基于LabVIEW的反应堆辐射监测系统虚拟化设计

第３Ｏ卷２０１０年第４期　４月　核电子学与探测技术　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＬ　３Ｏ　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．　２０１０　基于ＬａｂＶＩＥＷ的反应堆辐射监测　系统虚拟化设计　罗毅明　，贾铭椿　，龚军军　，陈　宏　（１．海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉４３００３３；２．９２７３０，辽宁大连１１６０２５）　摘要：将虚拟仪器的思想应用于辐射监测系统训练模拟器的开发，利用ＬａｂＶＩＥＷ语言既实现了辐　射监测系统的仿真，同时将训练模拟器的硬件台屏操作面板（辐射监控台）虚拟化，实现了虚拟仪器与仿　真的结合。主要阐述了操作面板的设计、辐射源模型的建立和教控系统的设计。　关键词：辐射监测系统；虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ训练模拟器　中图分类号：　ＴＬ　７５．１　文献标识码：　Ａ　文章编号：０２５８—０９３４（２０１０）０３－０５０６－０４　辐射监测系统是保障核电站总体辐射性　能、保障工作人员辐射安全和核动力装置运行　安全的重要系统，主要涉及对重要设备、元件完　真，同时将传统训练模拟器的硬件台屏监控台　虚拟化，在计算机上即可实现训练模拟器的功　能，具有很好的应用前景。　整性的监测，放射性流出物的监测和控制区内　辐射场的监测。辐射监控台是实现辐射监测的　关键设备，辐射安全员可在此操作整个辐射监　测系统，了解核电站的辐射水平。因此，对辐射　安全员的培训和考核也就成了核电站人员培训　的一项重要内容。现在对安全员的培训主要靠　传统的训练模拟器，即半实物仿真模拟器［１］，其　模拟监控台与实际辐射监控台具有相同的硬件　台屏，因而成本较高，维护和升级比较麻烦。　虚拟仪器ＶＩ（ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）是一种　创新的仪器设计思想，是仪器系统和计算机软　件技术的紧密结合，具有开发成本低，维护和升　级方便，使用灵活等优点。ＬａｂＶＩＥｗ是一种　应用最广泛的基于Ｇ语言（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｌａｎ—　ｇｕａｇｅ，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发　平台，同时还有强大的控制与仿真能力ｒ２］。利　用Ｉ　ａｂＶＩＥｗ语言可以对辐射监测系统进行仿　１　系统总体框架设计　辐射监测系统是核电站工艺的组成部分，　主要包括区域辐射监测系统和工艺辐射监测系　统，以及对这些系统进行监测和管理的辐射监　控台。　开发虚拟辐射监测系统训练模拟器的主要　目的是对辐射安全员进行训练和考核，所以虚　拟辐射监控台只模拟辐射监测系统（正常运行　或者发生事故）各个探测器测量数据的变化、取　样控制系统、报警系统等部分，不模拟现场实际　的一次仪表、手动阀、电动阀、电磁阀、抽气泵　等，而仅模拟其在辐射监控台上的控制操作功　能。　因此，虚拟辐射监测系统的设计工作主要　有以下三个方面：　（１）建立简单的辐射源数值计算模型，并且　模拟辐射监测系统在各种状态下的工作过程。　（２）模拟辐射监控台对辐射监测系统的控　制操作功能、数值显示及声光报警功能。　（３）编制教控系统，对辐射监测系统的事故　收稿日期：２００７－０７－０７　作者简介：罗毅明（１９８４－），男，广东韶关人，硕士研　究生，从事辐射防护和探测技术的研究。　５０６　和故障状态进行模拟，实现训练模拟器的考核　功能。　根据虚拟辐射监测系统训练模拟器的设计　２训练机模块的设计　２．１辐射监控台操作面板设计　要求，将整个软件设计分为两大模块：训练机模　块和教练机模块，如图１所示。在训练机ＶＩ　中，前面板设计窗口Ｆｒｏｎｔ　Ｐａｎｅｌ主要对辐射监　测系统操作面板（辐射监控台）进行设计，包括　数值显示、逻辑控制和声光报警等；流程图设计　窗口Ｂｌｏｃｋ　Ｄｉａｇｒａｍ主要是对监测数据的处　理，包括辐射源模型，测量统计涨落的模拟等，　辐射监控台是辐射安全员操作辐射监测系　统的主要工作平台，对于虚拟辐射监控台，我们　只需对探测器监测的数据显示、取样系统的逻　辑控制功能以及报警系统的声音和灯光部分等　进行模拟。　对这些控制操作功能进行分析，可以发现　就是由数值显示、逻辑控制和声光报警几个部　分组成。利用ＬａｂＶＩＥＷ中的Ｎｕｍｅｒｉｃ和　Ｂｏｏｌｅａｎ里的控件，即可对辐射监控台进行前　并编写程序控制操作界面的输人和输出功能。　在教练机ＶＩ中，主要是对教控系统的设计，通　过ＬａｂＶＩＥＷ的ＶＩ　Ｓｅｖｅｒ技术实现训练机ＶＩ　和教练机ＶＩ之间的通信，而且教练机还可向　训练机发送教控指令，模拟事故和故障的发生。　面板设计。然后在数据流框图中，根据这些控　件的实际控制操作功能，对前面板控件的图标　连接端口进行编程，从而实现了与实际辐射监　控台具有相同的操作控制功能。以元件包壳破　损监测取样系统为例，图２是简化了的元件包　壳破损监测取样系统图。对于图２中的电磁阀　Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ和电动调节阀Ｍ，都可以在Ｌａｂ—　ＶＩ　＾，前面板中的Ｂｏｏｌｅａｎ控件里选择ＯＫ　Ｂｕｔｔｏｎ来进行设置。然后在流程图框图程序　中，赋予这些控件以不同的逻辑控制功能。由　图１虚拟辐射监测系统结构图　图２可知，电磁阀Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ开关控制组合指　令一共有Ｐ：种，再加上电动调节阀Ｍ，组合方　电磁阀Ａ　集　；ｉ　总Ｔ探测器　电磁阀Ｂ　冲洗水　图２兀件包壳破损监测取样系统简图　式就更加复杂了。在不同的组合下，都应有相　应不同的测量值在虚拟辐射监控台上显示。图　同样地，辐射监测系统中的蒸汽发生器泄　漏监测取样系统、排污水监测取样系统、空气监　３是ＬａｂＶＩＥＷ前面板设计的元件包壳监测取　样控制图。　ｒＩ　ｌ缓发中予总Ｔ　婚借由罕　测取样系统等其他系统的控制操作功能也可以　在虚拟辐射监控台上很好地实现。　２．２皿　翼疋瑚日　ｌ丹　Ｌ“　监测数据的计算机处理　　堙　净化　电囊　—　Ａ＝Ｉ＝　—・卜　—⑦　器电　Ｂ　，　囊　““　２．２．１辐射源的简化及其模型建立　釜　测系统的监　Ｉ电磁阀ｃ　Ｉ电磁阕Ｂ　图３虚拟辐射监控台元件包壳破损监　测取样控制图　Ｌ●卜排放水Ｌ－＿冲洗水　测对象。根据辐射源的来源可以将辐射源分为　两大类：一是封闭源，包括堆芯源项和一回路冷　却剂源项，二是气载放射性物质源　。　对于以研究为目的的仿真，堆芯辐射源剂　量应该是通过反应堆一次屏蔽计算和二次屏蔽　计算得到的，这样的计算一般都采用国际上求　解压水堆中子和射线在屏蔽体中输运问题最为　有效和通用的软件，例如ＡＮＩＳＮ软件、Ｄ０Ｔ　软件和ＭＣＮＰ大型蒙特卡罗程序。这样得到　的结果可信度高，是反应堆屏蔽设计的依据。　然而，对于开发虚拟模拟器的计算机，利用上述　大型计算程序，是无法实现对各种工况下中子　和７辐射场的实时计算的；从训练模拟器的实　际需求来看，上述计算也是没有必要的。虚拟　图５功率与吸收剂量率的多项式　辐射监控台的主要目的是为接受培训的操作人　员提供各种工况条件下正确剂量变化趋势的显　示，操作人员根据实际情况给出相应的处理和　操作方法。　从核电站的实际运行经验来看，堆芯外的　中子和７射线的吸收剂量率主要与反应堆功率　成某种函数关系。我们可以根据核电站运行的　大量实际数据，采用最小二乘法多项式拟合，回　归分析得到堆芯外中子和　射线的吸收剂量率　Ｄ和反应堆功率Ｐ的函数关系。利用Ｌａｂ—　ＶＩＥＩＷ的Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　Ｆｉｔ．ｖｉ，对大量数　据进行了计算和分析后发现，取Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　Ｏｒｄｅｒ等于３，即当最佳拟合系数（Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　Ｆｉｔ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）为四个时，拟合效果已经非常　好了，完全可以满足训练模拟器的要求，如图４　所示。根据曲线拟合的知识，我们可以认为吸　收剂量率和反应堆功率的函数关系可以用下式　表示：　Ｄ＝ａｏ＋ａｌＰ＋ａ２Ｐ。＋ｎ３Ｐ。　其中ａ。，ａ　，ａｚ，ａ。为最佳拟合系数。于是　根据设定的任意功率Ｐ，便可计算出相应的吸　收剂量率Ｄ。在ＬａｂＶＩＥＷ中的实现如图５所　示。　图４吸收剂量率和反应堆功率的　实际数据和拟合曲线　２．２．２测量数据统计涨落的模拟　原子核的放射性衰变是一个统计过程。在　５０８　拟合程序框图　辐射测量中，涉及的量都是随机事件，所以在测　量中存在计数统计涨落。简单的放射性衰变及　伴随射线的计数，对正常运行的测量装置来说，　在大多数情况下是服从泊松分布的［钉。泊松分　布为离散型分布，其分布律为：　Ｐ｛ｘ一　｝一＾＿午，　＞０，ｌ，２，…　在虚拟辐射监控台软件中模拟放射性衰变　的统计涨落这种物理现象，可以使仿真效果更　接近于实际。为了在仿真中实现这种物理现　象，我们需要调用一个在［Ｏ，１］之间服从指数分　布的随机数发生器函数。指数分布的概率密度　和分布函数为：　ｆ（　）：　咄，ｚ　０　１０，　＜０　…　１一　，　０　一１ｆ　＜　一　采用直接抽样法，我们可以利用均匀分布　的随机变量求出指数分布的随机变量。令　＝　Ｆ（ｚ）￣ｌ－ｅ一舡，得　一一￣ｌｎ（１－ｙ）。因为分　布函数Ｆ（ｚ）是［ｏ，１］区间上单调递增的连续函　数，则ｙ是［Ｏ，１］区间上的随机变量。设ｙ的　分布函数为Ｆ（　），则：　Ｆ（　）一Ｐ（ｙ＜Ｙ）＝Ｐ｛Ｆ（　）＜ｙ）　Ｐ｛Ｘ＜Ｆ－　（　））一Ｐ｛Ｘ＜ｚ）一Ｆ（ｚ）＝ｙ　故ｙ是［０，１］区间上均匀分布的随机变　量。　通常用Ｙ来代替１　，因为Ｙ和１－ｙ都是　区间［０，１］上均匀分布的随机数，于是　Ｘｉ一一÷ｌｎｌｙｉ　（　＝１，２，…）　在ＬａｂＶＩＥＷ中可以方便调用在［０，１］区　间上服从均匀分布的函数Ｒａｎｄｏｍ　Ｎｕｍｂｅｒ（Ｏ一　１），产生指数分布随机变量，框图程序如图６。　机上的ＶＩ　Ｓｅｒｖｅｒ的基本属性进行配置，设置　客户机访问权限和允许访问的ＶＩ，才能实现　ＶＩ的远程调用。通过在教练机ＶＩ上增加一个　Ｉｎｖｏｋｅ节点，并在节点中调用方法Ｓｅｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｖａｌｕｅ，就可以改变训练机ＶＩ上由Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｎａｍｅ端口指定的控件的数值，设置模拟发生　事故和故障的系数，实现模拟器的考核功能。　图６指数分布随机变量发生器程序框图　４总结　３教练机模块的设计　本设计中的虚拟辐射监控台模拟器，基本　要实现模拟器的考核功能，必须在教练机　上加上事故模拟和故障模拟程序，训练操作人　员在实际环境中遇到突发事件的反应能力和操　作技能。尤其是故障模拟，针对事故报警时可　能出现的漏报和误报，具有非常重要的意义，能　在很大程度上提高培训效果。　ＬａｂＶＩＥｗ提供了方便、强大的运行控制　技术，包括ＶＩ　Ｓｅｒｖｅｒ技术、同步控制技术等。　ＶＩ　Ｓｅｒｖｅｒ是ＬａｂＶＩＥＷ独有的一项技术，利用　可以满足对辐射安全员的培训和考核，并且可　以根据实际需要与使用过程中发现的问题，快　速地对该软件进行升级和改进，节约了开发时　间和开发成本，提高了培训效率。　参考文献：　Ｃ１３肖田元，张燕云，陈加栋．系统仿真导论［Ｍ］＿北京：　清华大学出版社，２０００．　［２］戴鹏飞，王开胜，王格芳，等．测试工程与ＬａｂⅥ脚　应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００６．　［３］段卫江．秦山３００ＭＷ核电机组全范围仿真机放射　ＶＩ　Ｓｅｒｖｅｒ技术，用户可以编程动态控制Ｌａｂ—　ｖＩＥＷ　ＶＩｓ，这些ＶＩｓ可以位于本地计算机中，　也可以位于网络上的远程计算机中［５］。　在教控软件的编程中，采用ＶＩ　Ｓｅｒｖｅｒ技　性监测系统仿真［Ｊ］．核动力工程，１９９６，１７（２）：１５６—　１６０．　术，可以动态地控制训练机上的Ｖ１ｓ，设置事故　或故障。由于训练机和教练机的Ⅵ属于两台　计算机，因此在运行教控程序之前，需要对训练　［４］韩慧，薛志华，刘松秋，等．基于模拟贝努里试验的　随机脉冲发生器的实现［Ｊ］．核电子学与探测技术，　２００４，２４（４）：４１７－４２０．　［５］杨乐平，李海涛，赵勇，等．ＬａｂＶＩＥＷ高级程序设计　［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ＬＵＯ　Ｙｉ—ｍｉｎｇ　，ＪＩＡ　Ｍｉｎｇ－ｃｈｕｎ　，ＧＯＮＧ　Ｊｕｎ－ｊｕｎ　，ＣＨＥＮ　Ｈｏｎｇ３　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ，Ｎａｖａｌ　Ｕｎｉｖ．０ｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　４３００３３，Ｃｈｉｎａ　２．Ｎａｖａｌ　Ｕｎｉｔ　Ｎｏ．９２７３０，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２５。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｉｎ—　ｉｇ　ｓｉｎｍｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｇ　ｎｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｌａｎｇｕａｇｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐａｎｅｌ，ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＬａｂＶＩＥＷ，ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　５０９