陳艷芳，劉海鵬

（1. 武漢第二船舶研究設計所，武漢 430064；2. 海軍裝備部，北京 100036）

近年來，為提高核應急信息化水平，核應急基礎設施與裝備的投入顯著增加，從國家到地方及核電站，都積極開展了應急基礎設施建設、應急設備配備、核應急系統軟硬件開發、平臺搭建等各項能力建設工作[1]。目前，已經取得了一定的成效，開發了一系列產品，如核應急培訓和演練工具軟件，核應急決策支持系統等，并在核應急培訓和演練中起到了重要的作用[2，3]。

將虛擬技術融入應急培訓、演練以及技術支持系統中，可以精確地仿真事故的行為，指導核設施應急處置人員對核設施狀態進行正確的評估，制訂應急預案，并且該技術已經發展為一個重要的研究領域。本文介紹的基于VR技術的核電站核應急輔助系統（以下“簡稱核應急輔助系統”）實現了核設施模擬仿真技術和VR 仿真技術的結合，既真實地反映了核設施設計基準事故與超設計基準事故下，堆芯、安全殼以及環境的狀態，又充分利用了VR 的3D 仿真技術模擬真實環境，表現出了多源信息融合的交互式三維動態視景，能夠讓用戶進入3D 環境中，達到沉浸式體驗效果[4]。

該系統采用確定論和概率論的方法進行了多個核應急場景的相關計算，并搭建了數據庫，用于存儲這些事故場景的計算數據，以便在培訓和演練時直接調取這些數據，用于應急演練的三維動態展示。在應急響應狀態下，系統數據來自應急管理系統（EM），用于實時動態地展示事故的進程。該系統可輔助核應急處置人員及時發現事故、準確地判斷事故的原因、快速地做出正確的決策，并迅速采取有效行動，進而控制或減輕核事故影響，避免發生核事故[5]。

本系統實現了核設施設計基準事故與超設計基準事故下，堆芯、安全殼、環境的模擬仿真計算，并將結果與VR技術有機結合。下面對系統的架構、系統的組成、工作流程、優點和不足進行闡述。

1 系統的設計

1.1 系統架構

核應急輔助系統采用CS（Client/Server）軟件，客戶端—服務器架構。服務器端是整個系統的數據存儲中心，用于保存多種數據，系統采用MySQL 建立了數據庫。客戶端是人機交互的窗口（UI），為用戶提供系統交互功能。另外，將系統的邏輯部分也部署在客戶端，邏輯部分實現控制邏輯功能，利用人機接口及數據庫進行交互[6]。

基于VR技術的核電站核應急輔助系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構Fig.1 System framework

該結構具有交互性強、存取模式安全、網絡通信量低、響應速度快等特點，處理大量數據時有明顯優勢[7]，在開發和使用中較BS（Browser/Server）結構具有明顯的優勢。

系統運行所需的硬件配置簡單，經濟性好，只需服務器1臺、客戶端若干臺（根據使用需求配置），以及實現客戶端和服務器通訊的網絡。

1.2 系統組成

核應急輔助系統由應急場景數據生成和存儲模塊、場景校準模塊、展示模塊、方案生成模塊4 個部分組成（如圖2 所示），分別用于不同應急演練場景的生成、數據的分類存儲和校準、場景的三維動態展示，為應急演練方案的編制提供核電站系統的狀態信息和廠區內外的環境信息。

圖2 系統組成Fig.2 System structure

下面對以上4個模塊的組成和功能進行簡要說明。

1.2.1 場景數據生成和存儲模塊

場景數據生成和存儲模塊用于針對不同核動力裝置的培訓和應急演練場景的生成，供核應急輔助系統開發和維護工程師使用。設計明顯簡化了一般用戶的使用流程，降低了核應急輔助系統的操作難度。一般用戶只需直接通過UI 操作，選取已存儲的數據，進行場景的三維動態展示，并根據需要對展示的場景進行控制。

系統開發和維護工程師根據核動力裝置所有可能的應急演練需求，選取所有可能的初因事件或事件組，分別引入仿真計算模型。在執行仿真計算之前，開發和維護工程師對所有可能的場景進行參數計算和時間序列選取。在完成上述兩項準備工作后，依次選取初因事件或事件組并執行計算，已選取的場景數據自動存儲在服務器的數據庫中，計算結束后，系統UI 將自動提示是否進行場景數據的永久存儲。

場景數據生成和存儲模塊的執行流程如圖3所示。

除本系統已提供的場景數據庫生成方式以外，系統開發和維護人員還可以遵循既定的格式，采用其他仿真計算模型完成場景數據的添加。

圖3 場景數據庫生成和存儲Fig.3 The creation and storage of the scene database

1.2.2 場景校準模塊

圖4 參數校準和存儲Fig.4 The parameter calibration and storage

核動力裝置的培訓和演習場景中，實際需要的參數和時間序列與已存儲的場景參數和時間序列之間可能存在差異。因此，本系統提供了“場景校準”功能，用于參數和時間序列的修改。

圖形化參數校準和存儲窗口如圖4所示。

圖形化時間序列的校準和存儲窗口如圖5所示。

在系統UI 中，為時間序列的校準和存儲提供了圖形化的窗口，通過鼠標點擊實現對已存儲場景參數和時間序列的調取，同時，可實現對已存儲場景的修改、校準和再次存儲[8]。所有已創建的場景存儲在場景數據庫中，供應急培訓和演練使用。

圖5 時間序列的校準和存儲Fig.5 The timing sequence calibration and storage

1.2.3 展示模塊

在核應急培訓和演練過程中，該模塊可以以3D 形式生動、逼真地展示核事故的進程，進而幫助核應急指揮部、技術支持中心等工作人員準確地了解核設施的真實情況，對事故狀態做出正確的判斷，為核應急處置措施的實施提供決策依據。

Windows環境下，采用3DMax建立核動力裝置系統和設備的3D模型，采用Unity3d表現核動力裝置穩態運行狀態、瞬態、事故以及嚴重事故過程。同時，提供了部分2D畫面，為核應急培訓、演練以及應急響應提供充分和必要的信息[9]。

展示模塊的UI 中還布置了暫停、運行、快進、慢進等功能按鈕，控制核事故的進程。培訓或演習時，核事故的進程控制由專人負責，確保核事故的進程與演習或培訓的進度一致（如圖6所示）。

核應急輔助系統的展示模塊能夠生動、直觀地展示事故進程，提供關鍵參數、參數變化趨勢、時間序列等關鍵信息。展示模塊采取簡化配置，盡量多地在同一張畫面分類提供應急響應所需的信息，展示模塊由狀態監視、堆芯和回路、安全殼、專設和應急設備、場外劑量分布，共計5張畫面組成。

（1）狀態監視畫面：采用2D 畫面同步、動態地展示核應急狀態下的參數、趨勢曲線、報警以及主要時間序列，為核應急決策提供依據。

圖6 展示模塊的執行流程Fig.6 The working flow-rate of the display model

（2）堆芯和回路：采用3D 畫面同步、動態地展示核應急條件下堆芯和回路系統管道內部的（包括破口）流動、箱體的液位、堆內結構材料的升溫、變形、熔融、坍塌、遷移、再定位，壓力容器的破損，以及堆芯熔融物相互作用（MCCI）等事故過程，為核應急決策提供依據。

（3）安全殼：采用3D 畫面同步、動態地展示核應急條件下安全殼內部壓力、溫度、放射性劑量、氫氣濃度等場分布效果。同時，給出安全殼噴淋、噴淋液滴的汽化、液模表面的蒸發以及安全殼艙室液位變化等過程的動態效果，生動直觀地展示事故的進程，為核應急決策提供依據。

（4）專設和應急設備：采用2D 畫面同步、動態地展示核設施專設系統和應急設備的狀態，為核應急決策過程中的設備可用性和資源可調配性提供依據。

（5）場外劑量分布：根據三維劑量場模型的計算結果，將劑量場的分布情況以三維動態的方式展示出來，為核應急決策提供依據。

1.2.4 方案生成模塊

在系統的UI 上面提供了方案生成功能按鈕，供應急培訓和演練方案編制人員使用。方案生成模塊可根據用戶的需求生成相應格式和內容的腳本文件[10]，文件內容主要包括參數值、事件序列、趨勢曲線等，用戶可對此方案文件進行編輯和存儲（如圖7所示）。

圖7 展示模塊的執行流程Fig.7 The working flows-rate of the script generation model

2 系統的使用和評價

2.1 系統的使用

核應急輔助系統有3種使用模式，即培訓模式、演練模式、應急響應模式。用戶可以根據實際進行選擇。

在培訓模式和演練模式下展示系統的驅動數據來自場景存儲服務器的仿真數據。核應急輔助系統在培訓模式下的工作流程如圖8所示。

圖8 培訓模式工作流程Fig.8 The working flow-rate of the training mode

核應急演練和核應急響應模式的使用方法是一樣的，只是數據來源不同。系統處于應急響應模式下，展示系統直接從機組的應急管理系統（EM）讀取數據。應急技術支持中心以及應急指揮中心通過應急網進行系統的登錄[11]。核應急輔助系統在核應急演練和核應急響應模式下的工作流程，如圖9所示。

2.2 系統評價

核應急輔助系統可用于核應急培訓、演練、應急響應過程中的應急待命、廠房應急、場區應急以及場外應急的狀態判斷，為采取Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級響應行動提供輔助手段，為應急決策提供技術支持。

圖9 應急演練和應急響應模式工作流程Fig.9 The working flow-rate of the drilling and emergency response mode

該系統有以下主要特點：

（1）系統結構簡單、使用方便：該系統采用CS架構，軟硬件結構簡單，便于使用和維護,支持多用戶同時使用。

（2）一鍵式啟動：雙擊核應急輔助系統的圖標，系統自動、快速啟動。

（3）可擴展性強：系統開發和維護人員可根據需要隨時更新和添加新的演習場景，可根據需要對2D畫面進行參數配置。

（4）數據存儲容量大：場景存儲服務器能夠滿足多場景、海量數據存儲的需求。

（5）兩種模式，任意選擇：既能滿足應急培訓和演練的需求，又能滿足應急響應的需求。

（6）場景數據可校準：用戶可以根據使用需求定制化修改和存儲服務器中已存儲的場景數據。

（7）培訓演練進程控制：系統UI 提供了暫停、運行、快進、慢進等控制按鈕，實現了應急培訓和演練進程的控制。

（8）方案自動生成：點擊UI 上面的按鈕可自動生成腳本，減少了應急腳本編制人員的工作量，提高了工作效率。

（9）2D 和3D 相結合：2D 和3D 互為補充，既能生動逼真地展示核應急條件下系統、設備、安全殼、場外的狀態，又確保了應急決策支持信息的準確性。

3 結論

基于VR技術的核電站核應急輔助系統能夠生動、逼真地展示核事故狀態下應急相關系統、設備、安全殼、廠區、場外的狀態，為核應急工作提供充分的信息，能夠滿足應急培訓、演練以及應急響應的需求。

該系統的開發得到了核運營單位的大力支持和肯定，但是系統的推廣、應用和標準化還需要經過充分的論證以及核安全監管部門的認可。