潘保林,鄒金強(qiáng),毛志新,吳 航

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北 武漢 430070；2.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)在核電運(yùn)行控制與管理、核裝備制造與燃料加工等領(lǐng)域的應(yīng)用，將會(huì)極大促進(jìn)核電的技術(shù)、管理和安全水平。對于核電系統(tǒng)來說，設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、運(yùn)行、維護(hù)等過程中環(huán)境復(fù)雜，并具有獨(dú)特的安全性和可靠性等要求。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以優(yōu)化核電設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)維流程，提升系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)效率，未來一段時(shí)間，數(shù)字孿生將深刻影響核電站相關(guān)技術(shù)發(fā)展。

1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生這一概念最早出現(xiàn)在2003年,由GRIEVES在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程中提出，定義數(shù)字孿生是2個(gè)空間之間的映射[1-2]。他認(rèn)為，通過利用物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，人們可以在虛擬(信息)空間構(gòu)建一個(gè)可以表征該物理設(shè)備的虛擬主體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是貫穿整個(gè)產(chǎn)品的生命周期。后來，美國國防部將數(shù)字孿生技術(shù)引入航天飛行器的健康維護(hù)中，并在美國國家航空航天局(NASA)的阿波羅計(jì)劃中應(yīng)用。

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的功能，數(shù)字模型就像現(xiàn)實(shí)實(shí)體的孿生兄弟一樣。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，數(shù)字孿生通過多維度的信息感知與現(xiàn)實(shí)物體的交互融合、通過智能算法等工具，實(shí)現(xiàn)為現(xiàn)實(shí)物體的智能認(rèn)知、迭代優(yōu)化等功能[3-5]。

2 數(shù)字孿生核電站的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 孿生核電站特征分析

隨著核電站運(yùn)行管理的信息化水平越來越高，在核電站的運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，具有明顯大數(shù)據(jù)的特征。這些數(shù)據(jù)既包括核電設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也包括設(shè)備的內(nèi)在特性。傳統(tǒng)開展核電設(shè)備管理對于設(shè)備自身的內(nèi)在特性沒有充分關(guān)注和重視，而核電設(shè)備的內(nèi)在特性實(shí)際上隱藏著復(fù)雜的邏輯關(guān)系和算法模型，很難通過物理手段直接獲取。現(xiàn)有核電運(yùn)行數(shù)據(jù)不完整會(huì)導(dǎo)致各種基于數(shù)據(jù)的決策的可信度和可行性不足。

在數(shù)字技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，核電站可通過傳感器實(shí)時(shí)感知核電站運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生模型通過虛實(shí)映射分析解析各種狀態(tài)，結(jié)合智能算法或策略對設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、性能分析，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)，具有更好的異常解決能力。

數(shù)字孿生核電站目前在學(xué)術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域依然處于發(fā)展階段，數(shù)字孿生核電關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)、產(chǎn)品生命周期開發(fā)各階段存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)部分核電站已經(jīng)建立了一體化的生產(chǎn)運(yùn)行管理管理系統(tǒng)、數(shù)字化平臺(tái)、三維可視化平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等，積累了良好的基礎(chǔ)，具備了一定的數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。因此可以在前期技術(shù)的積累上，借鑒數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)成果重點(diǎn)，圍繞核電站關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)建模開展工作，通過數(shù)據(jù)及信息融合處理、開發(fā)基礎(chǔ)數(shù)字核電應(yīng)用平臺(tái)，形成基于數(shù)字孿生的核電站模型。

2.2 孿生核電站的數(shù)字建模技術(shù)

核電設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)字模型是實(shí)現(xiàn)孿生核電站的基礎(chǔ)。將來自現(xiàn)實(shí)核電站的不同設(shè)備、系統(tǒng)對應(yīng)不同的數(shù)字模型，這就導(dǎo)致數(shù)字建模需要具備設(shè)備多樣、參數(shù)多樣、屬性多樣的復(fù)雜關(guān)系屬性。建立孿生核電站首先要對各種復(fù)雜設(shè)備性能、參數(shù)、特征、設(shè)備關(guān)系的進(jìn)行數(shù)字表達(dá)，滿足靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)的設(shè)備及系統(tǒng)建模需要(如設(shè)備約束關(guān)系、設(shè)備上下游關(guān)系、設(shè)備參數(shù)動(dòng)態(tài)定義、設(shè)備參數(shù)關(guān)聯(lián)性等)，以適應(yīng)不同設(shè)備、系統(tǒng)、機(jī)組的定義需要[6-7]。圖1列舉了部分?jǐn)?shù)字孿生核電站的建模對象。

圖1 孿生核電站建模對象Fig.1 DT-NPP modeling objects

通過構(gòu)建孿生核電站完全模擬核電站存在較大難度。目前可以采取自頂向下進(jìn)行構(gòu)建分類數(shù)字孿生模型的方式?？梢酝ㄟ^梳理核電站運(yùn)行中所涉及的主要設(shè)備、系統(tǒng)、信息等約束條件，進(jìn)行分級(jí)研究，對這些基本設(shè)備開展數(shù)字化模型(功能模型和性能模型)的分布建模，最后進(jìn)行集中整合。

數(shù)字孿生的建模方法包括三維動(dòng)態(tài)仿真以及數(shù)字特征建模，目前核電設(shè)備三維動(dòng)態(tài)仿真建模技術(shù)逐步成熟，數(shù)字特征建模處于研究階段，本文嘗試提供耦合參數(shù)特征關(guān)聯(lián)的方式對設(shè)備進(jìn)行建模。譬如對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行數(shù)字特征建模時(shí)，分析蒸汽發(fā)生器基本工作原理，蒸汽發(fā)生器的參數(shù)有一回路水進(jìn)、出口溫度、一回路水流量、一回路水壓力等?？梢詫⒄羝l(fā)生器流程以及工質(zhì)狀態(tài)將蒸汽發(fā)生器分為若干個(gè)控制體,根據(jù)蒸汽發(fā)生器的物理構(gòu)造和運(yùn)行機(jī)理、相互運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)聯(lián),對蒸汽發(fā)生器工作運(yùn)行時(shí)的水循環(huán)特性以及影響蒸汽發(fā)生器水位變化的諸多因素進(jìn)行分析，打通參數(shù)之間關(guān)聯(lián)性。建模時(shí)數(shù)學(xué)模型遵循三大方程質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程，通過建立工質(zhì)熱力狀態(tài)參數(shù)方程，形成模型參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。在數(shù)字模型建立后，可以進(jìn)一步模擬仿真熱力狀態(tài)。數(shù)字孿生的難點(diǎn)在于建立蒸汽發(fā)起器的參數(shù)方程時(shí)需要編制相應(yīng)的熱力參數(shù)關(guān)系函數(shù)，然后關(guān)聯(lián)SIMLINK等仿真軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型和仿真模塊聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器的數(shù)字孿生。

在多個(gè)設(shè)備建立數(shù)字孿生模型后，同樣可以通過設(shè)備之間系列參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，建立系統(tǒng)級(jí)別的數(shù)字孿生模型。系統(tǒng)級(jí)建模將是數(shù)字孿生建模研究的重難點(diǎn)，是未來進(jìn)一步研究的方向。

2.3 數(shù)字孿生的信息處理技術(shù)

實(shí)現(xiàn)核電系統(tǒng)的信息傳感交互與協(xié)同處理[3]。數(shù)字孿生核電站面臨的系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)量是海量數(shù)據(jù)，組成一個(gè)典型核電站的系統(tǒng)大大小小有400多個(gè)，其中的設(shè)備數(shù)以萬計(jì)。需要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)核電站與虛擬世界的交互與協(xié)同，涉及將核電系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和中心數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，通過信息傳感交互與協(xié)同技術(shù)，建立中心數(shù)據(jù)庫和各離散數(shù)據(jù)庫的信息協(xié)同，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生核電站設(shè)備之間數(shù)據(jù)的匹配。同時(shí)需進(jìn)行核電設(shè)備狀態(tài)的并行數(shù)字處理。為更好服務(wù)于孿生核電站物理實(shí)體的性能監(jiān)測及優(yōu)化，需要保證數(shù)字孿生核電站可以準(zhǔn)確、隨需向多個(gè)核電設(shè)備實(shí)體提供被動(dòng)或主動(dòng)反饋信息。這就要求數(shù)字孿生核電站使用高效的數(shù)據(jù)分析計(jì)算技術(shù)，譬如利用分布式并行計(jì)算技術(shù)、多線程技術(shù)等，將各類核電設(shè)備和系統(tǒng)的性能參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、影響因素和運(yùn)行流程實(shí)時(shí)反饋在孿生核電站模型中，繼而實(shí)現(xiàn)針對系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行過程的真實(shí)映射和數(shù)據(jù)處理[12]。

2.4 數(shù)字孿生核電站的可視化運(yùn)維技術(shù)

在數(shù)字孿生核電站模型、信息處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行孿生核電站的仿真運(yùn)維研究[8]。孿生核電站可通過核電沉浸式交互仿真，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交融迭代、實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生核電站可視化、設(shè)備可視化[3]。尤其隨著感知和仿真技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字孿生核電站將帶來對現(xiàn)實(shí)核電站的更全面的沉浸式體驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)通過和孿生核電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)模擬、設(shè)備檢測模擬、維修模擬、運(yùn)行狀態(tài)模擬、設(shè)備改造、整體性能優(yōu)化模擬等。通過沉浸式的仿真技術(shù)，將孿生核電站的數(shù)據(jù)信息更加真實(shí)的體現(xiàn)對實(shí)體核電站的運(yùn)維預(yù)測。孿生核電站結(jié)合現(xiàn)有的核電應(yīng)用軟件，能夠更加有效、直接、高效地體現(xiàn)對核電站的運(yùn)維效果[10]。

3 數(shù)字孿生核電站的應(yīng)用方向

數(shù)字孿生核電站支撐核電工程從設(shè)計(jì)到建造、運(yùn)行、維護(hù)的業(yè)務(wù)全貫通，隨著數(shù)字孿生核電站技術(shù)在模型建立、信息處理、交互仿真等領(lǐng)域的應(yīng)用，建立起連接現(xiàn)有核電站和數(shù)據(jù)的虛擬空間。在數(shù)字空間中，建立與核電站需求分析、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、仿真分析、工程建設(shè)、試驗(yàn)驗(yàn)證、運(yùn)行管理和運(yùn)維保障相適應(yīng)的業(yè)務(wù)模型，改變傳統(tǒng)流程分工帶來的數(shù)據(jù)割裂等諸多問題，實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)協(xié)同。應(yīng)用的主要方面有：

3.1 核電設(shè)備設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化孿生的核電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)，在總體論證和設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)成果的信息關(guān)聯(lián)、構(gòu)建核電設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生設(shè)計(jì)成果的智能組包。孿生核電模型支持在總體級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)建立數(shù)字樣機(jī)，從功能、性能、行為等方面全面真實(shí)地模擬核電系統(tǒng)及裝備，通過建立數(shù)字化孿生核電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)基于多學(xué)科數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同仿真與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對核電設(shè)備功能性能的各類仿真，支撐總體設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)改進(jìn)周期。

3.2 核電設(shè)備制造

通過開發(fā)涵蓋核電制造系統(tǒng)、設(shè)備資源以及模擬設(shè)備制造環(huán)境的數(shù)字孿生模型。通過核電設(shè)備模型中的工藝分析、參數(shù)的優(yōu)化、集成的優(yōu)化，分析核電設(shè)備可優(yōu)化制造流程、合理配置制造資源，可以減少核電關(guān)鍵返工、提升核電關(guān)鍵設(shè)備制造效率，縮短設(shè)備制造時(shí)間，進(jìn)而提高核電生產(chǎn)資源利用率、降低核電建設(shè)生產(chǎn)成本。

3.3 核電設(shè)備性能監(jiān)測與健康管理

利用數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)孿生核電站的設(shè)備及系統(tǒng)模型，建立基于數(shù)字孿生的核電機(jī)組故障預(yù)測機(jī)制。核電站實(shí)體設(shè)備和孿生核電設(shè)備的狀態(tài)可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)比較和分析。實(shí)體設(shè)備在實(shí)時(shí)運(yùn)行的同時(shí)，虛擬設(shè)備也與實(shí)體設(shè)備同步運(yùn)行，產(chǎn)生各種評(píng)估和分析數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^相關(guān)監(jiān)測設(shè)備獲得實(shí)時(shí)的設(shè)備信息、運(yùn)行信息和重要結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)信息，結(jié)合核電站系統(tǒng)相關(guān)模型進(jìn)行信息融合處理，從而提供核電運(yùn)行時(shí)的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和疲勞壽命狀態(tài)信息，有助于運(yùn)行單位掌握核電設(shè)備健康狀態(tài)。還可利用智能算法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、隨機(jī)森林算法等)預(yù)測系統(tǒng)及設(shè)備在正常工作條件下的性能趨勢等，進(jìn)而制定優(yōu)化維修進(jìn)度、減少核電站設(shè)備計(jì)劃外停機(jī)，大幅提高核電站運(yùn)營業(yè)績。

3.4 核電運(yùn)行保障

將建立的孿生核電站與核電日常運(yùn)維、維修管理等深度融合，形成維修狀態(tài)管理模型和核電站運(yùn)行信息深度融合系統(tǒng)，為日常維修的人、機(jī)、料管理和安排提供準(zhǔn)確依據(jù)。同時(shí)基于數(shù)字化模型，孿生核電站可以樹立全壽命期技術(shù)保障體系，孿生核電站的模型注重設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、制造工藝數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)收集、保存工作，貫穿設(shè)備壽命期的每一個(gè)環(huán)節(jié)，包括立項(xiàng)論證、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和建造、使用與保障以及退役等各個(gè)階段等，均可建立各專項(xiàng)數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫，對全壽命期數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過對孿生核電站對象設(shè)備資料規(guī)格、設(shè)計(jì)圖、檢查結(jié)果、檢查計(jì)劃等進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)整理，實(shí)現(xiàn)對核電站系統(tǒng)化的管理。并可進(jìn)行孿生運(yùn)維方法仿真模擬，建立智能化的運(yùn)維保障體系及方法。

3.5 核電人因管理

建立數(shù)字化孿生核電站，運(yùn)用現(xiàn)有的防人因失誤模型，可提升人員認(rèn)知行為的各個(gè)方面以及大腦的工作機(jī)理。防人因失誤的關(guān)鍵是識(shí)別技術(shù)人員在高風(fēng)險(xiǎn)條件下需要快速做出復(fù)雜決策時(shí)的人員績效的本質(zhì)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、混合現(xiàn)實(shí)(MR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)等，孿生核電站提供系統(tǒng)與設(shè)備的沉浸式模式和靶向目標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)面向訓(xùn)練的個(gè)人提供個(gè)性化智能防人因失誤服務(wù)技術(shù)。

3.6 核電虛擬培訓(xùn)

通過建立數(shù)字孿生核電站，利用虛擬現(xiàn)實(shí)中的視點(diǎn)跟蹤、數(shù)字檢測、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、物體拾取、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋等關(guān)鍵技術(shù)和算法等實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的交互操作。結(jié)合事故模擬專業(yè)軟件，利用圖形處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的拆卸與安裝、設(shè)備維修、防泄漏操作、斷電處理、火災(zāi)處理等極端事故的數(shù)值模擬和三維可視化。在數(shù)字孿生核電站中建立可交互的仿真操作系統(tǒng)，數(shù)字孿生可以根據(jù)客體不同(如人、設(shè)備和系統(tǒng))，將培訓(xùn)關(guān)鍵需求推送到客體本身或指定中間環(huán)節(jié)，最終再形成滿足客體需要的個(gè)性化服務(wù)，提供虛擬培訓(xùn)技術(shù)。

3.7 核電性能優(yōu)化

通過建立孿生核電站模型，在虛擬核電站中形成端到端的數(shù)據(jù)歸集、匯聚和流動(dòng)機(jī)制，建立貫穿各核電系統(tǒng)及設(shè)備穩(wěn)定的信息流，利用知識(shí)自動(dòng)化、專業(yè)分析算法等技術(shù)，快速掌握核電機(jī)組運(yùn)行的內(nèi)在規(guī)律，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)等手段，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和模型的自我進(jìn)化，提升核電機(jī)組基于數(shù)據(jù)的設(shè)備參數(shù)的優(yōu)化及調(diào)整，推動(dòng)核電系統(tǒng)性能指標(biāo)優(yōu)化。逐步構(gòu)建起體驗(yàn)化的，數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動(dòng)的沉浸式應(yīng)用形態(tài)和氛圍，推動(dòng)智慧運(yùn)行、智慧維修、智慧管理和智慧優(yōu)化的核電運(yùn)行生產(chǎn)模式。

4 結(jié)論及研究展望

本文初步探索研究數(shù)字孿生核電站的應(yīng)用模式和架構(gòu)，并闡述了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生核電站需要突破的一些關(guān)鍵技術(shù)，對部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步的探索和實(shí)踐。孿生核電站是結(jié)合動(dòng)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、建模技術(shù)、仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、智能算法、優(yōu)化迭代等多種技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)合體，是面向復(fù)雜系統(tǒng)及設(shè)備的建模與仿真。孿生核電站可以結(jié)合數(shù)字空間和物理空間信息的雙向傳感交互和信息追溯，建立智能化的數(shù)據(jù)處理仿真模型，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)或者關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測、同生異長，優(yōu)化迭代，可廣泛應(yīng)用在關(guān)鍵復(fù)雜核電設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行維護(hù)、性能優(yōu)化等全生命周期業(yè)務(wù)過程。

數(shù)字孿生技術(shù)將廣泛應(yīng)用在核工業(yè)領(lǐng)域的智慧電站、智慧院所應(yīng)用過程中。在數(shù)字孿生核電站建設(shè)過程中，應(yīng)堅(jiān)持“統(tǒng)一平臺(tái)、分布式協(xié)同設(shè)計(jì)、模塊推進(jìn)”的思路來推進(jìn)數(shù)字孿生核電站的落地。要選擇適應(yīng)長期、可持續(xù)建設(shè)要求的技術(shù)、建設(shè)模式和運(yùn)作模式，最終建立起符合數(shù)字孿生技術(shù)要求的核電數(shù)字孿生，支撐現(xiàn)代化核電站的運(yùn)行管理，支撐核電企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。在新一代信息技術(shù)與人工智能技術(shù)背景下，將推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在核電站設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等全過程獲得更大范圍、更高層級(jí)的應(yīng)用，使核電站的管理創(chuàng)新、效率優(yōu)化、可靠性水平提升到新的高度。