[转帖]论仿真技术及其产业化

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　　论仿真技术及其产业化

　　作者：游景玉

　　【摘 要】十几年前，对大多数人都还非常陌生的仿真技术发展到今天，不但已经广泛地应用于各个科技领域，而且还推广应用到许多非工程领域及国民经济各部分，人们已经能有效地对仿真系统进行分析、研究、设计和操作了。在这发展的里程中，许多的科技成果出现，仿真技术的发展推动了产业化进程的来临和蓬勃发展，并正在迎接更艰难的挑战。世界上各个国家，都有很多的专家学者在研究仿真控制技术，相关的技术水平，天天在进步，形成一种强大而且持续不断的推动力量。世界上也有很多各种不同的仿真机制造厂家与学校，但是上规模形成产业化的厂家与学校数量却是有限的，而且它们只能维持一定的数量水平。本文提出了从科技成果到实现产业化不同角度引出的问题和思考，再通过仿真技术学科在需求中形成，和在信息技术发展推动下涌现大量科技成果，以及实现产业化的实践中悟出产业化的内涵、环境、条件、问题与对策，以及产业化的发展对仿真技术的快速推动力。

　　【关键词】产业化、支撑软件、仿真机、质量保证、项目管理、仿真技术、系统仿真、实时仿真、实时、教练员工作站、人才

　　引言

　　仿真控制技术所包含的范围是多方面的，包括了总体设计技术、各类模型软件技术、硬件应用技术、支撑软件技术、计算机应用技术、通讯技术、接口技术、联调技术等，任何一个人想要掌握整体的东西，基本上是不可能的。只能*一个集体，一个公司才能比较完整地掌握它们，进而形成比较有效、有系统的推动力量。

　　如今，世界上已经有多种不同类型的仿真机被制造出来，并且在不同的领域应用着。由于不同的需求与投资的大小，所制造出来的仿真机水平、功能和规模是有所不同的。有的仿真机是为了简单的基本培训，有些则是为了进一步技术的研究。应用的范围不同，所需的设备也有所不同。

　　一个很好的仿真控制技术研究，要在仿真机制作方面，形成具体的成果，必须满足多方面的要求，进而形成最佳方案的组合：任务、资金、设备、工期、成果水平等。

　　很多时候，想要比较不同的仿真机水平，主其事者要花相当多的工夫，多方面的研究与分析，才能得出客观的结论。不然就可能形成瞎子摸象，得到局部或片面的偏见，误导事实的真正情况。比较的内容最少应包括：合同内容及其执行、技术水平、工期要求、造价标准、质量保证、售后服务。

　　不管仿真机制作的目的是什么，任何一台够水平的仿真机，都需要有很好的仿真机制作厂家：有能力执行双方认可的合同、满足工期要求并及时完成合同要求、确保造价适中、质量保证体系、良好工程与项目管理、长期售后服务以确保仿真机在投产以后能长期合理地运作。

　　仿真机制造厂家需要：多方面人才队伍、管理才能和水平、服务理念、市场意识。要让仿真机制造成功的产业化，仿真机制造厂家需必须：

　　● 要拥有多方面先进并努力不断创新的仿真技术;

　　● 要拥有制造厂家的基本能力;

　　● 要让所有的用户和可能的用户都感到满意;

　　● 要配合社会的进步和需求，有多方面打开市场的能力。

　　1. 仿真技术学科的形成和成果涌现

　　1.1 学科在大量需求中形成

　　首先把思路追溯到仿真技术由来，系统仿真及学科的形成，再分析仿真机(或系统)的重要应用成果的出现以及仿真机制造产业的形成、特点、现实意义和存在问题和对策，才能客观地认识。十几年来，在中国不仅仿真技术的发展取得重要成果，而且其产业化的进程为21世纪我国的政治、经济、军事、科研、工业等诸方面有深远的影响和重要意义。几十年前，世界工业社会的发展，出现了诸多的系统。所谓系统是指相互联系又相互作用着的对象有机的组合体。比如电网，也可以看作是一个系统，它由很多电厂、输电、变电站(高压、低压)组成。所以根据系统的物理性质，又可分成工程系统(如电力、化工、热力等)及非工程系统(如金融、经济、生态、人口等)。

　　随着社会的发展、科技的进步，系统也越来越复杂了。因此不论是分析一个现有的系统，还是设计一个新的系统，都需要进行一定的分析研究。如果直接用真实系统进行实验，往往是不经济或不安全的，甚至也是不可能的。比如，我们在核电站中的运行中，是绝不可能人为地去做核泄漏试验，或人为的核反应控制系统失灵试验等。对于那些非工程系统，如经济、人口、社会等系统，做真实的试验也是极难的或是不能的。因此，现实中很多复杂的或运行的、或重要的、或危险的系统，只能通过仿真的方法，来获取信息进行分析，这就出现了系统仿真的需求，产生了系统仿真的技术。总之，系统仿真就是建立一套系统的模型，并在模型上进行实时或非实时的试验。

　　在计算机出现之前，人们只采用物理仿真，那时，仿真技术附属于其他学科之中，随着计算机的发展，应用扩展需要解决共性的理论、方法、技术、标准等，使仿真技术逐渐形成一门独立的十分重要的学科。近三十年，系统仿真发展成一门综合性很强的新兴技术学科，并根据系统的特性或仿真系统的特点可以分为：

　　● 按系统模型：可分为连续系统仿真和离散系统仿真;

　　● 按有无实物参加仿真：可分为数学仿真(计算机仿真)、半物理仿真及物理仿真;

　　● 按时间标尺：可分为实时仿真、超实时仿真和欠实时仿真;

　　● 按计算机的种类：可分为模拟计算机仿真、数字计算机仿真和混合计算机仿真。

　　目前世界上各国都很重视仿真技术的研究和发展。世界上各个国家都有很多的专家学者在研究仿真、控制技术，相关的技术水平天天在进步，形成一种强大而且持续不断的推动力量。

　　1.2 仿真技术应用成果在信息技术快速发展的进程中涌现

　　各种领域应用的仿真机(或系统)出现是近十几年来仿真机技术应用成果的重要表现。70年代，由于美国三浬岛核电站的事故，使复杂的核电站操作培训引起了世界的重视，也把核电站仿真机的制作推到重要的地位，在国际市场上的仿真机价格十分昂贵，直到80年代仍处在高昂的价位，如，一台300MW的火电站全仿真机需500~600万美金;核电站仿真机需1500万美金左右。这种高价位的需求和计算机等技术的发展为仿真技术发展创造了良好环境和出现新成果的条件。这些条件归纳为：

　　(1) 计算机科学的迅猛发展，作为仿真用的计算机种类增多，不必依赖于原来的专用仿真计算机，可选择的范围增加了;运行速度加快，内存以兆位数量级增加，价格大幅下降，为仿真系统的实现创造了良好的条件，使仿真模型精度提高，实时性好，在有限的经济条件下，实现高性能的仿真技术。

　　(2) 由于计算机的应用已深入到人类社会活动和生活的一切领域，信息的快捷，各种数据的积累，对系统特性的分析、了解和掌握，为仿真系统实现创造了数据基础条件。

　　(3) 由于计算机软件平台、数据库、工具软件的发展为仿真关键技术的仿真支撑软件的提高创造了良好的软件环境，有利于提高仿真系统实现的效率。

　　(4) 随着计算机技术迅速发展的相关技术，如多媒体技术、图形图像技术、人工智能、网络等技术的发展，为仿真系统功能的扩展提供了技术基础，同时也推动仿真技术的范围、水平的发展。人们特别对逼真性、对感觉的真实度等等都提出更高的要求。社会发展，带来了对仿真系统需求的增加，计算机科学技术迅猛发展，又带来了相关技术的飞快发展，作为一门综合性很强的新兴技术学科--仿真技术，正面临着新的挑战。

　　目前，仿真对象已是人们所需要的一切系统。随着仿真对象的各系统本身现代科技的进展，对仿真的功能需求越来越多，对仿真的水平和精度要求也越来越高。同时，计算机及相关技术发展也为仿真技术水平、效果的要求创造了良好的条件。

　　1.3 六项技术关键点

　　近些年来，我国在仿真技术应用方面，不仅取得很多重要成果，而且还在世界仿真领域占一席之地并获得成功。重要技术指标达到和超过国际先进水平。现以我国科技人员自行设计和开发并成功投入运行的秦山一期核电站300MW全范围仿真机，所解决的6项技术关键点及其主要技术指标和国际先进水平的比较，分别说明如下。

　　核电机组全范围仿真机是集多学科领域技术的的高科技系统工程项目，涉及实时计算与控制技术、数学物理模型、过程控制、控制盘台设计制造、仪表制造、核反应堆物理、热工水力学、热能动力、网络技术、计算机图形图象技术、核电运行及大型工程项目管理等。目前只有美国、英国、法国、加拿大等少数几个国家能制造核电站全范围仿真机。

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　　技术关键点1：国际先进水平的数学物理模型

　　(1) 真正二群、三维反应堆中子动力学模型

　　本模型以二群三维中子扩散方程为基础，对时间和空间实行变量分离，即：

　　Φ(r, t)=Ψ(r, t)Τ(t)

　　并由此推导形状函数Ψ(r, t)和振幅函数Τ(t)的方程，求解中子通量。在堆芯展开真正的三维扩散计算。

　　本模型与以往的堆芯仿真模型相比具有以下创新：

　　● 对形状函数进行动态计算，而不是忽略其对时间的导数;

　　● 以往的模型，往往将径向形状函数预先计算，做成与反应堆状态有关的分别函数库(如国内有些核电站的仿真机即采用此做法)，但由于控制棒操作及堆芯状态是无限可变的，这种做法误差较大，有时甚至产生误导。本模型则采用实时结算求解形状函数。从而逼真仿真堆芯瞬态和事故过程;

　　● 由"一群半"模型(忽略热中子扩散项)改进为两群模型，中子通量，特别是堆芯边界附近中子通量的更为精确。由于热中子计算的加入，使得计算量大为增加。为了提高计算效率，在通量计算中，采用热中子输运核法(Thermal Neutron Transport Kernel Method)来取代线性扩散法(Linear Diffusion Method)，使模型计算速度和精度有了量级上的提高，有效实现实时计算。

　　(2) 核反应堆冷却剂两相流热工水力模型

　　热工水力学模型是基于五个基本守恒方程的非平衡、非均匀两相流模型，采用临界流模型计算破口流量，能处理系统任何位置上的破口事故。

　　模型采用动量环路积分法，即将动量方程沿环路积分，动量方程中的 P/ Z项的积分为零，这将大大简化计算，同时求解过程也稳定很多。热工水力模型在基本公式、计算范围、计算精度方面与安全分析程序相当。可完成从正常运行到极限事故等工况的仿真，克服了国际上常见的极限事故(如LOCA)要切换模型的问题。成功地兼顾了实时仿真和最佳预估分析能力。

　　(3) 多节点、两相流安全壳实时动态仿真模型

　　安全壳实时动态仿真模型是一个两相多元多节点模型。模型以动量、质量、能量守恒方程为基础，考虑到两相间的闪蒸、冷凝过程、两相间的非平衡态及瞬态热力效应。整个安全壳被划分为15个区间，模型考虑到所有进入每个区间的质量流量及热量，通过对每个区间进行能量平衡计算，以及水、水蒸汽、N2、O2、H2等不凝性气体的质量平衡计算，从而求解安全壳不同区间的压力, 放射性水平、温度和湿度等参数。

　　与国际上目前较多采用的单节点、集总参数模型相比，本模型能更准确计算安全壳内的温度、压力、湿度、放射性水平的分布，在异常和严重事故工况下，为操作员提供事故判断的训练(集总参数模型无法反映测点间的差异)，同时，在严重事故工况下安全壳对回路系统的影响也能更准确计算。该模型也可用于对安全壳的动态分析。

　　(4) 模型仿真范围

　　本仿真机可完成从换料停堆到满功率运行的所有正常运行工况及包括极限事故在内的各种事故工况(包括ATWS)的仿真。在堆芯物理方面，完成了初始循环和平衡循环的BOL、MOL、EOL三个燃耗点的仿真。

　　(5) 模型自动生成工具的开发

　　成功开发了流体网络系统、逻辑控制程序自动生成系统、设备程序自动生成系统，它们的应用使得程序编制、调试的效率大为提高，也增加了规范性。在开发大型应用程序之前先开发工具软件，将人从机械的编程中解放出来。亚仿公司通过秦山300MW核电机组全仿真机项目的研制，形成一系列工具软件，为今后复杂仿真机项目的研制提供了方便，减少了重复性劳动，也解决了程序编制过程中，因人员素质的离散而导致软件质量离散的问题。

　　(6) 其它

　　对失水事故(LOCA)的仿真，是核电站模型软件的指标性的技术要点和难点。本仿真机用同一模型实现了对不同位置的从小破口到双端断裂的事故的仿真，与切换模型的LOCA计算方法相比，是显著的技术进步。同时，完成了9个超设计基准事故即ATWS瞬态的仿真，这超出了核电站仿真机国际标准的要求，到目前为止尚未有资料说明其它核电仿真机进行ATWS的仿真。这也显示了仿真机软件整体技术先进性和协调性。通过ATWS的仿真，是仿真机可完成全部应急操作规程的验证和培训。

　　联调是核电站仿真机开发的调试的问题交汇点和瓶颈。面对此庞大的系统，要搞好设计，工程管理和调试是非常复杂的。世界仿真协会主席在了解到中国第一次做核动力仿真时，不相信中国人会在36个月的时间内造出仿真机，指出硬件、软件联调是我们难以逾越的难关。事实证明，我们不仅在三个月的时间就完成了系统联调，而且比预定工期提前完成了整个项目。

　　总之，通过建立高精度的先进物理模型，使得仿真机的逼真度、培训范围、实时能力、分析能力都达到最优。 技术关键点2：亚仿公司高级仿真支撑软件(简称ASCA)

　　仿真支撑软件对于高水平高质量的全范围仿真机来说是至关重要的。亚仿公司为核电仿真机的开发，研制出一套具有九十年代国际先进水平的具有自主知识产权的高级支撑软件。

　　ASCA是一个完整的支撑实时仿真软件开发、调试与运行的软件工具。它除具有一般仿真支撑软件的编译、连接、装载、数据库管理、实时运行控制功能外，更针对核电机组仿真机计算量大、调试复杂的特点，还具有以下功能：

　　● ASCA支持多个单独的、并行的仿真开发环境，在每个开发环境下可以互不干扰地修改和调试各自的仿真模块和数据库。这些仿真开发环境可以建立在同一个主计算机上，也可以分布在不同的工程师工作站上，它们通过主计算机上的共享内存来实现进程间通讯。

　　● 模块的重装与局部重装。

　　● 数据库有严格的权限管理，对模块的修改权限和数据库点的写权限，都有属主要求。从而杜绝系统间的交*错误传递。

　　● 错误诊断功能，有多种方式对错误进行诊断，错误的发现可精确到程序的行和数据库的变量名。

　　● 对模块计算速率无限制，用户自定义。

　　● 具有数据库储存方式的优化和自动校验(Verification)功能。

　　ASCA适于支撑各种类型仿真系统的开发、调试，是秦山300MW核电机组全范围仿真机成功开发的技术基础。它还可应用到安全分析、设计验证仿真(包括半实物试验)等领域，如将RETRAN02和RELAP5实现实时控制。同时ASCA的成功研制也打破了引进的仿真软件在核动力和军事应用方面的种种限制。

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　　技术关键点3：先进的教练员工作站

　　教练员工作站软件采用标准的UNIX操作系统作为平台, 应用最新的X-Window窗口技术，以标准C语言及强大的Motif技术作为人机界面的支撑, 提供仿真控制调节功能、显示和在线访问数据库的功能。通过教练员工作站软件, 教练员能设置培训项目、评价学员操作、监视仿真机盘台、就地操作台和各种参数, 为工程师提供仿真分析。教练员及工程师可根据需要对教练员工作站的图形界面进行修改。教练员工作站还具有无线遥控的功能。

　　另一方面，结合国际原子能机构(IAEA)近年提出的系统化培训(SAT)的要求，教练员工作站提供计算机辅助练习和强大的课程库、试题库功能，与学员评价功能一起，为用户提供系统的培训和考核工具。

　　教练员工作站可直接调用电站监控机的功能，同时也提供图形化安全参数显示画面，方便教练员监控电站运行状态。

　　该教练员工作站成为功能丰富、控制灵活、操作方便、评价科学、图文并茂的仿真培训控制界面工具。 技术关键点4：成功全面仿真(Simulation)法国Solar计算机系统

　　通过PPC系统的仿真使我们掌握了核电站监控系统的仿真技术，形成了一套电站计算机仿真工具软件XI。与国际上通常采用的Stimulation(购买实物)的方法比较，这是一条符合中国国情的技术路线，是降低仿真机造价的重要方法，也避免了①由于PPC不受教练员台控制而带来的一系列技术问题和软件的黑匣子问题;②花费达百万美元计的PPC系统的硬件备件和维护的困扰。

　　技术关键点5：硬件设计和特殊仪表开发

　　由于核电站全范围仿真机要求外观和特性严格逼真，"操纵员在仿真主控室中，有与实际主控室完全一致的感觉"(ANSI/ANS3.5-1993)，对主控制室的盘台及核测盘、应急盘、不仅在功能上进行了仿真，在外观(外形、尺寸、类型及盘面布置)上也达到以假乱真的程度，使受训人员有完全一致的现场主控室环境感觉。

　　本项目还开发完成了大量核电站特殊仪表，如硼浓度控制指示系统、控制棒棒位指示系统等，在外观和功能上再现现场的情况。每一个特殊仪表的开发都相当于一台新仪表设备的开发，从这个角度讲，核电站仿真机是凝结着大量智慧的大型非标产品的集合。

　　该仿真机硬件盘台大54米，4000多个设备，15000多个I/O通道，系统复杂，联调工作量大。最终成功集成控制盘台、计算机系统、I/O接口系统、教练员工作站站(含就地站)、监控机及计算机网络系统等硬件设备。

　　技术关键点6：国际先进水平的验收测试标准

　　国内尚无核电站仿真机的标准。本文讨论的核电仿真机采用了最新美国国家标准ANSI/ANS3.5-1993。

　　对该仿真机的测试，用户组织中国核动力设计研究院、上海核工程设计院等权威单位的人士组成专家小组进行测试。除依据核电厂《最终安全分析报告》(FSAR)、设计数据和现场实际记录数据外，还专门委托设计院用安全分析程序(RETRAN和RELAP)进行大量的瞬态过程、事故过程的运算，将计算结果与仿真机测试结果进行比较验证。

　　验证结果表明，本仿真机全面满足标准的要求，部分指标超过了标准的要求。

　　资料来源：中国技术创新广东省信息网 www.gdtg.com.cn

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