大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在核電設(shè)備健康分析的研究與實(shí)踐

田禾 翁黎明 俞建明

摘要：隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，在國家“兩化融合”和“智能制造”戰(zhàn)略的指引下，其已經(jīng)逐漸從互聯(lián)網(wǎng)走向各行各業(yè)，包括核電在內(nèi)的傳統(tǒng)工業(yè)如何應(yīng)用大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)來降低運(yùn)行成本、提升整體安全性成為行業(yè)接下來的重點(diǎn)研究方向。三門核電依托AP1000首堆的先進(jìn)設(shè)計(jì)，利用物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算技術(shù)將現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫姓k公網(wǎng)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析，實(shí)現(xiàn)了對主泵等關(guān)鍵設(shè)備的在線實(shí)時(shí)健康監(jiān)控與分析。本文對三門核電的設(shè)備健康分析的需求與技術(shù)方案進(jìn)行了簡要分析，總結(jié)了大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在核電設(shè)備健康分析應(yīng)用的一些經(jīng)驗(yàn)，為核電設(shè)備健康智能化發(fā)展與落地提供參考。

關(guān)鍵詞：核電；大數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)備健康；信息化；邊緣計(jì)算

一、引言

安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性是核電設(shè)備運(yùn)行的三大基本要素，加強(qiáng)對核電設(shè)備的性能監(jiān)測和狀態(tài)評估，提高核電設(shè)備的智能化運(yùn)維程度，對提高機(jī)組的安全性和可靠性，減少非計(jì)劃停堆和維修工作，降低運(yùn)維成本具有重要意義。

大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為解決設(shè)備過維修和欠維修提供了技術(shù)手段。國外核電行業(yè)已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域開展相關(guān)探索，并穩(wěn)步向狀態(tài)檢修發(fā)展。ABB、施耐德等國外著名廠家，以及DOE-NE、Supelec Centrale等機(jī)構(gòu)，已利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)融合技術(shù)對狀態(tài)檢修（設(shè)備狀態(tài)診斷）給出了相應(yīng)解決方案。但受限于狀態(tài)檢修目前發(fā)展的程度和進(jìn)度，一方面還無法實(shí)現(xiàn)對核電核心設(shè)備的全方位監(jiān)測和診斷，只能少部分地替代預(yù)防性維護(hù)；另一方面可用案例較少，技術(shù)的有效性和成熟性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

雖然國內(nèi)核電機(jī)組運(yùn)行過程中積累了大量的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)在國內(nèi)核電行業(yè)的利用還十分有限，當(dāng)前機(jī)組運(yùn)維仍以基于固定周期的預(yù)防性維護(hù)為主，過維修和欠維修情況始終存在。擬結(jié)合三門核電AP1000三代技術(shù)機(jī)組的實(shí)際情況，通過大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)開展設(shè)備健康管理的課題研究，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組安全與可靠性管理的突破。

二、課題分析

（一）研究對象

本課題所選取的研究對象主要包括轉(zhuǎn)動機(jī)械類的泵、風(fēng)機(jī)及變壓器。轉(zhuǎn)動機(jī)械類設(shè)備是電廠運(yùn)行過程中最容易出現(xiàn)故障，日常維護(hù)任務(wù)較重的設(shè)備類型之一。通過對轉(zhuǎn)動機(jī)械類設(shè)備增加新的非介入式傳感手段，如振動、溫度等可以有效降低人工預(yù)測性維修數(shù)據(jù)采集的成本，提高分析效率。變壓器是電廠SPV設(shè)備之一，其故障對電廠影響巨大。

（二）可行性分析

AP1000機(jī)組DCS工控系統(tǒng)自動化、數(shù)字化程度高，DCS采集點(diǎn)位達(dá)到了17萬點(diǎn)每臺機(jī)組，為核電大數(shù)據(jù)、智能化發(fā)展提供了先天有利條件；

AP1000工控系統(tǒng)更加先進(jìn)，數(shù)據(jù)更加豐富、可靠。廣泛采用數(shù)字化技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性、冗余性高，大量使用現(xiàn)場總線技術(shù)（Modbus、Profibus）與就地儀表、電氣設(shè)備、閥門等設(shè)備接口，能夠傳遞更多設(shè)備健康狀態(tài)信息；

AP1000廠房WIFI全覆蓋，具備良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，具備深入推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，為非介入式傳感器應(yīng)用提供條件；

國內(nèi)外核電在設(shè)備健康領(lǐng)域進(jìn)行了大量管理探索，積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，具備深入進(jìn)行設(shè)備健康大數(shù)據(jù)分析的實(shí)踐基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)在大量行業(yè)得到深入應(yīng)用，市場上已經(jīng)涌現(xiàn)不少具有大數(shù)據(jù)分析專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的公司。

總之，依托三門核電AP1000機(jī)組開展基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核電設(shè)備健康管理研究的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

（三）研究目標(biāo)

擬通過項(xiàng)目實(shí)踐，初步實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

降低設(shè)備管理工作負(fù)擔(dān)。具備數(shù)據(jù)分析、趨勢分析、異常報(bào)警、故障診斷、性能預(yù)測和自動報(bào)告等功能，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備，并對設(shè)備做出異常判斷和故障診斷，為人員做出決策提供參考依據(jù)。

通過連續(xù)在線智能監(jiān)測，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障機(jī)理模型，準(zhǔn)確判定設(shè)備微弱降級，主動預(yù)測設(shè)備未來狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)“不可見”的隱患。

通過大數(shù)據(jù)監(jiān)測和趨勢分析，提前發(fā)現(xiàn)問題并解決。減少過維修和欠維修次數(shù)，降低設(shè)備運(yùn)行成本。

三、系統(tǒng)功能與關(guān)鍵技術(shù)

（一）系統(tǒng)功能

通過建設(shè)，系統(tǒng)要具有如下主要功能：

對所監(jiān)測的系統(tǒng)的健康狀態(tài)、報(bào)警信息等給予總體概覽，并允許方便地在機(jī)組、系統(tǒng)、設(shè)備間導(dǎo)航。

根據(jù)設(shè)備性質(zhì)不同，實(shí)時(shí)展示設(shè)備的健康狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)信息、關(guān)鍵測點(diǎn)數(shù)據(jù)、性能預(yù)測等信息。

對測點(diǎn)信息進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢，可以關(guān)聯(lián)多個(gè)測點(diǎn)在同一畫面進(jìn)行展示，方便設(shè)備工程師對不同參數(shù)的進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。

實(shí)現(xiàn)同一相關(guān)參數(shù)在多個(gè)機(jī)組之間的橫向比對與分析，幫助快速發(fā)現(xiàn)異常參數(shù)。

建立結(jié)構(gòu)化的故障案例庫和故障規(guī)則庫，便于案例的積累和推理；基于案例和基于規(guī)則融合的故障推理機(jī)制，增強(qiáng)推理準(zhǔn)確性；輔助現(xiàn)場人員縮小監(jiān)測范圍，快速定位故障位置，確定故障原因，推薦維修及處理措施，減小排故時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)各類報(bào)告的自動生成。

（二）系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.主泵等多變量設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與早期異常預(yù)警技術(shù)

主泵作為核安全一級設(shè)備，是核電站核反應(yīng)堆的核心設(shè)備，為了對主泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位在線監(jiān)測，在主泵的各關(guān)鍵部位布置了多種精密傳感器。目前對主泵的狀態(tài)監(jiān)測方法主要是由生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家根據(jù)先驗(yàn)理論所設(shè)置的安全閾值，一旦超出閾值則會啟動報(bào)警機(jī)制并由現(xiàn)場工程師進(jìn)行分析處理。但這種監(jiān)測方法一旦出現(xiàn)報(bào)警，就會危及機(jī)組的正常運(yùn)行。因此對主泵等多變量設(shè)備采用一種多維設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測算法（MEPMAN），通過建立主泵的多維狀態(tài)變量的正常狀態(tài)基準(zhǔn)庫，通過計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)與正常狀態(tài)基準(zhǔn)庫的相似性，計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)值，通過估計(jì)值與實(shí)際值之間的殘差分布情況判斷主泵當(dāng)前狀態(tài)。這種方法具有自比較、工況脫敏、算法穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠提前先驗(yàn)閾值發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，為設(shè)備管理人員提供足夠時(shí)間去排查異常原因并作出相應(yīng)維護(hù)措施。

同時(shí)，考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場景與PI系統(tǒng)（生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)）的高度相似性，可與生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)共用同一套防火墻及交換機(jī)。

（四）系統(tǒng)邊緣數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)高可用架構(gòu)

通過部署邊緣計(jì)算服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采取、預(yù)處理和高可用性：

邊緣服務(wù)器部署有PI數(shù)據(jù)庫采集程序和邊緣采集程序。邊緣服務(wù)器和下游服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)正常連接的情況下PI數(shù)據(jù)和傳感器的測點(diǎn)數(shù)據(jù)通過邊緣服務(wù)器都往RabbitMQ集群（下游端）推送；

集成在后端服務(wù)集群的數(shù)據(jù)采集服務(wù)負(fù)責(zé)采集發(fā)送到RabbitMQ集群的測點(diǎn)數(shù)據(jù)（同時(shí)監(jiān)聽邊緣服務(wù)器上也是由RabbitMQ實(shí)現(xiàn)的緩沖隊(duì)列），存儲到本地HBase數(shù)據(jù)倉庫；

當(dāng)邊緣采集程序和PI數(shù)據(jù)庫采集程序診斷到邊緣服務(wù)器到下游服務(wù)器（RabbitMQ集群，后端測點(diǎn)采集服務(wù)）的網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí)，程序就轉(zhuǎn)發(fā)采集到的測點(diǎn)數(shù)據(jù)至本地緩存服務(wù)器而不再發(fā)送到RabbitMQ集群；

邊緣服務(wù)器的采集程序通過定時(shí)心跳服務(wù)診斷邊緣數(shù)據(jù)服務(wù)器和下游服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如果網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的話，繼續(xù)發(fā)送測點(diǎn)數(shù)據(jù)消息到RabbitMQ集群，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高可用；

測點(diǎn)采集服務(wù)也會監(jiān)聽邊緣服務(wù)器的緩存數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時(shí)候，自動會消費(fèi)斷網(wǎng)期間邊緣緩存服務(wù)緩存的的數(shù)據(jù)，增量補(bǔ)存到HBase數(shù)據(jù)倉庫。

五、實(shí)踐與小結(jié)

本課題以三門核電AP1000機(jī)組設(shè)備為研究基礎(chǔ)，根據(jù)三門核電現(xiàn)有設(shè)備管理現(xiàn)狀，結(jié)合先進(jìn)的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、設(shè)備故障預(yù)測與健康管理技術(shù)（PHM）及人工智能技術(shù)，利用設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，初步建立了一套科學(xué)的、標(biāo)準(zhǔn)的核電設(shè)備健康管理評價(jià)體系，可對關(guān)鍵、重要設(shè)備建立基于多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的高精度性能評判模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的自動趨勢分析與故障預(yù)警。

特別是在國內(nèi)核電領(lǐng)域首次應(yīng)用“基于相似度”的多維設(shè)備性能監(jiān)測算法（MEPMAN），提出主泵等復(fù)雜設(shè)備的性能監(jiān)督方案，同時(shí)通過振動測量探頭、邊緣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安裝部署以及無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對包括對廠用水泵等轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的可視化的持續(xù)監(jiān)測和分析。真正實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的維護(hù)，減少非計(jì)劃停堆，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，降低運(yùn)維成本。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉本生.田灣核電站設(shè)備維修管理研究[D]：2010.

（作者簡介：田禾，三門核電PHM項(xiàng)目組，高級工程師，碩士。研究方向：信息化管理；翁黎明，三門核電PHM項(xiàng)目組，高級工程師，碩士。研究方向：大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能；俞建明，三門核電PHM項(xiàng)目組，高級工程師，學(xué)士。研究方向：設(shè)備可靠性管理）