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     隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，在新建設(shè)的核電廠中，都首選數(shù)字化儀控系統(tǒng)。相對(duì)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(shí)，也增加了操縱員的負(fù)擔(dān)，容易導(dǎo)致人因失誤，給核電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。一個(gè)有效的應(yīng)對(duì)手段是根據(jù)核電廠的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行特性，通過(guò)精心設(shè)計(jì)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(fù)荷，避免不必要的人工分析；在增加有效信息的同時(shí)降低信息的復(fù)雜度，從而為操縱員更精準(zhǔn)地運(yùn)行核電廠提供良好的人機(jī)環(huán)境。

1  操縱員支持系統(tǒng)簡(jiǎn)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。

    操縱員支持系統(tǒng)的發(fā)展主要包括了20世紀(jì)發(fā)展的堆芯監(jiān)督系統(tǒng)、報(bào)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，以及近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)化應(yīng)急操作規(guī)程系統(tǒng)、核電廠故障診斷系統(tǒng)等。

    目前，國(guó)內(nèi)外核電廠中設(shè)計(jì)的典型操縱員支持系統(tǒng)有報(bào)警顯示系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)化規(guī)程系統(tǒng)、核電廠運(yùn)行支持和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、堆芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)為操縱員運(yùn)行核電廠提供信息支持。

  核電廠操縱員支持系統(tǒng)能從多個(gè)方面為操縱員運(yùn)行核電廠提供支持，較大程度地減輕操縱員的工作負(fù)荷，其必將成為核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。系統(tǒng)價(jià)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(yùn)行電廠的有用信息，對(duì)核電廠運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)督，降低操縱員人因失誤的概率，為操縱員準(zhǔn)確運(yùn)行核電廠提供支持；

    ②使操縱員可以從手動(dòng)計(jì)算中解放出來(lái)，減輕操縱員工作負(fù)荷，提高工作效率及可靠性、及時(shí)性；

    ③將輔助操縱員運(yùn)行電廠的計(jì)算任務(wù)交由獨(dú)立的計(jì)算設(shè)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(fù)雜性和性能要求；

  ④通過(guò)合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)，為持續(xù)的功能增加和改進(jìn)提供良好的擴(kuò)展性，為今后進(jìn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注如下幾個(gè)方面。

    ①采用成熟通用的技術(shù)，在降低實(shí)現(xiàn)難度的同時(shí)，提高技術(shù)的通用性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可維護(hù)性（包括硬件）；

    ②具有良好的架構(gòu)，易于擴(kuò)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(guò)采用成熟的計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供參考。

2系統(tǒng)架構(gòu)

    在設(shè)計(jì)操縱員支持系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，需重點(diǎn)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(shè)計(jì)中選用了廣泛使用的以太網(wǎng)技術(shù)及X86計(jì)算機(jī)技術(shù)，不僅成熟可靠，而且產(chǎn)品和服務(wù)供應(yīng)非常多，產(chǎn)品和技術(shù)的兼容性、長(zhǎng)期升級(jí)以及備件都不存在問(wèn)題。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

    系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)要描述如下。

    ①與DCS的通信連接。由于常見(jiàn)DCS均運(yùn)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(luò)接入核電廠DCS，具體的協(xié)議可采用DCS所支持的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或自定義的專用協(xié)議（需DCS廠商開(kāi)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接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)與操縱員支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的隔離。接口服務(wù)實(shí)現(xiàn)的功能包括從電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取核電廠的狀態(tài)（系統(tǒng)計(jì)算所需的狀態(tài)信息）以及來(lái)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(jì)算和運(yùn)行控制使用。同時(shí)，實(shí)時(shí)地將操縱員支持系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果發(fā)布出來(lái)，從而使用戶界面可通過(guò)DCS的通信網(wǎng)絡(luò)獲得計(jì)算結(jié)果。

    ④交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各以太網(wǎng)通信設(shè)備的連接。

    ⑤操縱員支持系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)從接口服務(wù)獲取計(jì)算所需的電廠狀態(tài)信息以及來(lái)自用戶的指令，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果，并提交至接口服務(wù)。根據(jù)需要，計(jì)算服務(wù)分成多組獨(dú)立的計(jì)算功能，各計(jì)算功能可單獨(dú)啟停，具有不同的運(yùn)行周期，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算服務(wù)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?yàn)橛?jì)算服務(wù)的運(yùn)行管理（包括可調(diào)節(jié)參數(shù)修改、計(jì)算服務(wù)的啟停、計(jì)算服務(wù)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(jì)算服務(wù)的計(jì)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(yīng)的計(jì)算功能提供圖形方式的操作界面。

    針對(duì)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(luò)連接，可選擇雙絞線、光纖或銅纜，具體需視DCS支持的網(wǎng)絡(luò)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(wù)器采用主流的X86服務(wù)器，安裝Windows系列操作系統(tǒng)。

    ④以太交換機(jī)可選擇主流的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。

    ⑤計(jì)算服務(wù)器可采用主流的X86服務(wù)器，根據(jù)計(jì)算功能對(duì)計(jì)算能力的要求，可適當(dāng)選用高規(guī)格CPU（高主頻、多核）。

    ⑥管理界面采用LCD顯示器，與操縱員支持系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器直接連接，相應(yīng)的系統(tǒng)管理程序軟件運(yùn)行于計(jì)算服務(wù)器。

    ⑦用戶界面采用主流的X86商用臺(tái)式機(jī)，可考慮與DCS操作站共用計(jì)算機(jī)設(shè)備，或采用獨(dú)立的商用PC機(jī)。

3  系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1計(jì)算服務(wù)

    計(jì)算服務(wù)是實(shí)現(xiàn)支持功能的核心，運(yùn)行于計(jì)算服務(wù)器上，通過(guò)系統(tǒng)管理程序調(diào)用計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)。計(jì)算服務(wù)主要由兩部分組成：計(jì)算功能的邏輯算法部分和控制計(jì)算功能運(yùn)行的系統(tǒng)管理程序。

3.1.1邏輯算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)

    計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)的算法功能是否正確對(duì)操縱員的精確、高效操作有直接影響，此外，邏輯算法實(shí)現(xiàn)還需考慮實(shí)現(xiàn)的難度和效率。傳統(tǒng)的人工編碼方法無(wú)論是開(kāi)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(shí)現(xiàn)。因此，應(yīng)采用合適的邏輯算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)。經(jīng)過(guò)研究，可借鑒高安全性軟件領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采用具有以下幾方面特點(diǎn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

    ①模塊化設(shè)計(jì)；

    ②可視化建模（組態(tài)）；

    ③完整的驗(yàn)證手段；

    ④不依賴特定的軟、硬件平臺(tái)；

    ⑤實(shí)現(xiàn)透明，可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，以滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求。

    基于上述要求，經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研和論證，采用商業(yè)的圖形建模軟件作為計(jì)算邏輯算法的組態(tài)工具。該圖形建模軟件能以形式化語(yǔ)言對(duì)應(yīng)用算法進(jìn)行描述，避免了自然語(yǔ)言的歧義可能引入的錯(cuò)誤，并提供了仿真測(cè)試、覆蓋率分析等豐富的驗(yàn)證手段；此外還支持調(diào)試，可直接生成認(rèn)證級(jí)、平臺(tái)無(wú)關(guān)的C語(yǔ)言源代碼，無(wú)需人工編寫邏輯算法的代碼。

    利用該圖形建模軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算邏輯算法的基本步驟如圖3所示。

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(tái)下集成所開(kāi)發(fā)的計(jì)算程序，并提供實(shí)用的管理功能。系統(tǒng)管理程序從接口服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，提供給集成的計(jì)算程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再將結(jié)果提交至接口服務(wù)器；同時(shí)還提供監(jiān)控調(diào)度管理功能，用于系統(tǒng)的管理和維護(hù)。

    為了便于使用和維護(hù)，計(jì)算程序管理程序應(yīng)具有動(dòng)態(tài)管理的功能，支持計(jì)算功能的暫停、重啟、參數(shù)設(shè)置，甚至是在線升級(jí)。

3.2接口服務(wù)

    為了避免操縱員支持系統(tǒng)對(duì)電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)的影響，必須在兩個(gè)系統(tǒng)間進(jìn)行隔離，典型的做法是通過(guò)接口服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。接口服務(wù)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

    ①支持多種通信協(xié)議，可從電廠實(shí)時(shí)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(wù)，允許電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)主動(dòng)獲取計(jì)算程序的處理結(jié)果，或向電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)寫入計(jì)算程序的處理結(jié)果；

    ③實(shí)現(xiàn)操縱員支持系統(tǒng)與電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)的邏輯隔離甚至是物理隔離（通過(guò)光電隔離）。

    接口服務(wù)可采用成熟可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，并結(jié)合電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)的特定通信協(xié)議要求進(jìn)行定制。接口服務(wù)還需采取必要的安全控制手段，防止通過(guò)操縱員支持系統(tǒng)對(duì)電廠DCS系統(tǒng)的非法訪問(wèn)。

3.3人機(jī)界面

    操縱員支持系統(tǒng)的界面包括用戶界面和運(yùn)行管理界面，為系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果監(jiān)控和運(yùn)行控制提供直觀易用的接口。人機(jī)界面需重點(diǎn)考慮實(shí)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(jì)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(yīng)避免直接將用戶界面與其他電廠監(jiān)控界面并在一起。可采用．net技術(shù)開(kāi)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(guò)DCS網(wǎng)絡(luò)，從接口服務(wù)器讀取計(jì)算結(jié)果，以直觀的方式顯示，并將用戶的指令通過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò)寫入到接口服務(wù)器，控制操縱員支持系統(tǒng)的計(jì)算。

    界面的設(shè)計(jì)可參照核電廠DCS的風(fēng)格，并充分考慮人因相關(guān)的要求。

3.3.2運(yùn)行管理界面

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

    在設(shè)計(jì)界面時(shí)，需充分考慮計(jì)算功能的靈活性和擴(kuò)展性，不應(yīng)設(shè)計(jì)成固定的界面，而應(yīng)根據(jù)所加載的計(jì)算功能，動(dòng)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(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)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(yùn)行時(shí)由于操縱員支持系統(tǒng)的故障對(duì)操縱員的正常運(yùn)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(shè)備外，可從硬件和軟件兩個(gè)角度進(jìn)行考慮：

    ①采用雙機(jī)熱備份的策略，可確保某一硬件故障時(shí)熱備的硬件可無(wú)擾地投入，對(duì)操縱員的正常使用不產(chǎn)生影響，同時(shí)故障設(shè)備可在線替換和修復(fù)；

    ②采用安全級(jí)（如IEC 62138對(duì)應(yīng)的C級(jí)要求）儀控應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)和規(guī)范操縱員支持系統(tǒng)的軟件研制，通過(guò)完整的過(guò)程控制，確保軟件的質(zhì)量達(dá)到安全級(jí)軟件相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量水平，提高系統(tǒng)可靠性。

4實(shí)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(jì)算功能為例，對(duì)核電廠操縱員支持系統(tǒng)進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)，主要的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證要點(diǎn)描述如下。

4.1圖形建模及測(cè)試

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

    在對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為了保證測(cè)試的充分性，要求所有的需求必須完備地被一系列測(cè)試用例覆蓋，即要求模型中的任何一個(gè)分支可能都需要進(jìn)行測(cè)試，以此來(lái)檢測(cè)模型中的非預(yù)期功能。在圖形建模工具中，可通過(guò)模型覆蓋率分析對(duì)測(cè)試的完備性進(jìn)行檢查。

4.2接口服務(wù)

    接口服務(wù)采用MySql數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)數(shù)據(jù)具有四個(gè)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(jì)算程序啟動(dòng)運(yùn)行后，計(jì)算程序?qū)⑼ㄟ^(guò)接口服務(wù)器讀取程序計(jì)算所需的輸入信號(hào)，如反應(yīng)堆冷卻劑《自動(dòng)化儀表》第36卷第11期2015年11月平均寬量程溫度等（接口服務(wù)器通過(guò)電廠網(wǎng)絡(luò)通信從電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)上按照一定的頻率獲取這些數(shù)據(jù)），通過(guò)計(jì)算服務(wù)，得到相應(yīng)的輸出信號(hào)，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(hù)等多個(gè)界面。其中，程序加載可方便加載新的應(yīng)用程序，以此提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；程序啟�？蓡�動(dòng)或停止一個(gè)或多個(gè)程序；參數(shù)維護(hù)可對(duì)程序的可調(diào)節(jié)參數(shù)和不可調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行修改維護(hù)。

5結(jié)束語(yǔ)

  操縱員支持系統(tǒng)能有效地從眾多信息中及時(shí)、有針對(duì)性地獲取核電廠運(yùn)行所需的信息，顯著降低操縱員的工作負(fù)荷，提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文研究了實(shí)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(jì)算程序?yàn)槔龑?duì)原型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該方案的可行性。希望本文的內(nèi)容可為我國(guó)的核電廠操縱員支持系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供參考。

6摘  要：

針對(duì)數(shù)字化儀控環(huán)境下核電廠操縱員運(yùn)行支持的需要，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外操縱員運(yùn)行電廠相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一套核廠操縱員支持系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案�？紤]計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟性和通用性，重點(diǎn)分析了操縱員支持系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，括計(jì)算服務(wù)、接口服務(wù)、人機(jī)界面、系統(tǒng)可靠性等。在此基礎(chǔ)上以某計(jì)算功能為例，驗(yàn)證了操縱員支持系統(tǒng)方案的正確性及可行性。結(jié)果表明該實(shí)現(xiàn)方案可為核電廠操縱員支持系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供參考。