核電廠操縱員支持系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)研究

周健文 鄭明光 劉 凱

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

0 引言

儀表和控制系統(tǒng)是核電廠關(guān)鍵的綜合系統(tǒng)之一，對確保核電廠的安全、經(jīng)濟運行起著至關(guān)重要的作用。隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，在新建設的核電廠中，都首選數(shù)字化儀控系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)，數(shù)字化儀控系統(tǒng)能提供更加豐富的信息給操縱員決策。但大量信息在增加信息的廣度和深度時，也增加了操縱員的負擔，容易導致人因失誤，給核電廠的安全、經(jīng)濟運行帶來挑戰(zhàn)。一個有效的應對手段是根據(jù)核電廠的設計特點和運行特性，通過精心設計核電廠操縱員支持系統(tǒng)，方便操縱員獲得關(guān)鍵信息，降低工作負荷，避免不必要的人工分析;在增加有效信息的同時降低信息的復雜度，從而為操縱員更精準地運行核電廠提供良好的人機環(huán)境。

1 操縱員支持系統(tǒng)簡介

核電廠操縱員支持系統(tǒng)在核電廠儀控系統(tǒng)中的定位如圖1 所示。

圖1 核電廠操縱員支持系統(tǒng)定位圖Fig.1 Placement of NPP operator support system

操縱員支持系統(tǒng)的發(fā)展主要包括了20 世紀發(fā)展的堆芯監(jiān)督系統(tǒng)、報警監(jiān)督系統(tǒng)、安全參數(shù)顯示系統(tǒng)、臨界安全功能監(jiān)督系統(tǒng)等［1］，以及近年來隨著計算機技術(shù)飛速進步而發(fā)展起來的計算機化應急操作規(guī)程系統(tǒng)、核電廠故障診斷系統(tǒng)等。

目前，國內(nèi)外核電廠中設計的典型操縱員支持系統(tǒng)有報警顯示系統(tǒng)、計算機化規(guī)程系統(tǒng)、核電廠運行支持和監(jiān)測系統(tǒng)、堆芯在線監(jiān)測系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)為操縱員運行核電廠提供信息支持。［2］

核電廠操縱員支持系統(tǒng)能從多個方面為操縱員運行核電廠提供支持，較大程度地減輕操縱員的工作負荷，其必將成為核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。系統(tǒng)價值和意義如下。

①從海量數(shù)據(jù)中提取輔助操縱員監(jiān)視運行電廠的有用信息，對核電廠運行情況進行監(jiān)督，降低操縱員人因失誤的概率，為操縱員準確運行核電廠提供支持;

②使操縱員可以從手動計算中解放出來，減輕操縱員工作負荷，提高工作效率及可靠性、及時性;

③將輔助操縱員運行電廠的計算任務交由獨立的計算設備完成，不再占有電廠控制系統(tǒng)控制器資源，降低控制系統(tǒng)的復雜性和性能要求;

④通過合理的架構(gòu)設計，為持續(xù)的功能增加和改進提供良好的擴展性，為今后進一步完善和豐富核電廠操縱員支持系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

本文在總結(jié)各類核電廠操縱員支持系統(tǒng)相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，探討在數(shù)字化儀控條件下操縱員支持系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)，重點關(guān)注如下幾個方面。

①采用成熟通用的技術(shù)，在降低實現(xiàn)難度的同時，提高技術(shù)的通用性，實現(xiàn)長期可維護性(包括硬件);

②具有良好的架構(gòu)，易于擴展，且能與各種數(shù)字化儀控解決方案配合;

③采用合適的軟硬件技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

通過采用成熟的計算機技術(shù)，研究核電廠操縱員支持系統(tǒng)的架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)字化條件下的操縱員支持系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供參考。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

在設計操縱員支持系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)時，需重點關(guān)注技術(shù)的成熟性和通用性以及系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)架構(gòu)設計中選用了廣泛使用的以太網(wǎng)技術(shù)及X86 計算機技術(shù)，不僅成熟可靠，而且產(chǎn)品和服務供應非常多，產(chǎn)品和技術(shù)的兼容性、長期升級以及備件都不存在問題。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 操縱員支持系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of the operator support system

系統(tǒng)架構(gòu)簡要描述如下。

①與DCS 的通信連接。由于常見DCS 均運行于Windows 或Unix 操作系統(tǒng)，支持TCP/IP 方式的通信連接，連接的介質(zhì)可選擇雙絞線、銅纜或光纖，因此操縱員支持系統(tǒng)可利用該通信網(wǎng)絡接入核電廠DCS，具體的協(xié)議可采用DCS 所支持的工業(yè)標準或自定義的專用協(xié)議(需DCS 廠商開放接口)。

②基于以太網(wǎng)的通信連接。采用成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，基于TCP/IP 協(xié)議通信，連接介質(zhì)可選雙絞線、銅纜或光纖。［3］

③接口服務，實現(xiàn)DCS 系統(tǒng)與操縱員支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，同時實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的隔離。接口服務實現(xiàn)的功能包括從電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)實時獲取核電廠的狀態(tài)(系統(tǒng)計算所需的狀態(tài)信息)以及來自操縱員支持系統(tǒng)用戶界面的指令，供操縱員支持系統(tǒng)計算和運行控制使用。同時，實時地將操縱員支持系統(tǒng)的計算結(jié)果發(fā)布出來，從而使用戶界面可通過DCS 的通信網(wǎng)絡獲得計算結(jié)果。

④交換機實現(xiàn)各以太網(wǎng)通信設備的連接。

⑤操縱員支持系統(tǒng)計算服務從接口服務獲取計算所需的電廠狀態(tài)信息以及來自用戶的指令，經(jīng)過計算后，產(chǎn)生計算結(jié)果，并提交至接口服務。根據(jù)需要，計算服務分成多組獨立的計算功能，各計算功能可單獨啟停，具有不同的運行周期，從而實現(xiàn)計算服務的靈活性，滿足不同輔助支持功能的要求。

⑥操縱員支持系統(tǒng)管理程序為計算服務的運行管理(包括可調(diào)節(jié)參數(shù)修改、計算服務的啟停、計算服務的狀態(tài)監(jiān)控等)提供圖形用戶操作界面。

⑦操縱員支持系統(tǒng)用戶界面將計算服務的計算結(jié)果以圖形方式展示給用戶，并為用戶發(fā)出操作指令，控制相應的計算功能提供圖形方式的操作界面。

針對上述系統(tǒng)架構(gòu)，有大量成熟的硬件產(chǎn)品可以選擇，典型的硬件選擇如下。

①與DCS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接，可選擇雙絞線、光纖或銅纜，具體需視DCS 支持的網(wǎng)絡通信接口方式。

②以太網(wǎng)連接可選擇支持千兆以太網(wǎng)的雙絞線。

③接口服務器采用主流的X86 服務器，安裝Windows 系列操作系統(tǒng)。

④以太交換機可選擇主流的千兆以太網(wǎng)交換機。

⑤計算服務器可采用主流的X86 服務器，根據(jù)計算功能對計算能力的要求，可適當選用高規(guī)格CPU(高主頻、多核)。

⑥管理界面采用LCD 顯示器［4］，與操縱員支持系統(tǒng)計算服務器直接連接，相應的系統(tǒng)管理程序軟件運行于計算服務器。

⑦用戶界面采用主流的X86 商用臺式機，可考慮與DCS 操作站共用計算機設備，或采用獨立的商用PC 機。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 計算服務

計算服務是實現(xiàn)支持功能的核心，運行于計算服務器上，通過系統(tǒng)管理程序調(diào)用計算程序?qū)崿F(xiàn)。計算服務主要由兩部分組成:計算功能的邏輯算法部分和控制計算功能運行的系統(tǒng)管理程序。

3.1.1 邏輯算法實現(xiàn)技術(shù)

計算程序?qū)崿F(xiàn)的算法功能是否正確對操縱員的精確、高效操作有直接影響，此外，邏輯算法實現(xiàn)還需考慮實現(xiàn)的難度和效率。傳統(tǒng)的人工編碼方法無論是開發(fā)的效率，還是保證質(zhì)量的難度，都難以勝任邏輯算法的實現(xiàn)。因此，應采用合適的邏輯算法實現(xiàn)技術(shù)。經(jīng)過研究，可借鑒高安全性軟件領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗，采用具有以下幾方面特點的技術(shù)實現(xiàn):

①模塊化設計;

②可視化建模(組態(tài));

③完整的驗證手段;

④不依賴特定的軟、硬件平臺;

⑤實現(xiàn)透明，可根據(jù)相關(guān)標準的要求進行開發(fā)和驗證，以滿足監(jiān)管機構(gòu)的要求［5-7］。

基于上述要求，經(jīng)過廣泛的調(diào)研和論證，采用商業(yè)的圖形建模軟件作為計算邏輯算法的組態(tài)工具。該圖形建模軟件能以形式化語言對應用算法進行描述，避免了自然語言的歧義可能引入的錯誤，并提供了仿真測試、覆蓋率分析等豐富的驗證手段;此外還支持調(diào)試，可直接生成認證級、平臺無關(guān)的C 語言源代碼，無需人工編寫邏輯算法的代碼。

利用該圖形建模軟件實現(xiàn)計算邏輯算法的基本步驟如圖3 所示。

圖3 計算邏輯算法實現(xiàn)方法Fig.3 Implementation methods of computational logic algorithm

3.1.2 系統(tǒng)調(diào)度程序

采用成熟、易用的. net 技術(shù)可以很方便地在Windows 平臺下集成所開發(fā)的計算程序，并提供實用的管理功能。系統(tǒng)管理程序從接口服務器讀取數(shù)據(jù)，提供給集成的計算程序進行數(shù)據(jù)處理，再將結(jié)果提交至接口服務器;同時還提供監(jiān)控調(diào)度管理功能，用于系統(tǒng)的管理和維護。

為了便于使用和維護，計算程序管理程序應具有動態(tài)管理的功能，支持計算功能的暫停、重啟、參數(shù)設置，甚至是在線升級。

3.2 接口服務

為了避免操縱員支持系統(tǒng)對電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)的影響，必須在兩個系統(tǒng)間進行隔離，典型的做法是通過接口服務器進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。接口服務需實現(xiàn)以下功能:

①支持多種通信協(xié)議，可從電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)讀取所需的電廠狀態(tài)數(shù)據(jù)及操縱員指令;

②提供數(shù)據(jù)服務，允許電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)主動獲取計算程序的處理結(jié)果，或向電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)寫入計算程序的處理結(jié)果;

③實現(xiàn)操縱員支持系統(tǒng)與電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)的邏輯隔離甚至是物理隔離(通過光電隔離)［8］。

接口服務可采用成熟可靠的數(shù)據(jù)庫作為主要的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，并結(jié)合電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)的特定通信協(xié)議要求進行定制。接口服務還需采取必要的安全控制手段，防止通過操縱員支持系統(tǒng)對電廠DCS 系統(tǒng)的非法訪問。

3.3 人機界面

操縱員支持系統(tǒng)的界面包括用戶界面和運行管理界面，為系統(tǒng)的計算結(jié)果監(jiān)控和運行控制提供直觀易用的接口［9］。人機界面需重點考慮實現(xiàn)的難度及用戶友好性。

3.3.1 用戶界面

操縱員支持系統(tǒng)用戶界面為操縱員支持系統(tǒng)的計算結(jié)果顯示和用戶指令輸入提供直觀的圖形界面，為了與DCS 系統(tǒng)分離，應避免直接將用戶界面與其他電廠監(jiān)控界面并在一起?？刹捎?net 技術(shù)開發(fā)與操縱員支持系統(tǒng)提供的功能配套的用戶界面。用戶界面通過DCS 網(wǎng)絡，從接口服務器讀取計算結(jié)果，以直觀的方式顯示，并將用戶的指令通過DCS 網(wǎng)絡寫入到接口服務器，控制操縱員支持系統(tǒng)的計算。

界面的設計可參照核電廠DCS 的風格，并充分考慮人因相關(guān)的要求。

3.3.2 運行管理界面

運行管理界面作為系統(tǒng)管理程序功能的一部分實現(xiàn)，可采用.net 技術(shù)開發(fā)，為系統(tǒng)計算的運行管理(包括可調(diào)節(jié)參數(shù)修改、計算的啟停、計算的狀態(tài)監(jiān)控等)提供友好的圖形用戶操作界面。

在設計界面時，需充分考慮計算功能的靈活性和擴展性，不應設計成固定的界面，而應根據(jù)所加載的計算功能，動態(tài)呈現(xiàn)界面。

3.4 系統(tǒng)可靠性

操縱員支持系統(tǒng)采用成熟的商用計算機設備實現(xiàn)，其優(yōu)點是計算能力強大、成本低廉。但必須充分考慮系統(tǒng)的可靠性，避免在電廠正常運行時由于操縱員支持系統(tǒng)的故障對操縱員的正常運行造成影響。為了提高操縱員支持系統(tǒng)的可靠性，除了采用高質(zhì)量的設備外，可從硬件和軟件兩個角度進行考慮:

①采用雙機熱備份的策略，可確保某一硬件故障時熱備的硬件可無擾地投入，對操縱員的正常使用不產(chǎn)生影響，同時故障設備可在線替換和修復;

②采用安全級(如IEC 62138 對應的C 級要求)儀控應用軟件的標準，指導和規(guī)范操縱員支持系統(tǒng)的軟件研制，通過完整的過程控制，確保軟件的質(zhì)量達到安全級軟件相當?shù)馁|(zhì)量水平，提高系統(tǒng)可靠性［10］。

4 實施方案

根據(jù)上述系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，以某種計算功能為例，對核電廠操縱員支持系統(tǒng)進行原型開發(fā)，主要的開發(fā)和驗證要點描述如下。

4.1 圖形建模及測試

基于模塊化設計，采用圖形建模軟件對計算程序邏輯組態(tài)，最終模型(示例)如圖4 所示。

圖4 組態(tài)模型Fig.4 Configuration model

在對模型進行測試時，為了保證測試的充分性，要求所有的需求必須完備地被一系列測試用例覆蓋，即要求模型中的任何一個分支可能都需要進行測試，以此來檢測模型中的非預期功能。在圖形建模工具中，可通過模型覆蓋率分析對測試的完備性進行檢查。

4.2 接口服務

接口服務采用MySql 數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)具有四個字段，分別是名稱、值、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量原因。

4.3 用戶界面

在計算程序啟動運行后，計算程序?qū)⑼ㄟ^接口服務器讀取程序計算所需的輸入信號，如反應堆冷卻劑平均寬量程溫度等(接口服務器通過電廠網(wǎng)絡通信從電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)上按照一定的頻率獲取這些數(shù)據(jù))，通過計算服務，得到相應的輸出信號，并將關(guān)鍵信息在用戶界面上顯示。

4.4 系統(tǒng)管理程序

系統(tǒng)管理程序界面包括程序加載、程序啟停、參數(shù)維護等多個界面。其中，程序加載可方便加載新的應用程序，以此提高系統(tǒng)的可擴展性;程序啟停可啟動或停止一個或多個程序;參數(shù)維護可對程序的可調(diào)節(jié)參數(shù)和不可調(diào)節(jié)參數(shù)進行修改維護。

5 結(jié)束語

操縱員支持系統(tǒng)能有效地從眾多信息中及時、有針對性地獲取核電廠運行所需的信息，顯著降低操縱員的工作負荷，提高核電廠的安全性和經(jīng)濟性。本文研究了實現(xiàn)操縱員支持系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，并以某一具體的計算程序為例對原型進行了驗證，證明該方案的可行性。希望本文的內(nèi)容可為我國的核電廠操縱員支持系統(tǒng)的研究、設計和實現(xiàn)提供參考。

［1］ 張源芳.計算機化的核電廠操縱員支持系統(tǒng)［J］. 核動力工程，1997，18(2):163 -169.

［2］ 張淑慧，任永忠. AP1000 核電廠儀控系統(tǒng)介紹［J］. 自動化儀表，2010，31(10):48 -51.

［3］ 趙先國，張敏. ALSTOM 汽機控制系統(tǒng)在嶺澳二期核電站中的應用［J］.自動化儀表，2013，34(2):61 -64.

［4］ 馬建濤，肖英，劉永偉. CRT 與LCD 顯示器的性能分析［J］. 科技信息，2007，19(18):314，340.

［5］ IEC 61499 -1 Function blocks for industrial process measurement and control systems，“architecture”international electro-technical commission［S］.2005.

［6］ IEC 61499 -2 Function blocks for industrial process measurement and control systems，“software tools requirements”international electro-technical commission［S］.2005.

［7］ IEEE 830 IEEE recommended practice for software requirements specifications［S］.1998.

［8］ NUREG-0700 Human-system interface design review guidelines［S］.2002.

［9］ IEC 62138 Nuclear power plants-instrumentation and control important for safety-software aspects for computer-based systems performing category B or C functions［S］.2004.

［10］王珺，李立新，李福林.物理隔離和網(wǎng)閘的技術(shù)原理淺析［J］.微計算機信息，2007，23(24):53 -55.