黃建華,郭天覺(jué)

(1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610000;2.和昇集團(tuán)，香港)

4 自我調(diào)適的建模和仿真技術(shù)

4.1 建立準(zhǔn)確模型的挑戰(zhàn)

要建立一個(gè)設(shè)備、系統(tǒng)、組件的準(zhǔn)確模型的先決條件就是要取得該設(shè)備、系統(tǒng)、組件的充分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，但這些完整數(shù)據(jù)很多時(shí)候不容易取得，這是建立一個(gè)設(shè)備、系統(tǒng)、組件的準(zhǔn)確模型的第一個(gè)挑戰(zhàn)。縱使取得所需設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)法建立一個(gè)設(shè)備、系統(tǒng)、組件的準(zhǔn)確模型，其中因素包括：控制方程式的局限性、離散方法的局限性、求解方法的局限性以及計(jì)算機(jī)計(jì)算的局限性。

一般設(shè)備、系統(tǒng)、組件的控制方程式都是依據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒原理建立偏微分控制方程，但工程師對(duì)自然界的了解有其局限，在這個(gè)過(guò)程中做了很多近似假設(shè)，這就是所謂的認(rèn)知不確定性(epistemic uncertainties)。就算工程師對(duì)某一過(guò)程有充分了解，但自然現(xiàn)象基本上是偶然的，例如做兩次完全相同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)完全相同，這就是所謂的偶然不確定性(aleatoric uncertainties)，因此控制方程式從一開(kāi)始便沒(méi)有辦法百分之一百仿真一套設(shè)備、系統(tǒng)、組件的行為。

控制方程式建立后便是用離散方法把連續(xù)的時(shí)間、空間分成網(wǎng)格點(diǎn)，把原來(lái)的偏微分控制方程轉(zhuǎn)換成矩陣方程以便使用計(jì)算機(jī)計(jì)算，常用的離散方法包括：有限差分、有限元、有限體積，不管用什么方法必存在截?cái)噱e(cuò)誤(truncation error)，現(xiàn)在最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)代碼采用的離散方法并沒(méi)有超越二階精度[7]。此外通常是網(wǎng)格點(diǎn)越多，網(wǎng)格間隔越少精準(zhǔn)度越高，因此產(chǎn)生的矩陣方程尺度會(huì)越大，以致所需求的計(jì)算機(jī)資源越多。所以離散方法的精準(zhǔn)度受到離散方法本身以及計(jì)算機(jī)資源的局限。

建立矩陣方程的下一步是使用計(jì)算機(jī)求解矩陣方程，現(xiàn)在最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)代碼采用的求解方法是迭代法，例如：JFNK(Jacobian Free Newton Krylov)[7]，但迭代法先天就是一個(gè)近似方法而非精確方法，因此所得的值是近似值而非精確值。

以上計(jì)算都要使用計(jì)算機(jī)執(zhí)行，無(wú)論計(jì)算機(jī)的功能多么強(qiáng)大，它仍然是有限的。這意味著計(jì)算機(jī)需要有限的時(shí)間才能完成操作，并且計(jì)算機(jī)僅具有有限的存儲(chǔ)空間，因此計(jì)算機(jī)計(jì)算有其局限性。局限性之一就是精度誤差，計(jì)算機(jī)內(nèi)存中最基本的單元是構(gòu)成二進(jìn)制數(shù)系統(tǒng)基礎(chǔ)的兩個(gè)二進(jìn)制整數(shù)0和1，二進(jìn)制數(shù)系統(tǒng)在處理整數(shù)和整數(shù)運(yùn)算時(shí)不發(fā)生誤差，但數(shù)值大小受到限制。二進(jìn)制數(shù)系統(tǒng)在處理浮點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生誤差，這就是所謂計(jì)算機(jī)精度誤差。

上述所說(shuō)的誤差很多時(shí)候是累積誤差，就是說(shuō)計(jì)算時(shí)間越久，誤差越大。

4.2 改善模型準(zhǔn)確度方法——數(shù)據(jù)同化技術(shù)

4.2.1 數(shù)據(jù)同化技術(shù)介紹

數(shù)據(jù)同化技術(shù)(Data Assimilation)是一種使用測(cè)量數(shù)據(jù)不斷改善計(jì)算數(shù)值的方法，每一次計(jì)算都會(huì)使用測(cè)量數(shù)據(jù)改善計(jì)算數(shù)值作為下一次計(jì)算的基礎(chǔ)。此方法已經(jīng)在大氣建模中成功使用，也被美國(guó)“輕水反應(yīng)堆高級(jí)模擬聯(lián)合會(huì)”(CASL，The Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors)用作不確定性量化(UQ)和敏感性分析(SA)工具[8]。

數(shù)據(jù)同化技術(shù)基本上是一種貝葉斯推理(Bayesian inference)技術(shù)，包括控制方程式的時(shí)間更新部分和依據(jù)測(cè)量取得的測(cè)量更新部分。時(shí)間更新和測(cè)量更新是一個(gè)循環(huán)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)同化循環(huán)Fig.1 Data assimilation cycle

時(shí)間更新方程負(fù)責(zé)向前(及時(shí))預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)和誤差協(xié)方差，測(cè)量更新方程式則負(fù)責(zé)反饋，即用于將新的度量合并到先驗(yàn)估計(jì)(a priori estimate)中以獲得改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)(a posteriori estimate)。時(shí)間更新會(huì)提前預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)。測(cè)量更新會(huì)通過(guò)當(dāng)時(shí)的實(shí)際測(cè)量來(lái)調(diào)整預(yù)計(jì)的估算值。

4.2.2 數(shù)據(jù)同化理論說(shuō)明

數(shù)據(jù)同化數(shù)學(xué)公式包括以下空間和列向量：

各列向量相互關(guān)系如圖2所示[8]。

圖2 數(shù)據(jù)同化各列向量相互關(guān)系Fig.2 Each column vector relationship of data assimilation

(1)

(2)

從此二差距可以產(chǎn)生以下成本函數(shù)：

(3)

以下用大氣建模和反應(yīng)堆堆芯熱工建模說(shuō)明控制空間、觀察運(yùn)算符和觀察空間。

使用在大氣建模中時(shí)的控制空間就是包括在大氣3D 領(lǐng)域中所模擬的溫度、壓力、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等的空間，其數(shù)量以千萬(wàn)網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算。觀察運(yùn)算符就是大氣原始方程的演化模型，通常用一組偏微分方程表示。觀察空間就是在大氣3D 領(lǐng)域中所測(cè)量的數(shù)據(jù)，包含地表溫度，輻射度，云量等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間，其數(shù)量以百萬(wàn)測(cè)量點(diǎn)計(jì)算。

使用在反應(yīng)堆堆芯熱工建模(例如,RELAP-5)中時(shí)的控制空間就是包含二相3D 領(lǐng)域的溫度、壓力、流速、氣泡率等的空間，其數(shù)量以千網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算。觀察運(yùn)算符就是二相3D守恒方程。觀察空間就是堆芯測(cè)量數(shù)據(jù)包括溫度、壓力、流速等的空間，其數(shù)量以萬(wàn)測(cè)量點(diǎn)計(jì)算。

1)4D-Var 方法[9]

2)Kalman Filter方法[10]

5 智能核電廠五部曲

智能核電廠之建立可以分為5部分。

(1)智能核電廠第一部曲

智能核電廠第一部曲就是建立數(shù)字核電廠項(xiàng)目，第一部曲的工作項(xiàng)目包括：

1)收集配合核電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù);

2)采用最先進(jìn)仿真工具建立配合核電廠仿真器;

3)依據(jù)參考文件建立數(shù)字核電廠平臺(tái);

4)把核電廠仿真器安裝于數(shù)字核電廠平臺(tái);

5)完成數(shù)字核電廠建置。

數(shù)字核電廠建置的詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參考[11]。

(2)智能核電廠第二部曲

智能核電廠第二部曲就是在數(shù)字核電廠的基礎(chǔ)上建立核電廠“數(shù)字雙胞胎”，第二部曲的工作項(xiàng)目包括：

1)收集配合核電廠歷史運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù);

2)使用核電廠歷史運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，落實(shí)數(shù)據(jù)同化技術(shù);

3)整合數(shù)字核電廠和數(shù)據(jù)同化技術(shù);

4)完成核電廠“數(shù)字雙胞胎”建置。

此部分在非核工業(yè)已有很多成功經(jīng)驗(yàn)。

(3)智能核電廠第三部曲

智能核電廠第三部曲就是依據(jù)核電廠“數(shù)字雙胞胎”和大量核電廠歷史運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù)建立核電廠物理模和數(shù)據(jù)模，第三部曲的工作項(xiàng)目包括：

1)以核電廠“數(shù)字雙胞胎”為基礎(chǔ)建立核電廠物理模;

2)依據(jù)核電廠歷史運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù)建立核電廠數(shù)據(jù)模;

3)物理模和數(shù)據(jù)模并互相比較驗(yàn)證;

4)完成核電廠物理模和數(shù)據(jù)模建置。

這部分在非核工業(yè)作者已有成功經(jīng)驗(yàn)。

(4)智能核電廠第四部曲

智能核電廠第四部曲就是依據(jù)第三部曲建立的核電廠物理模、數(shù)據(jù)模和建立電廠預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)：

1)針對(duì)不同設(shè)備、系統(tǒng)和組件整合并建立各自大數(shù)據(jù)

①物理模產(chǎn)生的計(jì)算大數(shù)據(jù);

②數(shù)據(jù)模產(chǎn)生的實(shí)體大數(shù)據(jù)。

2)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供設(shè)備、系統(tǒng)和組件早期故障預(yù)警

這部分在非核工業(yè)作者已有成功經(jīng)驗(yàn)。

(5)智能核電廠第五部曲

智能核電廠第五部曲就是依據(jù)第三部曲建立的核電廠物理模和數(shù)據(jù)模和建立核電廠智能操作輔助工具，操作輔助工具在第三代核電廠已有提供，例如升降載輔助工具、正常操作輔助工具等，但這些都是邏輯基礎(chǔ)輔助工具，因此輸入信息都要非常精準(zhǔn)，方能得到正確響應(yīng)[12]。

智能操作輔助工具則是通過(guò)大數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)，就算輸入信息并不非常精準(zhǔn)也能提供最佳回應(yīng)，同時(shí)可以通過(guò)“數(shù)字雙胞胎”讓用戶可以預(yù)測(cè)回應(yīng)的后續(xù)反應(yīng)。

智能操作輔助工具是一個(gè)咨詢輔助工具，最后執(zhí)行還是由操作員決定，就像有一位非常有經(jīng)驗(yàn)的老師在旁協(xié)助。

使用大數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供智能操作輔助工具的功能包括：

1)幫助核電廠工程師和操作員在突發(fā)狀況或天災(zāi)狀況(風(fēng)災(zāi)、水災(zāi)、地震等)能及時(shí)反應(yīng)，保持機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn);

2)遇到不明狀況時(shí)幫助核電廠工程師和操作員了解根本原因并作最佳處理;

3)和“數(shù)字雙胞胎”結(jié)合，可以預(yù)測(cè)回應(yīng)的后續(xù)反應(yīng)，并利用先進(jìn)人機(jī)接口讓工程師和操作員充分了解。

6 智能核電廠架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3顯示智能核電廠在研發(fā)階段的架構(gòu)設(shè)計(jì)，說(shuō)明如下：

1)依據(jù)核電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并采用先進(jìn)核電廠仿真平臺(tái)，例如3KeyMaster，建立先進(jìn)的核電站仿真器(Advanced NPP Simulator)。

2)數(shù)據(jù)同化機(jī)(Data Assimilation Machine)從核電廠歷史運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器取得核電廠的儀器數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)同化技術(shù)改善先進(jìn)的核電站仿真器計(jì)算數(shù)據(jù)，并建立核電廠數(shù)字雙胞胎。

3)核電廠“數(shù)字雙胞胎”產(chǎn)生設(shè)備、系統(tǒng)、組件物理模數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)供后續(xù)應(yīng)用。

4)各設(shè)備、系統(tǒng)、組件的數(shù)據(jù)模數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)傳送到大數(shù)據(jù)機(jī)，并和“數(shù)字雙胞胎”產(chǎn)生的物理模數(shù)據(jù)整合，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)組裝、數(shù)據(jù)篩選等步驟，產(chǎn)生適合機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)。

5)機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)從大數(shù)據(jù)機(jī)取得各設(shè)備、系統(tǒng)、組件經(jīng)過(guò)整合、組裝、篩選的數(shù)據(jù)利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)各設(shè)備、系統(tǒng)、組件的狀態(tài)和行為并及時(shí)提供工程師和操作員維修，操作建議和行動(dòng)指南。

6)機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)的建議和行動(dòng)指南反饋到“數(shù)字雙胞胎”，讓“數(shù)字雙胞胎”告知工程師和操作員如果執(zhí)行這些建議和行動(dòng)指南的后續(xù)效應(yīng)。

圖4顯示智能核電廠在應(yīng)用階段的架構(gòu)設(shè)計(jì)，和圖3主要差別在于在研發(fā)階段智能核電廠是脫機(jī)的，獨(dú)立執(zhí)行不會(huì)對(duì)核電廠有任何影響，經(jīng)過(guò)研發(fā)和驗(yàn)證，核電廠可以選擇智能核電廠與核電廠聯(lián)機(jī)取得實(shí)時(shí)運(yùn)行和維護(hù)數(shù)據(jù)，如此更能有效地為核電廠提供實(shí)時(shí)的建議和行動(dòng)指南。

圖3 智能核電廠上層架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖——研發(fā)階段Fig.3 Schematic of the design of the upper-level architecture of a smart nuclear power plant—the R&D stage

圖4 智能核電廠上層架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖——應(yīng)用階段Fig.4 Schematic of the design of the upper-level architecture of a smart nuclear power plant—the application stage

7 智能核電廠的實(shí)施

(1)智能核電廠的實(shí)施取決于以下先決條件

1)找到配合核電廠愿意合作，并提供下列數(shù)據(jù)

①核電廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)用以建立核電廠“數(shù)字雙胞胎”;

②核電廠歷史運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù)建立核電廠數(shù)據(jù)模。

2)全部開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證將在核電廠數(shù)字雙胞胎上進(jìn)行，完全不影響配合核電廠運(yùn)轉(zhuǎn);

3)配合核電廠愿意提供咨詢、討論。

(2)智能核電廠的關(guān)鍵技術(shù)(Key technologies)包括如下內(nèi)容

1)建立數(shù)字核電廠，并在此基礎(chǔ)上建立核電廠先進(jìn)仿真器(NPP Advanced Simulator);

2)核電廠數(shù)據(jù)同化應(yīng)用技術(shù)(NPP Data Assimilation Application Methodology);

3)核電廠大數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用技術(shù)(NPP Big Data/Machine Learning Application Methodology)。

智能核電廠的實(shí)施應(yīng)組織相應(yīng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，預(yù)計(jì)初步的研發(fā)時(shí)間，由相應(yīng)的團(tuán)隊(duì)分別平行完成，包括數(shù)字核電廠和核電廠先進(jìn)仿真器建立、核電廠數(shù)據(jù)同化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)、核電廠大數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，然后各組團(tuán)隊(duì)共同合作完成智能核電廠的整合，接著各組團(tuán)隊(duì)共同合作完成智能核電廠的驗(yàn)證。

8 總結(jié)

一般而言工廠所要達(dá)成的目標(biāo)包括：降低過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高系統(tǒng)可靠性并增強(qiáng)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，從而提高生產(chǎn)率。近年來(lái)，大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已用于幫助非核工業(yè)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。許多全球公司已經(jīng)提供了軟件工具來(lái)幫助這些領(lǐng)域的客戶，例如，GE的Predix、Siemens的MindSphere、Aveva的PRiSM、IBM的Maximo APM等。核電廠也已開(kāi)始利用這些技術(shù)。但是，由于缺乏對(duì)客觀世界的真正了解，中美兩國(guó)專家都注意到了大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的局限性?！皵?shù)字雙胞胎”已被不同行業(yè)應(yīng)用于幫助其運(yùn)營(yíng)。在本文中，介紹了物理驅(qū)動(dòng)建模以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的概念，以為核電廠(NPP)提供預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)和操作輔助工具。換句話說(shuō)，將“數(shù)字雙胞胎”與大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相集成，以改善對(duì)客觀世界(在本文中客觀世界為NPP)的真實(shí)理解。但是，由于缺乏完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)物理的理解不足以及此過(guò)程中固有的不準(zhǔn)確性等因素，因此構(gòu)建“數(shù)字雙胞胎”存在困難。本文通過(guò)從NPP收集操作數(shù)據(jù)來(lái)提高“數(shù)字雙胞胎”精確度的概念。這意味著“數(shù)字雙胞胎”將會(huì)根據(jù)核電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)連續(xù)進(jìn)行自我調(diào)整。在本文中說(shuō)明如何基于能自我調(diào)整的“數(shù)字雙胞胎”集成大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開(kāi)發(fā)核電廠設(shè)備、系統(tǒng)和組件的預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)以及為核電廠工程師和操作員提供操作輔助工具，提供建立智能核電廠的理論和實(shí)踐。