數(shù)字孿生在核儀控DCS中的設(shè)計框架及應(yīng)用探索

王 愷，馬 權(quán)，楊宗昊，高 楠

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

0 引言

核儀控DCS 是一個集結(jié)構(gòu)、電氣、控制、熱力、信息等多學(xué)科于一體的分布式控制系統(tǒng)設(shè)備，該設(shè)備用來完成事故工況下反應(yīng)堆安全停堆、專設(shè)保護(hù)設(shè)施驅(qū)動，系統(tǒng)狀態(tài)控制指令等功能。在反應(yīng)堆運行過程中，來自現(xiàn)場的傳感器會向DCS 傳輸大量現(xiàn)場物理量信息，通過邏輯運算得出相應(yīng)邏輯指令，同時機(jī)柜自身也會產(chǎn)生非常多的狀態(tài)信息以及測試信息，這些信息長期沒有得到很好的關(guān)聯(lián)。在DCS 產(chǎn)品數(shù)字化過程中，傳統(tǒng)的設(shè)計理念和方法容易產(chǎn)生“信息孤島”和“信息重復(fù)”的問題，DCS 產(chǎn)生的動態(tài)信息流無法實時調(diào)度以及協(xié)同處理。本文通過借鑒數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢，提出了一些關(guān)于核儀控DCS 基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)計理念。

1 數(shù)字孿生技術(shù)起源及國內(nèi)外現(xiàn)狀

近年來，伴隨著以德國、美國和中國為代表的工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025 發(fā)展計劃的相繼提出，核電智能化儀控系統(tǒng)已經(jīng)開始逐漸取代數(shù)字化儀控系統(tǒng)，成為業(yè)界討論的熱點[1]。并且，隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化和數(shù)字化時代到來，構(gòu)建與真實實體一模一樣的數(shù)字孿生體成為可能。在這樣一個背景下，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運而生。

數(shù)字孿生的概念是2003 年美國教授Grieves 在其產(chǎn)品全生命周期（PLM）管理課程中所提出的[2]。2011 年進(jìn)一步明確給出數(shù)字孿生的3 個組成部分：“物理空間的實體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間以及虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口”。

表1 數(shù)字孿生的應(yīng)用探索Table 1 Application exploration of digital twin

2012 年NASA 公布的技術(shù)路線圖中也給出了數(shù)字孿生的概念描述：“數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程[3]。”

美國GE 公司認(rèn)為數(shù)字孿生包含有非常復(fù)雜的模型或系統(tǒng)。數(shù)字孿生需要收集大量設(shè)計、制造、檢測以及在線傳感器的運行數(shù)據(jù)，采用一系列基于高保真計算物理模型來預(yù)測運行期間全生命周期內(nèi)的健康狀況以及性能。

國內(nèi)對于數(shù)字孿生的研究起步較晚，研究基本處于初級階段。北京航空航天大學(xué)的陶飛[4]等人從車間的角度先給出了車間數(shù)字孿生的定義，然后提出了車間數(shù)字孿生的組成部分，主要包括：物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)、車間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)幾部分。虛擬車間是物流車間計算機(jī)的等價映射，主要負(fù)責(zé)對生產(chǎn)活動進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，并對物理車間的生產(chǎn)活動進(jìn)行實時的監(jiān)測、預(yù)測和調(diào)控；車間服務(wù)系統(tǒng)是指各類軟件系統(tǒng)的總稱，主要負(fù)責(zé)車間數(shù)字孿生驅(qū)動物理車間的運行，并且接受物理車間的生產(chǎn)反饋。

北京理工大學(xué)的莊存波[5]等從產(chǎn)品的視角給出了數(shù)字孿生的主要組成，主要包括：產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)、產(chǎn)品服務(wù)數(shù)據(jù)、以及產(chǎn)品退役和報廢數(shù)據(jù)等。

一些國際著名公司也對各自業(yè)務(wù)領(lǐng)域就數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了一定的應(yīng)用探索，如表1 所示。

2 基于數(shù)字孿生技術(shù)核儀控DCS在全生命周期內(nèi)的應(yīng)用需求

核電領(lǐng)域一旦出現(xiàn)嚴(yán)重安全事故，造成放射性物質(zhì)溢出，就會對環(huán)境和公眾產(chǎn)生輻射的危害，其影響數(shù)百上千年都難以消除，故安全在核電領(lǐng)域被放在了極為重要的位置。核電站的安全涉及從核電站建造到退役這樣一個非常廣的時空范圍。其中，核儀控DCS 作為核電站的“中樞神經(jīng)”，保證在全生命周期的安全性成為了核電站安全中重要的一環(huán)。

目前，核儀控DCS 產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)制造的特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）訂單生產(chǎn)。品種多、生產(chǎn)批量小，要根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制化設(shè)計研發(fā)；2）核儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由成千上萬的元器件組成，要進(jìn)行復(fù)雜的裝配，很多系統(tǒng)需要到現(xiàn)場進(jìn)行安裝和調(diào)試；3）核儀控系統(tǒng)用于控制、監(jiān)視和保護(hù)核電站，監(jiān)管部門對其安全性、可靠性以及生命周期管理等有著嚴(yán)格要求。

由于核儀控DCS 產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)制造的特點，使得當(dāng)前核儀控系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)制造的智能化程度相對較低，其現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）信息化程度不夠高。目前，核儀控系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)制造依然處于單個環(huán)節(jié)的信息化階段，研發(fā)設(shè)計、需求追蹤、文檔管理、物料管理各環(huán)節(jié)之間沒有聯(lián)系，形成好多子環(huán)節(jié)的“信息孤島”。

2）自動化程度不夠高。核儀控系統(tǒng)生產(chǎn)車間的裝備自動化程度低，很多采用人工，技術(shù)水平不夠穩(wěn)定，管理難度大。

3）流程不夠科學(xué)。核儀控系統(tǒng)從研發(fā)到生產(chǎn)制造的各環(huán)節(jié)流程不夠精益，造成較多返工和工期拖延問題。

鑒于以上對于核儀控DCS 產(chǎn)品的分析，在全生命周期的各個階段，核儀控系統(tǒng)產(chǎn)品對于數(shù)字孿生技術(shù)都有一定應(yīng)用需求，如圖1 所示。

在產(chǎn)品設(shè)計階段，DCS 產(chǎn)品需要經(jīng)歷輸入輸出模塊、主控模塊、通信模塊、電源等軟硬件模塊設(shè)計，以及硬件結(jié)構(gòu)及排布設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，接地設(shè)計和人機(jī)接口設(shè)計等過程。DCS 系統(tǒng)耦合關(guān)系復(fù)雜，要真正弄清楚系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)，在設(shè)計上對其進(jìn)行優(yōu)化，必須建立多物理域耦合模型，才能更好地分析設(shè)計優(yōu)化效果；另外，對于過往的設(shè)計而言，大多憑借的是個人經(jīng)驗驅(qū)動，并且設(shè)計上協(xié)同難度大，導(dǎo)致設(shè)計、校對和審核過程時間較長，數(shù)字孿生技術(shù)的引入可以有效縮短校審流程時長。產(chǎn)品設(shè)計中對設(shè)計的修改與試錯是頻繁的。因此，開發(fā)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺，利用數(shù)據(jù)實時交互可以實現(xiàn)多方協(xié)同，快速確定修改項，大大提高產(chǎn)品設(shè)計階段的迭代速率。

對于一個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，工藝和制造往往密不可分。在工藝設(shè)計階段，需要明確物料來源，操作者嚴(yán)格遵守工藝流程進(jìn)行接線，對DCS 的主要設(shè)備進(jìn)行選型和配置，對板卡進(jìn)行布置、安裝、接線。期間需要研究基于幾何量結(jié)構(gòu)實體的數(shù)字孿生模型，研究基于大數(shù)據(jù)的工藝優(yōu)化和工藝決策方法，完善裝配工藝流程，形成工藝改進(jìn)快速響應(yīng)機(jī)制，有效減少廢品率。此外，傳統(tǒng)生產(chǎn)人員在該階段需要掌握大量的標(biāo)準(zhǔn)文件、操作規(guī)范流程才能夠上崗作業(yè)，培養(yǎng)周期很長。通過數(shù)字孿生的手段，結(jié)合虛擬現(xiàn)實（VR）的技術(shù)，可在線提供直觀的操作指導(dǎo)，展示設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)加工過程，并能夠在線實時糾偏，能夠進(jìn)一步提高制造自動化水平。

在產(chǎn)品制造階段，需要對核儀控DCS 設(shè)備進(jìn)行組裝、集成，記錄生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備清單，檢測機(jī)柜狀態(tài)，并進(jìn)行功能及性能測試。組裝過程中涉及到電路板組裝、機(jī)箱裝配，集成過程，需要對電子、電氣元件、機(jī)箱、電纜進(jìn)行集成調(diào)試。在板卡制造階段，板卡制造是耗能最大的環(huán)節(jié)，通過打造智慧生產(chǎn)線，完善人員調(diào)度，對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，可以分析出具體制造環(huán)節(jié)的耗能大小，優(yōu)化加工步驟，有效降低制造企業(yè)成本。另外，對工件制造過程的實時跟蹤，獲得的分析結(jié)果有利于提升產(chǎn)品良品率。測試過程當(dāng)中，形成一套自動化測試工裝，通過面向性能和測試對象行為進(jìn)行定制化系統(tǒng)建模，將測試結(jié)果實時記錄存儲，為測試數(shù)據(jù)流管理奠定基礎(chǔ)。

圖1 核儀控DCS全生命周期內(nèi)的應(yīng)用需求Fig.1 Application requirements through the life cycle of nuclear I&C DCS

在產(chǎn)品運維階段，主要實現(xiàn)核儀控DCS 系統(tǒng)的運行在線監(jiān)測，定期進(jìn)行保養(yǎng)和升級改造。開發(fā)基于數(shù)字孿生的健康管理平臺，在DCS 設(shè)備發(fā)生故障的時候，及時找出故障原因，對故障設(shè)備進(jìn)行維修。在DCS 設(shè)備運行過程當(dāng)中，傳感器會捕捉大量的運行信號，可以在線監(jiān)測運行信號的波動情況，通過與正常運行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如：溫度場、電磁場，對不一致擾動進(jìn)行及時捕捉，定位退化元件。通過基于大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)來分析歷史運行數(shù)據(jù)，可以提高故障預(yù)測模型的泛化能力，實現(xiàn)未建模故障模式的準(zhǔn)確預(yù)測，并且提供必要的維修決策。

3 基于數(shù)字孿生的安全級DCS發(fā)展架構(gòu)

基于全生命周期的數(shù)字孿生核儀控DCS 的設(shè)計框架如圖2 所示，設(shè)計框架可以按照實體線和虛擬線兩部分進(jìn)行介紹。

就實體線而言，根據(jù)上游系統(tǒng)需求進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計綱領(lǐng)文件指導(dǎo)軟件設(shè)計，完成功能算法與接口設(shè)計，進(jìn)而指導(dǎo)硬件設(shè)計。生產(chǎn)制造部門根據(jù)上游需求生產(chǎn)相應(yīng)的硬件，通過裝配集成完成核儀控產(chǎn)品的組裝。為了驗證產(chǎn)品的各方面性能，會對系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)確認(rèn)，通過測試確保系統(tǒng)能夠滿足各項功能性能要求。在完成系統(tǒng)測試后，產(chǎn)品才可以投入正常運行。

圖2 基于數(shù)字孿生的核儀控DCS設(shè)計架構(gòu)Fig.2 Design architecture of nuclear I&C DCS based on digital twin technology

對于虛擬線而言，通過數(shù)字孿生技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計階段，系統(tǒng)設(shè)計會產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字化系統(tǒng)驗證模塊，軟件設(shè)計則會產(chǎn)生數(shù)字化軟件驗證模塊。這兩個模塊共同形成了數(shù)字化功能設(shè)計與驗證平臺。另外，在產(chǎn)品工藝制造階段，硬件設(shè)計產(chǎn)生數(shù)字化硬件驗證模塊，后續(xù)形成數(shù)字化工藝設(shè)計驗證平臺。數(shù)字化功能設(shè)計與驗證平臺和數(shù)字化工藝設(shè)計驗證平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，建立數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計平臺。生產(chǎn)制造和裝配集成產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)傳到工廠生產(chǎn)線，分板卡級和系統(tǒng)級兩部分，通過在線監(jiān)測和虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時指導(dǎo)儀控設(shè)備生產(chǎn)，形成智慧生產(chǎn)線。在產(chǎn)品運維階段，來自系統(tǒng)確認(rèn)的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生虛擬測試模塊，系統(tǒng)運維的數(shù)據(jù)產(chǎn)生運維管理模塊，這兩個模塊最終形成健康管理平臺，實現(xiàn)故障診斷和在線預(yù)測功能。

為了實現(xiàn)全生命周期的健康管理平臺，對應(yīng)產(chǎn)品各階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以與健康管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并且對應(yīng)各階段孿生模塊可以與其對應(yīng)的實體進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，保證了產(chǎn)品在全生命周期不斷進(jìn)行更新迭代。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 多領(lǐng)域數(shù)字化模型的構(gòu)建及仿真

多領(lǐng)域數(shù)字化模型是一個實體世界的數(shù)字化展現(xiàn)，在虛擬世界中完成模型構(gòu)建，來突出相應(yīng)實體的驗證和交互的產(chǎn)品周期過程。在核儀控系統(tǒng)數(shù)字化模型搭建中，依據(jù)仿真模型參數(shù)和三維實體模型結(jié)合，經(jīng)過數(shù)字化生產(chǎn)出真實產(chǎn)品，之后再反饋給仿真分析模型中，所有的數(shù)據(jù)模型可以實現(xiàn)雙向互通，使產(chǎn)品生命周期每個環(huán)節(jié)的數(shù)字化模型保持各自功能，達(dá)到實時監(jiān)測的性能。

核儀控系統(tǒng)模型的搭建主要體現(xiàn)在這幾個方面：1）儀控各系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備的物理和電氣特性的構(gòu)造模型搭建；2）儀控系統(tǒng)運行、檢修、調(diào)試、裝配以及各系統(tǒng)實際完成的功能及流程等功能模型搭建；3）儀控系統(tǒng)在各種工況、環(huán)境等多方面因素下，數(shù)據(jù)運行模型的搭建。

數(shù)字孿生模型需要盡可能真實地反映物理現(xiàn)象，其機(jī)理往往非常復(fù)雜，存在著多學(xué)科，多物理場的耦合。關(guān)于真實物理現(xiàn)象的耦合關(guān)系非常復(fù)雜，解析各種物理量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系誤差大，故難以分析各種物理量間的關(guān)聯(lián)，這種耦合模型的仿真計算難度大，計算費時，常用的方法有：有界面接口法、聯(lián)合界面邊界條件法、廣義有限元法、降階模型法。這些方法在求解瞬態(tài)問題的時候都難以保持穩(wěn)定，需要進(jìn)一步完善改進(jìn)。

4.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理

核儀控DCS 系統(tǒng)包含眾多模塊和設(shè)備，不同類型設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方法各異，較難形成一種統(tǒng)一有效的動態(tài)可配置的設(shè)備運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，并能同時對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。而且，針對設(shè)備運行狀態(tài)信息變量，目前的數(shù)據(jù)獲取僅僅為簡單的按一定固定周期獲取，沒有考慮實際需求中對狀態(tài)信息的采集周期和變量類型的實時配置，以及對采集變量優(yōu)先級的實時調(diào)度等，無法動態(tài)響應(yīng)實際需求中采集變量類型、數(shù)量、采集周期、優(yōu)先級等方面的變換。

故而，需要建立設(shè)備運行狀態(tài)信息采集與存儲平臺，整理多源異構(gòu)運行狀態(tài)信息采集方法， 充分考慮特征運行狀態(tài)信息的優(yōu)先級和實時性。針對采集到的大量設(shè)備運行狀態(tài)信息，通過搭建的平臺，采用當(dāng)前成熟的分布式存儲系統(tǒng)（HDFS）實現(xiàn)信息的大量實時存儲。

4.3 核儀控DCS模型虛實映射融合

多領(lǐng)域數(shù)字化核儀控系統(tǒng)模型是真實核儀控系統(tǒng)的再現(xiàn)，利用數(shù)字孿生技術(shù)超越現(xiàn)實，在虛擬空間完成模型的映射，來反映整套系統(tǒng)的全生命周期過程，從而實現(xiàn)實體產(chǎn)品與數(shù)字產(chǎn)品的交互。

在這個過程中，可將虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）引入到儀控系統(tǒng)的設(shè)計中，例如：在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過VR 技術(shù)將核儀控DCS 系統(tǒng)構(gòu)建為一個與實際基本一致的“虛擬”模型，用戶可通過使用虛擬交互設(shè)備，像在真實環(huán)境中一樣進(jìn)行體驗，驗證設(shè)計的合理性，從而對設(shè)計提出改進(jìn)意見。并且由于建模修改的便捷性，這個過程可以重復(fù)迭代，保證物理實體與數(shù)字模型的協(xié)調(diào)一致，以確保各系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4.4 核儀控DCS故障診斷與狀態(tài)預(yù)測

對于核儀控DCS 是典型的電子系統(tǒng)設(shè)備，組成模塊和模塊內(nèi)部都存在錯綜復(fù)雜的關(guān)系，設(shè)備的故障診斷難度非常大，故障傳播機(jī)理不明，故障特征難以提取。基于概率推理的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是貝葉斯方法的拓展，可以解決電子系統(tǒng)不確定性和關(guān)聯(lián)性引起的故障問題。針對漸發(fā)式故障，現(xiàn)有的預(yù)測技術(shù)有參數(shù)模型法和非參數(shù)模型法。其中，參數(shù)模型可根據(jù)系統(tǒng)過去和現(xiàn)在的狀態(tài)來預(yù)測將來時刻的狀態(tài)，常用的參數(shù)模型有：灰色模型、卡爾曼濾波器、回歸預(yù)測模型等，但缺陷很明顯，對模型自身的準(zhǔn)確度要求高，并且對于突變狀態(tài)難以預(yù)測；非參數(shù)模型法不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，不局限于模型的束縛，主要的非參數(shù)模型有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。非參數(shù)模型具有一定的自適應(yīng)自學(xué)習(xí)能力，但目前學(xué)習(xí)算法的優(yōu)化不夠完善，數(shù)據(jù)處理的效率不高，預(yù)測準(zhǔn)確度有待考察。

5 結(jié)束語

本文講述了數(shù)字孿生技術(shù)的起源以及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了一些著名廠商對于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用探索，分析了數(shù)字孿生技術(shù)在全生命周期內(nèi)DCS 產(chǎn)品的應(yīng)用需求，以及基于數(shù)字孿生技術(shù)的核儀控DCS 產(chǎn)品的設(shè)計框架及關(guān)鍵技術(shù)，并且提供了一些解決辦法。

目前而言，國內(nèi)產(chǎn)品對于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用大多還停留在概念階段，從經(jīng)濟(jì)性考慮，并不是所有產(chǎn)業(yè)都能夠通過產(chǎn)業(yè)升級獲得更高的利潤。因此，數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)大多圍繞一些高尖端、高附加值、高可靠性的產(chǎn)業(yè)。并且，這些產(chǎn)業(yè)對于數(shù)字孿生模型開發(fā)還很不完善，仍然有很多關(guān)鍵技術(shù)需要攻克，希望本文能夠給予后續(xù)的核儀控DCS產(chǎn)業(yè)開發(fā)提供一定啟發(fā)作用。