模拟仿真技术在核应急软件平台中的应用与思考
2021-01-11

  转载《中国应急管理科学》2020年第11期


  蒋钢1,仲崇军2,陈纲1,丁炜堃1


  (1.国家电投集团科学技术研究院有限公司,北京102209;


  2.国家电力投资集团有限公司,北京100140)


  摘要:应急平台建设是核应急管理中的一项重要的基础性工作,对全面加强和提高应急管理能力有着非常重要的意义。传统核应急平台主要关注电厂状态监视、应急预案的执行、信息的流通、指挥指令的下达等功能。随着信息技术的发展,模拟仿真软件也可以为核应急工作提供更多的辅助决策技术支持。本文介绍了国家电投集团核应急软件平台的主要功能,并结合当前应用实践和未来技术发展趋势,对模拟仿真技术在核应急平台的运用进行探讨。


  关键词:核应急技术;模拟仿真;核应急平台软件


  0 引言


  世界上几次核事故应急经验表明,应急响应和决策是否正确,对减轻事故损失具有十分重要的意义。三里岛和切尔诺贝利事故后,各国不断加强对严重事故预防和缓解的研究,先后开发了的核应急响应和决策支持系统[1]。核应急软件平台的主要功能是对核应急信息资源进行采集、存储和分析,实现对核事故的预警、响应、处置和支援任务。国际上较为典型的核应急决策支持系统有美国的MACCS、欧盟开发的RODOS、日本的ERSS等。目前我国核应急实现三级应急组织体系,即国家核应急组织、核设施所在省(自治区、直辖市)核应急组织、核设施营运单位应急组织。在三级核应急组织中,从国家、省级到核设施单位级通常都建设了自己的核应急软件系统。除了三级核应急体系中的应急平台建设外,部分永利集团集团也在着手建立集团层面的核应急响应与支援指挥中心,并开始配套建设对应的软件平台。


  国家电投集团为贯彻落实《国家核应急预案》赋予的“领导、协调和支援”永利集团厂核应急工作的职责,大力推进核应急体系建设,组织建立了集团核应急响应和支援指挥中心、集团核应急技术支持中心等机构。本文介绍了国家电投集团在核应急模拟仿真平台研发实践,并对模拟仿真技术在核应急平台的后续应用进行探讨。


  1 模拟仿真技术在核领域的主要应用


  模拟仿真技术在核领域内应用较为广泛,最具代表性的应用是用于操作员培训的全范围模拟机。模拟机可用于操作员培训、设计辅助验证、教学展示等多方面。永利集团厂全范围模拟机可以面向永利集团厂操作员进行有效的培训、进行操作许可考试、进行周期性的应急演习提供支持,这使得永利集团厂全范围模拟机成为永利集团站运行培训和管理中的必须工具。模拟机还可以用于仪控系统的现场调试。采用仿真理念建立永利集团厂对象仿真模型,通过硬接线方式与实际仪控连接,在永利集团建设过程中过程系统不具备条件下,完成对永利集团厂DCS系统的通道测试和静态功能试验、开/闭环控制的仿真代码测试或逻辑预演。这种利用仿真的调试方法能够在机组启动前完成各类型DCS平台下的控制保护逻辑功能测试及其软件代码纠错,排查各类DCS组态及安装设计不符合项,降低机组联调运行风险,提高试验通过率,缩短调试工期。


  2 国家电投集团核应急平台研发实践


  在国家科技重大专项对大型压水堆永利集团关键软件自主化技术研究的支持下,国家电投集团科学技术研究院历经五年自主开了我国具有完全自主知识产权的堆芯物理、热工和系统安全分析一体化软件包COSINE(Core and System Integrated Engine for design and analysis)[2]。基于国家科技重大专项“严重事故分析及应急决策支持技术研究”课题成果,自主开发了国家电投集团核应急响应和支援指挥系统,解决了集团内应急技术支持单位缺少统一专业的核应急指挥平台和分析决策工具的问题。该系统以国内首套完全自主知识产权的永利集团厂核设计与安全分析软件COSINE为分析引擎,具备事故监测预警、辅助指挥决策、信息全景展示、物资管理调度等功能,满足集团当前核应急日常管理和应急响应需求。


  经过近一年紧张的开发调试,核应急响应和支援指挥系统在国家电投集团核应急响应与支援指挥中心实现运行,并成功与海阳永利集团站应急数据实现对接,满足集团当前在核应急日常管理、指挥决策、应急演练等工作方面对于技术手段和工具支持的迫切需求,填补了集团专业核应急管理和决策分析系统的空白,切实推动和支撑了集团核应急响应建设工作。同时,该系统也是COSINE软件又一次重要的工程应用和成功实践。



  图1 国家电投集团核应急响应和支援指挥系统


  通过集团核应急软件开发项目的实施,研究院在核应急软件研发领域也形成了一支稳定专业的技术团队。团队成员发扬创新进取、敢为人先的精神,一方面攻坚克难、苦练内功,在短短一年时间内,完成了第一版系统的开发和测试工作,形成和掌握了一系列核应急软件开发与应用的核心技术;另一方面积极主动,反复走访各相关单位、深入调研用户需求,充分沟通和听取各方意见,不断打磨产品提升软件应用友好性,最终为用户交付出一份满意的答卷。



  图2 系统现场部署


  3 模拟仿真技术在核应急平台的应用


  3.1 严重事故应急决策支持系统


  仿真技术在核应急软件中最新应用方向是针对严重事故的模拟仿真和预测。福岛核事故后,随着国内核工业对严重事故的重视,严重事故模拟机几乎成为了各永利集团厂的标准配置[3]。而严重事故模拟对于事故演变、事故源项释放等进行的计算分析,可以多核应急软件提供输入,从而对核应急演练和预案制定提供支持。国家电投研究院开发了一套严重事故应急决策支持系统(cosSAMERS),能为应急决策者提供技术支持[4]。


  cosSAMERS主要用于永利集团厂发生严重事故后快速地(实时甚至超实时地)模拟电厂事故,并预测事故发展的方向和后果,同时通过电厂信息收集,结合相应的专家系统,为事故应急决策者判断永利集团厂状态和核事故场内应急决策提供支持。主要功能如下:(1)实时动态显示永利集团厂机组数据和严重事故模拟机数据的关键参数;(2)智能化的严重事故管理导则,替代纸质导则,提供辅助判断功能,提高使用效率;(3)基于严重事故模拟机,用户自定义事故假设条件,定制事故场景,对严重事故进程和后果做出预测分析,为严重事故管理决策提供技术参考;(4)借助二维和三维显示程序,直观显示严重事故的关键现象。


  该软件主要分为三个子系统:严重事故分析预测子系统、电厂安全状态判断子系统和电厂信息收集显示子系统,软件功能架构如图3所示,下面将依次对各个子系统进行功能介绍[5]。


  图3 cosSAMERS软件架构


  严重事故预测分析子系统主要是基于自主开发的严重事故模拟机,通过仿真教控台将自主化的严重事故程序、设备程序、教控干涉程序和仿真环境支撑软件等模块集成在一起,进行不同模型间的并行交互计算。用户可以通过交互式的仿真平台界面选择预设的事故场景或自定义事故场景后,启动严重事故程序进行实时或超实时计算。同时提供暂停、快照和教控干涉等功能,用于预测分析不同缓解方案引入后的效果,并将计算结果以实时动态画面及趋势图的方式显示输出,并作为其它两个子系统的输入进行数据显示和安全状态判断。


  电厂安全状态判断子系统基于两个评价算法准则:堆芯损伤评价准则CDAG[6]和氢气风险评价准则Shapiro图[7],通过采集电厂数据或分析预测子系统数据作为输入进行运算,并将结果输出显示在对应的人机界面上,以供决策人员了解当前电厂的安全状态。同时将纸质版的严重事故管理导则进行计算机化(CSAMG),以软件的形式提供给用户使用,使用定制化的开发文档引擎实现向导式可视化界面和人机交互,自动采集需要监测电厂参数与整定值比较,提供报警弹窗引导用户执行导则步骤。能根据导则推荐的缓解措施和当前设备可用状态,生成事故决策单,通过软件协同功能由技术支持人员发送给操作员执行缓解。


  电厂信息收集子系统基于电厂或严重事故模拟机的状态,对严重事故相关的重要运行参数进行收集,包括外部电源、应急电源、安注系统的投入、压力容器的冷却性能、安注流量等。还包括永利集团厂周围环境监测点的放射性监测值、地图、气候条件等。这部分数据对应急响应决策层至关重要,同时也是事故分析预测系统、事故状态判断系统以及核事故场外应急响应支持系统的数据输入来源。取得实时数据后,以图形化或趋势图的方式,将数据直观地、图表形式地呈现给事故管理决策人员。如图4所示,为应急监测数据、严重事故关键现象进程、堆芯损伤状态和氢气风险状态的人机交互界面。


  图4 严重事故人机界面


  3.2 核应急培训虚拟现实系统


  虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)是20世纪80年代由美国VPL公司创始人Jaron Lanier提出的,集成了计算机仿真技术、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型,并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主,也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境,从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉,可以全方位观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化,并能与之发生“交互”作用,使人和计算机很好地“融为一体”,给人一种“身临其境”的感觉,在医疗人员培训、电力安全生产、事故应急救援培训等方面得到了广泛应用。


  虚拟现实技术通常分桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。通过将突发事件现场模拟到分布式的虚拟场景中去,参演人员可以在模拟生成突发事件环境中获得身临其境的沉浸感并接收培训。通过虚拟的应急演练不仅可以降低突发推演的投入成本,而且可以打破培训演练空间和时间的限制,进行重复训练,提升培训演练效果。


  核应急培训虚拟现实系统针对需要多人协同演练等方面的需求,可以设计成C/S架构:客户端程序负责三维场景的显示和人机交互,服务端程序负责仿真场景的设置和演练管理。根据核应急演练目的和要求,通过模型库和编辑工具对事故演练场景进行设定,生成场景资源文件,客户端加载资源文件从而形成虚拟演练场景。根据应急预案编制脚本文件以描述演练流程,演练前在严重事故模拟机中设置好演练脚本和干涉指令,由客户端通过执行脚本对演练进程进行实时控制,包括应急预案中缓解方案的操作。服务端和客户端之间通过特定的协议和消息格式进行通信,以保证指令的一致性。


  核应急培训虚拟现实系统可以将严重事故模拟机实时仿真结果与虚拟现实系统设备进行联动,拟实现多用户、分角色的核应急协同培训演练,能完成对培训人员的日常作业流程,故障处理核应急处置等方面的实际操作培训考核,同时演练不受地域、物资等方面的局限,未来也具有较好的应用前景。


  图5 核应急培训虚拟现实系统设计


  3.3 核事故后果评价


  国内对事故后果评价通常采用现有成熟的核事故后果评价软件,例如RASCAL和RODOS等。这些程序利用二维网格对核设施周边的源项迁移和剂量进行计算,从而对事故的影响进行评估。随着模拟仿真技术和计算能力的提升,可以逐步对现有核事故后果评价软件进行升级。


  (1) 增加基于环境监测的源项反演软件


  通过永利集团厂周围的环境放射性监测数据,反演核事故放射性释放源项。为反应堆工况数据缺失情况下的核事故后果评价,提供可靠的源项输入参数,保证事故后果评价系统在严重核事故(如:福岛核事故)中的可用性。


  (2) 增加三维辐射场快速计算软件


  在三维网格下对事故源项的迁移和剂量进行计算分析,在满足应急时效性的前提下,提供三维辐射场的精细计算结果,为核应急撤离、厂区范围的事故缓解和立体救援提供重要的辐射防护依据。并为利用立体剂量率数据进行源项反演提供重要支撑工具。


  4 小结


  随着信息技术的发展,仿真模拟技术可以模拟事故进程、场外剂量释放及迁移过程,配合进行核应急培训演练。因此,后续逐步在核应急平台中集成更多的模拟仿真模块有利于拓展平台功能,为核应急工作提供全面的技术支撑。


  未来,国家电投集团科学技术研究院项目团队将按照集团“2035一流战略”发展方向,结合集团核应急能力建设的实际需要,积极运用大数据、物联网、5G通信、人工智能等新技术,不断完善核应急相关软件产品的功能和性能,打造符合集团核应急工作需求的高效、智能的一体化核应急支持和辅助指挥决策平台,同时也将对外努力拓展,结合我国应急管理体系建设和发展需求,积极融入国家核应急体系,服务于核应急工作相关部门与机构,助力我国核应急体系建设工作。


  参考文献


  [1] SCIO,“China’s nuclear emergency preparedness” [R]. The State Council Information Office of the People’s Republic of China (2016).


  [2] Yang Y and Chen Y,“Requirement analysis and primary design of COSINE code”,Transactions of the American Nuclear Society,106:1020-1023 (2012).


  [3] IAEA,“Regional training course on emergency preparedness and response in severe accidents” [R]. (2014).


  [4] Chen G. 2015. Development of Computerized Severe Accident Management Guidelines of AP1000 Nuclear Power Plant. International Conference on Simulation and Modeling Methodologies,Technologies and Applications. (2015)


  [5] Jiang Gang and Chen Gang. “Development of Severe Accident Process Simulation and Emergency Decision Support System for AP1000 Nuclear Power Plant” [C]. The 17th International Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics. (2017)


  [6] NRC,“Westinghouse Owners Group Core Damage Assessment Guidance” [R]. WCAP-14696,USA NRC (1999).


  [7] Bentaib A and Meynet N,“Overview on hydrogen risk research and development activities: Methodology and open issues”. Nuclear Engineering & Technology,221(1): 26-32 (2015).


  作者简介


  蒋钢,国家电投集团科学技术研究院有限公司,电子邮箱:jianggang@spic.com.cn。

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