數字核電功能規劃與架構設計

伍吉澤

（中核核電運行管理有限公司 浙江 嘉興 314300）

數字核電功能規劃與架構設計

伍吉澤

（中核核電運行管理有限公司 浙江 嘉興 314300）

打造 “數字核電”是當前各核電集團發展的重要目標之一，是貫徹國家 “互聯網＋”戰略的舉措，已成為核電企業信息化建設的核心內容。本文從核電企業業務需求出發，從頂層對數字核電的功能與應用目標進行規劃，提出數字核電的頂層架構，并對數字核電的應用效果與價值進行探討，為有效推進數字核電項目提供支持。

數字核電；智能核電；智慧核電；架構；三維；仿真；大數據；人工智能

黨中央、國務院高度重視信息化工作，黨的十八大之后，成立了中央網絡安全和信息化領導小組，通過完善頂層設計和決策體系，加強統籌協調。做出了實施網絡強國戰略、大數據戰略、“互聯網＋”行動等一系列重大決策，陸續發布了 《國家信息化發展戰略綱要》《“十三五”國家信息化規劃》《大數據產業發展規劃》等重要指導文件，開啟了我國信息化發展的新征程。

當今世界，信息技術創新日新月異，以數字化、網絡化、智能化為特征的信息化浪潮蓬勃興起。沒有信息化就沒有現代化。“十三五”國家信息化規劃指出：信息通信技術變革實現新突破的發軔階段，是數字紅利充分釋放的擴展階段。信息化代表新的生產力和新的發展方向，已經成為引領創新和驅動轉型的先導力量。加快信息化發展，增強國家文化軟實力和國際競爭力，已成為國家踐行新發展理念、破解發展難題、增強發展動力、厚植發展優勢的戰略舉措和必然選擇。

當前數字化技術已作為國家實現創新發展的動力，大數據成為二十一世紀的工業的基礎，數字化將主導經濟的各個領域，數字化將滲透到萬事萬物，帶來無處不在、前所未有的改變，企業的數字化轉型成為企業生死存亡的關鍵變更。

1 數字核電建設的意義

數字核電是基于三十多年來數字化、信息化建設的成果，以生產數字化為基礎，以管理信息化為支撐，積極推進智能化應用，高度集成核電全生命周期的業務、數據和資源，高效管理設備資產和數據資產，有效支撐核電安全、高效、經濟運營。

1）通過數字化、信息化技術與工業化的融合應用，建立 “覆蓋面廣、管控度深、預警性高、響應快速”的核安全主動防御與保障體系，確保核電廠的安全、可靠運行。

2）通過生產、經營、管理領域信息系統的全面覆蓋，實現核電公司生產、經營管控的業務協作、直觀可視、統籌分析，保障公司整體資源共享與高效運營。

3）通過核電廠運維，經營、決策的良性互動，核電行業價值鏈及全產業的信息共享、互聯發展，實現核電全壽期資源的充分利用和各相關行業的優勢互補，利于核電規模化發展與經濟運營。

2 數字核電總體架構設計

2．1 數字核電廠建設的目標

通過研究，我們將數字核電廠定義為：在實體的物理電廠之外，通過數字化技術，建立一套與物理電廠對應的、一致的數字化虛擬電廠，能夠從工藝原理上對電廠的運行、生產工作進行仿真與模擬，并能夠與電廠生產活動相結合，從 “更高的思維維度”對核電廠的設計、建造及生產運營實時、透明地進行360°全范圍管控與分析，從而提升核電廠的安全管理水平、降低核電廠建設與運維成本。數字核電廠建設目標見圖1。

圖1 數字核電廠建設目標Fig．1 Goal of digital nuclear power

2．2 數字核電業務架構

數字核電在運營領域的建設方向定義為：通過對知識的準確、高效、深度利用，提升電廠智慧化運營水平，通過數字核電項目建設與運行，利用數字技術、人工智能技術，讓核電廠運營管理過程更簡單、更安全。

從電廠生產運營業務出發，參照SNPM模型將數字核電業務功能分為：電廠生產運行、工作管理、設備可靠性、配置管理、安全應急、群堆管理、集團經營等幾個核心業務，從而進行架構設計及能力提升規劃 （見圖2）。

（1）提高生產智能化與數字化水平

圖2 數字核電業務框架Fig．2 Business structure of digital nuclear power

廣泛采用智能化設備，建立DCS控制系統提升電廠工藝系統與設計的智能化控制水平；采用物聯網技術，建立電廠系統與設備數據采集網絡系統，提升對電廠狀態的數字化監控水平；建立電廠無線網絡覆蓋，為運行維修過程數字化、移動化及全過程跟蹤提供基礎。

通過數字化技術可以對核燃料組件在電廠全過程進行跟蹤，并對燃耗進行精確管理，提升核燃料使用效率；對備件的需求進行精確分析與預測，并與供應商信息互通，對備件使用進行精細化管理，降低電廠運行成本。

（2）提升運行操作精準性與人員培養效率

建立與物理電廠一致的模擬仿真預警系統、運行決策輔助支持系統，讓電廠運行操作行為精準化，保障電廠運行更安全；通過系統主動向運行人員推送準確、完善的知識與經驗，讓運行問題能快速、正確、及時解決；通過仿真根據技術及知識管理，提建立高效的運行人員培養能力，加快人員培養。

（3）提升設備可靠性與電廠配置掌控能力

設備的可靠性是核電廠安全穩定運行的基礎，核電整個安全運行是圍繞系統和設備的可靠運轉來開展，確保設備的運行狀態可知、可控、可靠是核電最核心的能力。

核電廠配置管理是電站運行的基礎，確保電廠在安全限制范圍內運行，保證電廠實際物理電站與配置文件一致，并同步修改是核電廠確保長期、穩定、安全運行的基礎。

（4）提升電廠工作管理效率及工作質量

以電廠工作為核心，建立數字化、移動化的工作控制過程，對核電廠工作過程進行全過程管控，對電廠所有工作計劃進行整體安排，并對工作風險進行數字化跟蹤與控制。

高質量的設備維護與維修不但是電廠安全穩定運行的重要手段，也是電廠生產成本最主要的組成部分，對于數字核電建設必須從支持電廠維護的有效性、降低電廠維修成本。

在維修準備過程中，利用三維仿真技術，對關鍵設備進行模擬，提高維修準備的有效性；建立關鍵設備維修遠程支持系統提升維修工作質量；利用數據分析對比技術，對大修全過程進行跟蹤與分析，提升大修管理水平。

（5）建立精細化安全管理與可視化風險管理

核電廠的安全分為核安全、工業安全、輻射、消防、保衛、危化品、信息安全等眾多要素，管理的內容十分零散，通過數字化與可視化技術，可以以電廠SSC為主線通過信息聚合，同時開發安全要素的據模型和可視化展示平臺，實現安全管理要素相關信息、問題實時獲取和主動推送，通過智能核電統一規劃的核電廠三維可視化平臺，滿足安全信息檢索、安全風險推演的需求。

（6）提升業務標準化復制與精益化成本控制能力

當前核電企業都將標準化、規劃化、國際化作為戰略手段，未來一段時間將有大量核電機組會建造投產，利用數字核電建設，形成統一的管理體系，實現業務管控標準的統一，是推進核電管理快速復制的重要手段，促進核電企業戰略規劃目標的實現。

核電廠是資金密集型企業，運行期電廠運維管理費用、備件費用、技改費用資金量都非常高，隨著供電競爭加劇，運行成本精益化、合理化控制是核電運行的重要核心能力。

（7）電廠間對標與資源共享能力

利用群堆方法，建立電廠運營基線為各機組提供運營標尺，促進各電廠總結經驗，提高運營質量。以電廠運營基線為基礎，實現電廠間所有機組指標的對標，提升電站運營績效，如非停、能力因子等指標的對標。

通過電廠之間統一的經驗反饋體系，提升機組的安全性、可靠性、經濟性。

通過統一的物料編碼，建立電廠間備件集中采購、聯儲、共享機制，從整體上降低電廠備件成本，實現資源共享。

2．3 數字核電系統功能架構

根據數字核電業務目標需求，將數字核電按三維可視化管理平臺、全壽期信息與配置管理平臺、數字化維修支持平臺、大數據分析平臺、數字化仿真推演平臺、智能設備診斷平臺、智能工具應用平臺進行規劃，同時按統一標準體系進行建設與管控，確保數字核電的整體，系統功能架構如圖3所示。

圖3 數字核電系統功能架構Fig．3 Functional architecture of digital nuclear power system

（1）全壽期信息集成與配置管理平臺

核電廠全壽期信息系統是生產管理平臺的重要組成。系統以數據標準為基礎，以信息系統為平臺，以數據內容為目標作為建設原則。建立生命周期各個階段數據之間的集成關聯，建立核電上下游互通的集成架構，為電站全壽期績效分析與決策提供信息支持。全期信息系統從運行核電機組的管理需求出發，提出對核電工程建設期、核電運行期的數據需求，在工程建設期將數據的格式、質量、移交進度要求納入工程建造合同，并將此數據要求作為核電工程建設標準，工程建設結束后，按要求將數據移交到業主的全壽期信息系統。

全壽期信息系統另一重要功能是支撐核電配置管理，全壽期信息系統為配置管理提供數據源，接收電廠設計階段配置項數據成果，為電站運行期全面實施配置管理提供保障。

（2）核電廠三維可視化管理平臺

核電廠的工藝系統與設備非常復雜，電廠運行過程中還存在輻射、高溫、危化等眾多工作風險，用戶通過圖紙、文字信息等二維平臺的信息對電廠系統與設備的狀態難以準確、及時把握，更難以第一時間做出正確的工作響應。

三維及VR／AR技術的出現，讓我們找到改善用戶與系統交互的工具，通過三維與仿真技術，可以將電廠構筑物、系統、設備以直觀的三維形式展示給電廠工作人員，讓他們能更直觀、準確了解電廠現場的情況及相關信息。通過仿真模擬技術，可以對工作進行根據與預演，計算工作的風險、注意事項，制訂更好、更準確的工作方案，減少工作風險。

（3）大數據智能分析平臺

在核電廠的設計、建造、生產、運行過程中將產生大量的數據或信息，這些信息以關系型數據、時間序列數據、音頻、視頻、文檔、圖片等型式存在，數字核電將聚合上述海量的結構化、非結構化信息，綜合運用大數據、云計算等技術，打造核電全產業大數據管理平臺，存儲核電的各類數據資產，積累核電建設與運行經驗，對電廠生產、運行數據進行分析，降低電廠運行成本，建設核電的數據金礦，提升知識的復用能力，發揮數據的潛在價值。

（4）數字化維修支持平臺

核電廠系統與設備維修是電廠生產成本的主要組成部門，設備維修質量同時與核電廠安全運行業績緊密關聯，通過數字化技術，對設備維護方式、管理模式進行智能化升級，是數字核電核心價值之一。

數字化維修支持平臺以設備全壽期信息為基礎，同時對電廠SSC進行精細化三維建模，支持設備維修模擬與仿真，利用遠程檢測與監控支持，綜合大數據分析技術，對核電廠設備維修的工藝過程進行數字化轉型，全面支持電廠維修活動。

數字維修支持平臺主要實現3D虛擬仿真推演、3D數字化檢修規程、設備4D檢修、移動電子工作包 （eWP）、遠程維修支持、卓越大修中心等功能。

（5）數字化仿真與安全評價平臺

電廠運行與維護期的虛擬仿真推演是以核電廠三維數字化模型為載體，讓工程師可交互式地瀏覽、體驗逼真的三維可視化工廠模型（廠房、房間、系統、設備等），更容易理解現場的環境、系統組成與設備布置、設備結構。

通過對系統原理進行建模，結合局部實驗，對核電廠各類系統特性進行綜合評估驗證測試與驗證設備運行狀態的正確性、穩定性，對極端事故的實驗模擬、性能評價，確保核電廠在各事故下能更安全運行。

（6）設備智能診斷與可靠性管理平臺

在設備層數字化基礎設施建設或改造的基礎上，應用云計算、大數據等新技術，核電板塊聚合多電廠典型設備監測信息、狀態報告、經驗反饋數據，建設遠程數字化生產集中監測機制及經驗反饋共享機制，促進各成員單位間設備故障信息、檢修信息、安全、質量等信息的共享，從核電板塊層面協同提升各成員單位的生產安全與運行穩定。

基于多來源的設備大數據 （監控、巡檢、歷史記錄等），建立基于預測性設備維護的設備可靠性管理機制，通過對設備運行數據的跟蹤、分析，能夠發現潛在的設備運行風險，優化設備的運維計劃和提高設備的運行效率（見圖4）。

圖4 設備智能診斷系統示意圖Fig．4 Illustration of equipment intelligent diagnosis system

（7）智能工具應用平臺

機器智能能力包含兩個方面：應用大數據建模預測、人工智能、認知計算技術對海量生產、運營、設計等數據及操作規程、法律法規、員工知識、行業經驗等文檔進行自然語言處理與人機交互學習，給出更優化的建議措施，助力生產人員、管理人員做出正確的決策；工業機器人的智能化應用，智能機器人工作時通過傳感器獲得外部環境信息的變化，可自主規劃行動路線，在適應環境的情況下完成既定工作目標。

3 數字核電應用價值分析

（1）全面推進業務能力提升

數字核電是基于三十多年來數字化、信息化建設的成果，以生產數字化為基礎，以管理信息化為支撐，積極推進智能化應用，高度集成核電全生命周期的業務、數據和資源，高效管理設備資產和數據資產，通過核電管理數字化轉型與升級，有效支撐核電安全、高效、經濟運營。

通過數字化、信息化技術與工業化的融合應用，建立 “覆蓋面廣、管控度深、預警性高、響應快速”的核安全主動防御與保障體系，確保核電廠的安全、可靠運行。

（2）全面提升企業數字化能力

數字核電包括生產數字化、精細化管理、可視化交互、智慧化運營、全壽期管控、全產業互聯這六個主要的業務特征，參考不同類型企業開展數字化建設需要具備的數字化能力，我們將數字核電需要具備數據感知、信息整合、信息可視、分析決策、三維仿真、機器智能、協同互聯這七個數字化能力，通過數字化能力的持續建設，推動數字核電的不斷完善。

（3）全面提升信息化水平

通過研究分析，我們認為核電企業目前普遍處于基本實現 “電子化”、部分實現 “數字化”的階段，通過數字核電的持續建設，能夠推動中國核電邁向基本實現 “數字化”、部分達到 “智能化”的發展階段，全面提升核電信息化水平。

4 結束語

核電數字化、智能化是大勢所趨，是核電未來參與市場競爭的基礎和前提。核電數字化、智能化既是挑戰也是機遇，是創造更多業務價值，進行管理提升的必由之路。

利用數字化技術實現核電運行維護的智能化，是進一步確保和提升核電安全、高效、經濟、穩定運行的有效途徑。核電企業通過積極籌劃，加強頂層設計，制定科學合理的推進策略、建設規劃，明確實施路徑，集中核電板塊的智慧和資源，統籌推進，則有望形成領先優勢，有望成為核電 “走出去” “國際化”戰略落地的核心競爭力。

數字化不是終點，是企業走向智能化并獲取更多業務價值的必經之路。以促進核電安全、高效、經濟運營為目標，在核電企業規模化、標準化、國際化的戰略引領下，結合自身的業務特點與數字化、信息化的需求，通過多種能力的持續建設，實現價值提升，推動核電企業由 “數字化感知”階段向 “智能化仿真與預測”階段邁進。

（責任編輯：白佳）

《中國核電》“創刊10周年”征文啟事

為紀念 《中國核電》雜志創刊10周年，雜志社現開展論文、照片、視頻征集活動，有關事宜如下：

一、征文范圍

參考選題如下 （下述選題僅供參考，作者可根據自己的研究范圍另行擬定）：

（1）中國核電產業發展規劃：核電政策、核電規劃、核電建設與發展；

（2）中國核電產業科技創新：核電研發和設計、核電運營與管理、核電設備制造；

（3）核燃料循環：鈾資源、核燃料元件制造、核燃料后處理

（4）核電安全：核電廠安全文化、輻射防護

（5）其他選題

二、論文要求

論文內容應具有科學性、先進性和實用性，能反映出近年來中國核電產業發展的新成果，文字通順、邏輯嚴謹，未公開發表過，無政治性、保密性問題。具體要求見附件。

三、論文發表

所征集的論文通過 《中國核電》雜志編委會審評后，評選出的優秀論文將在 《中國核電》正刊上 （免發表費）發表。其他文章經審查錄用后，可以 《中國核電》增刊 （2018年版）形式正式出版，論文審理費、發表費按 《中國核電》標準收取。相關費用待作者收到稿件錄用通知后再一并匯寄至 《中國核電》雜志社。

所征集的照片經篩選后擇優隨刊發表，視頻將刻錄至 “創刊10周年”紀念光盤中。

歡迎相關企事業、科研單位的專家、學者、科研人員以及大專院校的師生踴躍投稿。

四、征文截止時間：2017年11月15日

五、投稿郵箱：zghd10zhounian＠sina．com

六、聯系人：白佳 010－88828674，18811361993

Function Planning and Architecture Design of Digital Nuclear Power

WU Ji－ze
（Nuclear Power Operations Management Co．，Ltd．，CNNP，Jiaxing，Zhejiang Prov．314300，China）

“Digital nuclear power”is one of the key parts of the strategic development plans of nuclear power groups，and is also one of the core content of informatization．This paper first analyzes the business requirements，and then proposes the top－level architecture of digital nuclear power，and explores the effects of application so as to provide effective support to the implementation of digital nuclear power project．

digital nuclear power；intelligent nuclear power；wisdom nuclear power；architecture；3D；simulation；big data；artificial intelligence

TM623．1 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0348－07

TM623．1

A

1674－1617 （2017）03－0348－07

10．12058／zghd．2017．03．348

2017－06－25

伍吉澤 （1972—），男，四川人壽人，碩士，高級工程師，現主要從事企業信息化管理工作 （E－mail：wujize＠cnnp．com．cn）。