩種算法：

1) 時(shí)間權(quán)重法（Time weighted ）,單個(gè)參數(shù)得分計(jì)算如公式(1)所示。

2) 綜合錯(cuò)誤法（Integrated Error）,單個(gè)參數(shù)得分計(jì)算如公式(2)所示。

一個(gè)TPM涉及的參數(shù)的權(quán)重系數(shù)滿足公式(3)，教員能夠根據(jù)重要性設(shè)置每個(gè)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

學(xué)員的總成績計(jì)算如公式(4)所示。

3 教案編輯方式設(shè)計(jì)

為了能夠直觀地顯示操作流程，改進(jìn)設(shè)計(jì)的教案數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在操作之上增加了一級(jí)操作組。一個(gè)教案能夠包含一個(gè)或多個(gè)操作組（場景），每個(gè)操作組包含若干操作。設(shè)計(jì)了3種教案編輯方式，其中通過教練員工作站人機(jī)界面編輯教案方式多用于教員有目的的備課，較為通用。

3.1 教案流程

啟動(dòng)教練員工作站后，進(jìn)入教案編輯模式，建立操作組，之后和教學(xué)控制相關(guān)的操作將被捕捉，顯示在教案編輯窗口，成為操作組節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。教員能夠設(shè)置操作組的執(zhí)行條件、相對(duì)上一個(gè)操作組的執(zhí)行時(shí)間、操作組是手動(dòng)執(zhí)行還是自動(dòng)執(zhí)行。教案執(zhí)行時(shí)，具有自動(dòng)屬性的步驟會(huì)

自動(dòng)執(zhí)行，具有手動(dòng)屬性的步驟需要教員手動(dòng)激活執(zhí)行，否則教案暫停執(zhí)行，一直等待。具有跳過屬性的步驟被忽略，不被執(zhí)行。

3.2 將操作日志導(dǎo)入為教案工作流程設(shè)計(jì)

如果教員進(jìn)行模擬器操作后，認(rèn)為操作流程對(duì)于后續(xù)培訓(xùn)有意義，能夠?qū)⒉僮魅罩緦?dǎo)入為教案。教練員能夠打開操作日志，選擇操作日志中的某些操作添加到選定教案的某個(gè)操作組內(nèi)。

3.3 通過腳本文件方式制作教案設(shè)計(jì)

3.3.1 設(shè)計(jì)的語法符號(hào)

如果教練員對(duì)腳本語言熟悉，能夠編寫腳本文件快速制作教案。在文本編輯器環(huán)境，按照約定的語法編寫教案腳本文件。需要在核電仿真平臺(tái)增加用 LEX、YACC構(gòu)建的服務(wù)程序?qū)σ獔?zhí)行教案腳本文件進(jìn)行詞法、語法進(jìn)行解析。

3.3.2 腳本文件示例

Res I001; //復(fù)位到ICI001

Run; //運(yùn)行模擬器

if(v1_pos>0.9) start tpm 5 //如果變量v1_pos>0.9，啟動(dòng)tpm 5

Malf tar10101 0.5 //插入故障tar10101=0.5

Wait 6; //等待6秒

Demalf tar10101; //刪除故障tar10101

if(hms.p >500) stop tpm5; //如果變量hms.p >500，終止tpm 5。

4 教案管理器設(shè)計(jì)

教案管理器主要包含以下功能：

1) 查看教案信息，能夠查看已有教案的描述、創(chuàng)建時(shí)間、最后修改時(shí)間、當(dāng)前狀態(tài)（執(zhí)行、未執(zhí)行、編輯）。

2) 提供編輯教案人機(jī)接口，當(dāng)教練員進(jìn)入教案編輯模式后，能夠新建教案、編輯教案、刪除教案、修改教案描述。

3) 提供執(zhí)行教案人機(jī)接口，教練員能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行教案，觀察教案的執(zhí)行狀況，終止教案執(zhí)行。

通過MYSQL數(shù)據(jù)庫保存教案描述信息，以文件方式保存具體的教案內(nèi)容。使用多線程方式執(zhí)行教案，以保證人機(jī)界面刷新與教案執(zhí)行同步。

5 結(jié)束語

此設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用到核動(dòng)力仿真平臺(tái)教練員站上。教練員通過改進(jìn)設(shè)計(jì)的輔助教學(xué)功能,能夠更加便捷地制作功能強(qiáng)大的教案，在教學(xué)時(shí)能夠更加心中有數(shù)、有的放失，有充分時(shí)間關(guān)注學(xué)員的反應(yīng)及表現(xiàn)，并能夠?qū)W(xué)員的行為進(jìn)行評(píng)估，從而獲得更好的培訓(xùn)效果。

[1] ANSI/ANS-3.5-1998. Nuclear power plant simulators for use in operator training and examination.

[2] EJ/T 442-200X.核電廠操縱人員培訓(xùn)及考試用模擬器.

[3] 孟祥忠，王博.電力系統(tǒng)自動(dòng)化[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[4] 楊神化，陳國權(quán)，楊岳斌. 智能型船舶操縱模擬器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn).中國航海[J]，2013,36（2）：45-49.

[5] 鄭彭軍.航海模擬器客觀評(píng)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國航海，1997，16（1）：54-57.

Improvement Design of Auxiliary Teaching Function for Foating Nuclear Power Simulator

Jing Yinggang, Hou Xueyan, Li Qing, Liu Wei

(China Nuclear Power Operation Technology Cooperation Ltd, Wuhan 430223, China)

TL99

A

1003-4862（2016）05-0028-03

2016-03-19

景應(yīng)剛（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：核電仿真平臺(tái)。