本发明涉及人因工程和仪器控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术的核电站主控制室模拟机系统。
背景技术：
在核电站中，主控制室是维持核电站安全和正常运行的重要场所。操纵员在主控制室中集中完成电厂的监视和控制工作。由于人的因素对核电站的安全运行有着至关重要的影响，因此在核电站通常使用主控制室模拟机平台对设计阶段的主控制室的人因工程性能进行验证，并使用模拟机平台构建核电站的真实运行工况场景，用以对操纵员进行训练。
在传统的模拟机技术当中，一般需要1:1构建主控制室模拟机房间的模型，用以完成人因工程验证和训练任务。然而，对于人因工程的验证，在环境条件(如照明设计、装修材质和配色方案等)、设备布置等方面如需对现有设计进行修改或优化，对于已建成的主控制室模拟机房间进行修改非常困难。同时，对于设计方，不同型号的主控制室需要配备不同的模拟机房间进行验证，随着工程项目的更迭，传统模拟机技术存在所占空间大、复用率低的问题。而且，对于运营单位的训练任务，一套占地约300平米的主控制室模拟机平台同时只能供一组操纵员进行训练，对于国内机组数量较多的厂家，需要配备一定规模的模拟机中心才能满足训练需求。由此可见，传统模拟机技术在成本和灵活性方面存在着诸多不足。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统，使用户在虚拟环境中完成对核电站进行监视和控制的训练。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统，其包括模拟装置、虚拟现实服务器和用户界面，所述虚拟现实服务器包括主机，所述用户界面包括VR显示设备和用户输入单元，在实际操纵员佩戴VR显示设备后，所述VR显示设备用于输出虚拟操纵员当前视角和位置信息至虚拟现实服务器的主机，所述主机用于根据该当前视角和位置信息输出相应的画面调用信号至模拟装置，所述模拟装置用于根据该画面调用信号输出虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号至所述主机，所述主机内存储有不同虚拟环境下主控制室三维模型，还用于将当前主控制室三维模型与虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面进行合成，并将合成后的三维图像输出至VR显示设备；所述用户界面的用户输入单元用于输入实际操纵员的控制指令至模拟装置，所述模拟装置还用于根据核电站仪控系统模型和电厂热工水力模型响应该控制指令，并形成虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站更新后的实时画面信号，该更新后的实时画面信号经所述主机合成后再输出至VR显示设备。
可选地，所述用户界面还包括位置操纵单元，用于在实际操纵员的控制下输出相应操纵指令至虚拟现实服务器的主机，所述主机还用于根据该操纵指令控制虚拟操纵员在主控制室内移动，或者使虚拟操纵员在站姿与坐姿间切换，并将虚拟操纵员的实时状态、当前主控制室三维模型和虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面进行合成，然后将合成后的三维图像输出至用户界面的VR显示设备。
可选地，所述位置操纵单元采用操纵杆。
可选地，所述虚拟现实服务器还包括维护输入单元，用于输入维护人员的调整参数至主机，所述主机还用于根据该调整参数调整虚拟操纵员的身高数据、调整呈站姿/坐姿的虚拟操纵员的眼高数据、选择用以模拟的训练场景、调整虚拟环境条件或调整主控制室三维模型的具体参数。
可选地，所述维护输入单元包括键盘和鼠标。
可选地，所述虚拟现实服务器还包括摄像单元，用于实时拍摄用户界面的用户输入单元的图像，并将拍摄到的图像输出至虚拟现实服务器的主机，所述主机还用于将摄像单元拍摄到的图像与当前主控制室三维模型、虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面进行合成，然后将合成后的三维图像输出至用户界面的VR显示设备。
可选地，所述用户输入单元包括键盘和鼠标。
可选地，所述模拟装置包括模拟机服务器，其用于向虚拟现实服务器的主机发送虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号，且发送信号的方式为发送直接视频信号、发送网络视频信号或仅发送关键数据并由虚拟现实服务器的主机生成画面。
可选地，所述模拟装置包括现有模拟机平台、信号切换单元和数据转换单元，所述信号切换单元用于接收虚拟现实服务器的主机输出的画面调用信号，根据所述画面调用信号从现有模拟机平台输出的多路实时视频数据中调出虚拟操纵员当前视野内显示器输出的一路实时视频数据并输出至数据转换单元，所述数据转换单元用于将该路实时视频数据转换成计算机可识别的数字数据并输出至虚拟现实服务器的主机；所述现有模拟机平台还接收用户界面的用户输入单元输出的实际操纵员控制指令，并根据核电站仪控系统模型和电厂热工水力模型响应该控制指令以形成更新后的实时视频数据，所述数据转换单元还用于将更新后的实时视频数据转换成计算机可识别的数字数据并输出至虚拟现实服务器的主机。
可选地，所述数据转换单元采用视频采集卡。
有益效果：
本发明所述基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统使用VR显示设备和其他人机接口在最小化的空间内构建主控制室的虚拟环境，使用户在虚拟环境中完成对核电站进行监视和控制的训练，相比于传统模拟机技术成本较低且灵活性强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的模拟机系统的实施效果图。
图中：100－模拟装置；101－模拟机服务器；102－现有模拟机平台；103－信号切换单元；104－数据转换单元；200－虚拟现实服务器；201－主机；202－摄像单元；203－维护输入单元；300
－用户界面；301－VR显示设备；302－用户输入单元；303－位置操纵单元。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明涉及虚拟现实和计算机仿真等技术，提出了一套基于虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术的核电站主控制室模拟机系统，使用户在虚拟现实的环境中模拟核电站主控制室中执行的各项操作。所述模拟机系统包括模拟装置、虚拟现实服务器和用户界面。其中，所述虚拟现实服务器包括主机，所述用户界面包括VR显示设备和用户输入单元。
在实际操纵员佩戴VR显示设备后，所述VR显示设备用于输出虚拟操纵员当前视角和位置信息至虚拟现实服务器的主机，所述主机用于根据该当前视角和位置信息输出相应的画面调用信号至模拟装置，所述模拟装置用于根据该画面调用信号输出虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号至所述主机，所述主机内存储有不同虚拟环境下主控制室三维模型，还用于将当前主控制室三维模型与虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面进行合成，并将合成后的三维图像输出至VR显示设备，以使得佩戴该VR显示设备的实际操纵员能够看到当前主控制室三维模型与虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面合成后的图像；所述用户界面的用户输入单元用于输入实际操纵员的控制指令至模拟装置，所述模拟装置还用于根据核电站仪控系统模型和电厂热工水力模型响应该控制指令，并形成虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站更新后的实时画面信号，该更新后的实时画面信号经所述主机合成后再输出至VR显示设备，以使得佩戴该VR显示设备的实际操纵员能够看到当前主控制室三维模型与虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站更新后的实时画面合成后的图像。
本实施例中，虚拟现实服务器的主机内存储了不同虚拟环境下主控制室三维模型，且不同虚拟环境下的主控制室三维模型对应不同的训练场景，实际操纵员在执行具体的训练任务之前，可选择与当前训练场景对应的虚拟环境下的主控制室三维模型作为当前主控制室三维模型。其中每种训练场景对应的虚拟环境条件(如照明设计、装修材质和配色方案等)可调整，每种训练场景对应的主控制室三维模型的具体参数(如主控制室内包含的设备数量和设备外形等)也可调整。
可见，本发明所述模拟机系统使用VR显示设备和其他人机接口在最小化的空间内构建主控制室的虚拟环境，为设计者提供人因工程的验证平台，为主控制室环境装修方案的生成和评审提供参考，为操纵员提供训练的手段。下面通过具体实施例详细描述本发明的技术方案。
图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统的结构示意图。如图1所示，所述模拟机系统包括模拟装置100、虚拟现实服务器200和用户界面300。其中，模拟装置100包括模拟机服务器101，模拟机服务器101中存储有核电站仪控系统的逻辑、主控制室内各计算机化工作站实时画面和电厂热工水力模型；虚拟现实服务器200包括主机201、摄像单元202和维护输入单元203；用户界面包括VR显示设备301、用户输入单元302和位置操纵单元303，这些设备可集成在一个办公桌的工位上。
本实施例中，所述摄像单元202可采用现有的摄像头；所述维护输入单元203可包括键盘和鼠标；所述VR显示设备301可采用现有的可穿戴式VR眼镜；所述用户输入单元302可包括键盘和鼠标；所述位置操纵单元303可采用现有的操纵杆。当然，上述设备也可采用能够实现相应功能的其他设备，本实施例对此不作限制。
如图1所示，在实际操纵员佩戴VR显示设备301后，所述VR显示设备301用于输出虚拟操纵员当前视角和位置信息至虚拟现实服务器200的主机201，所述主机201用于根据该当前视角和位置信息输出相应的画面调用信号至模拟机服务器101，所述模拟机服务器101用于根据该画面调用信号输出虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号至所述主机201，所述主机201内存储有不同虚拟环境下主控制室三维模型，还用于将当前主控制室三维模型与虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面进行合成，并将合成后的三维图像输出至VR显示设备301，然后由VR显示设备301输出当前主控制室三维模型与虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面的合成图像；
所述用户界面300的用户输入单元302用于输入实际操纵员的控制指令至模拟机服务器101(即实际操纵员通过用户输入单元302向模拟机服务器101输入控制指令)，所述模拟机服务器101还用于根据核电站仪控系统模型和电厂热工水力模型响应该控制指令，并通过画面的形式将反馈结果展示给实际操纵员，具体为形成虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站更新后的实时画面信号，该更新后的实时画面信号经所述主机201合成后再输出至VR显示设备301，然后由VR显示设备301输出当前主控制室三维模型与虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站更新后的实时画面的合成图像。
本实施例中，VR眼镜(VR显示设备301)用于向用户(实际操纵员)提供主控制室的虚拟图像，该图像中包含了主控制室的虚拟环境及虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面。用户界面300的用户输入单元302直接与模拟机服务器101相连，实际操纵员的控制指令(包括控制命令和监视需求)直接发送到模拟机服务器101中，由模拟机服务器101接收并响应该控制指令，并将反馈体现在输出的画面信号中，以获得虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站更新后的实时画面，该更新后的实时画面在主机中与其他图像合成后再通过VR显示设备301展示给用户，形成完整的虚拟现实环境下输入和反馈的回路。
用户界面300的位置操纵单元303用于在实际操纵员的控制下输出相应操纵指令至虚拟现实服务器200的主机201，所述主机201还用于根据该操纵指令控制虚拟操纵员在主控制室内移动，或者使虚拟操纵员在站姿与坐姿间切换，并将虚拟操纵员的实时状态(包括移动位置、站立/坐下状态等)、当前主控制室三维模型和虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面进行合成，然后将合成后的三维图像输出至用户界面300的VR显示设备301。实际操纵员使用操纵杆(位置操纵单元303)控制虚拟环境中的虚拟操纵员在主控制室内移动或切换站姿/坐姿，以使得实际操纵员无需移动就可控制虚拟操纵员在虚拟场景内的位置和状态并执行相应的训练任务，极大地减少了每组实际操纵员所需的实际训练场地的面积，有效地提高了空间利用率。
由于基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统的重点是在最小化的空间内模拟操纵员使用主控制室的人机接口来监控电厂，因此虚拟操纵员在主控制室内的物理运动并不是本发明的重点，在实施例中仅通过位置操纵单元303(操纵杆)来实现虚拟操纵员的方位移动和站/坐姿切换，并通过VR显示设备301在虚拟的主控制室内对电厂进行监控。
较优地，虚拟现实服务器200的主机201结合VR显示设备301输出的虚拟操纵员当前视角和位置信息，以及位置操纵单元303输出的操纵指令，计算出虚拟操纵员当前视野内的计算机化工作站，并形成对应的画面调用信号至模拟机服务器101，以更加精确地调取虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号，从而使主机201获取到所需的画面信号，并完成三维图像的实时渲染。
本实施例中，虚拟现实服务器200的主机201的功能是利用计算机三维图形程序生成虚拟环境下主控制室的实时图像，其中包含了由模拟机服务器101提供的虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面通过仿射变换后投影到当前主控制室三维模型上形成的图像，同时也包含了实际操纵员通过操纵杆(位置操纵单元303)控制的虚拟操纵员在虚拟环境中的实时状态信息(包括移动位置、站立/坐下状态等)，合成后的三维图像再通过VR眼镜展示给实际操纵员。当需要执行电厂相关操作的训练任务时，实际操纵员可使用用户界面中的用户输入单元302向模拟机服务器101发出控制指令，并在VR眼镜中观察反馈结果。
前已述及，每种训练场景对应的虚拟环境条件(如照明设计、装修材质和配色方案等)可调整，每种训练场景对应的主控制室三维模型的具体参数(如主控制室内包含的设备数量和设备外形等)也可调整，为了实现该调整目的，本实施例中，虚拟现实服务器200中设置了维护输入单元203，其用于输入维护人员的调整参数至主机201(即维护人员通过维护输入单元203向主机201输入调整参数)，所述主机201还用于根据该调整参数调整虚拟操纵员的身高数据、调整呈站姿/坐姿的虚拟操纵员的眼高数据，以适应不同的实际操纵员，以及选择用以模拟的训练场景、调整虚拟环境条件或调整主控制室三维模型的具体参数，还能对程序代码进行修改。
此外，由于实际操纵员佩戴VR眼镜时不方便确定用以输入控制指令的键盘和鼠标(即用户输入单元302)的位置，给模拟训练的操作造成了一定的困难，为了克服该困难，虚拟现实服务器200还配备了摄像单元202，其用于实时拍摄用户界面300的用户输入单元302的图像，以监视用户界面的用户输入单元，并将拍摄到的图像输出至虚拟现实服务器200的主机201，所述主机201还用于将摄像单元202拍摄到的图像整合到虚拟现实服务器的主机生成的图像中，具体为将摄像单元202拍摄到的图像与当前主控制室三维模型、虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面进行合成，然后将合成后的三维图像输出至用户界面300的VR显示设备301，以使得用户能够调用用以输入控制指令的用户输入单元302的实时图像，即看到用以输入控制指令的键盘和鼠标的实时图像，用户可调用该图像以配合键盘和鼠标的操作，因而为用户操作提供了便利。
较优地，虚拟现实服务器200的主机201能够实现主控制室三维模型、模拟机服务器101输出的实时画面信号以及摄像单元202拍摄的用户输入单元302的图像的合成，并实时输出到VR显示设备301中。
本实施例所述模拟机系统相对于传统的模拟机技术更为灵活，具体为，本实施例所述模拟机系统可以在设计的各个阶段自由调整虚拟主控制室的环境条件和布局情况，可以随时验证虚拟主控制室各个方面(如照明、布局、设备外形等)的不同设计方案。而传统的模拟机技术中，需要通过MOCKUP的形式对主控制室布局和设备外形设计进行推演后再建立主控制室模拟机，且主控制室建成后很难再进行大范围修改。在这一方面，本实施例所述基于虚拟现实技术的主控制室模拟机系统可以取代人因工程审查大纲中要求的MOCKUP活动，并将光照、材料反射等因素在建立真实的主控制室模拟机之前体现到设计验证的模型当中，使设计成果更加真实可靠。
此外，本实施例所述基于虚拟现实技术的主控制室模拟机系统可在极大程度上减小模拟机所占面积。以电厂的模拟机训练中心为例，一套传统的主控制室模拟机平台需要约300平米的房间来训练一组操纵员，而基于虚拟现实技术的主控制室模拟机系统每个操纵员仅需要一个单人工位就能模拟在主控制室中的工作环境，一组操纵员仅需约30平米的房间即可完成训练任务，极大的提高了空间利用率。对于设计者的模拟机验证平台，一套VR显示设备可以用来模拟多套主控制室的方案，提高了主控制室模拟机系统的复用性。
图2为本发明实施例提供的另一种基于虚拟现实技术的核电站主控制室模拟机系统的结构示意图。本实施例可配置为扩展现有模拟机平台的系统，且实施扩展功能时在现有模拟机平台的基础上增设信号切换单元、数据转换单元、虚拟现实服务器和用户界面。因此，图2所示的模拟机系统与图1所示的模拟机系统的区别在于：二者的模拟装置100的结构不同。
如图2所示，本实施例所述模拟装置100包括现有模拟机平台102、信号切换单元103和数据转换单元104。
需要说明的是，现有模拟机平台为核电站运行单位的实际操纵员训练平台或工程设计单位的设计验证平台，本实施例对现有模拟机平台102的型号、规格甚至实现方式均不作限制，只要能输出其所包含的显示器的视频数据即可，且现有模拟机平台102一般包括多台显示器并具有标准视频输出接口(如VGA接口)，相应输出多路实时视频数据，这多路实时视频数据需经过信号切换单元103的切换，选出虚拟操纵员当前视野内显示器输出的一路实时视频数据，由于视频数据为模拟信号，需要经过数据转换单元104转换成计算机可识别的数字数据后再发送至虚拟现实服务器200的主机201，以合成实时三维图像；此外，现有模拟机平台102还具有信号输入接口，以接收用户输入单元302输出的实际操纵员控制指令。信号切换单元103可采用现有的视频信号切换器；数据转换单元104可采用现有的视频采集卡。
具体地，本实施例中，所述信号切换单元103用于接收虚拟现实服务器200的主机201输出的画面调用信号，根据所述画面调用信号从现有模拟机平台102输出的多路实时视频数据中调出虚拟操纵员当前视野内显示器输出的一路实时视频数据并输出至数据转换单元104，所述数据转换单元104用于将该路实时视频数据转换成计算机可识别的数字数据(对应于前述虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号)并输出至虚拟现实服务器200的主机201，经主机201合成后再输出至VR显示设备301；所述现有模拟机平台201接收用户界面300的用户输入单元302输出的实际操纵员控制指令，并根据核电站仪控系统模型和电厂热工水力模型响应该控制指令以形成更新后的实时视频数据，所述数据转换单元104还用于将更新后的实时视频数据转换成计算机可识别的数字数据(对应于前述虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站更新后的实时画面信号)并输出至虚拟现实服务器200的主机201，经主机201合成后再输出至VR显示设备301。
本实施例所述模拟机系统与实施例1所述模拟机系统的相关特征可以相互参考。
上述两种模拟机系统的实施效果图详见图3。
综上所述，本发明所述模拟机系统由模拟装置提供虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号，再由虚拟现实服务器实现虚拟操纵员当前视野内计算机化工作站的实时画面信号与当前主控制室三维模型的合成渲染，生成的图像由VR显示设备提供给实际操纵员(用户)，并对实际操纵员的控制指令予以相应反馈，从而基于VR技术1:1构建了虚拟的主控制室模拟机房间，相对于传统的模拟机技术，本发明所述模拟机系统的成本低、灵活性强，在工程设计初期既克服了传统模拟机技术存在的缺陷，又可以优势互补、提高设计验证和操纵员训练的效果。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。