工業互聯網平臺在核電應用的模式分析與場景研究

楊 強，秦緒濤，張鈞鳴，景應剛，李榮君，徐 奎，蘭 洋

(1.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430000)

當前，新一輪科技革命和產業變革正蓬勃興起，制造業加速向數字化、網絡化、智能化方向延伸拓展，軟件定義、數據驅動、平臺支撐、服務增值、智能主導的特征日趨明顯，加快發展工業互聯網平臺，不僅是各國順應產業發展大勢，搶占產業未來制高點的戰略選擇，也是我國加快制造強國和網絡強國建設，推動制造業質量變革、效率變革和動力變革，實現經濟高質量發展的客觀要求。

工業互聯網是工業云平臺的延伸發展，其本質是在傳統云平臺的基礎上疊加物聯網、大數據、人工智能等新興技術，構建更精準、實時、高效的數據采集體系。包括存儲、集成、訪問、分析、管理等功能性平臺，實現工業技術、經驗、知識的模型化、復用化，最終形成資源富集、協同參與的制造業生態[1-4]。

黨中央、國務院高度重視互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術和實體經濟融合發展。習近平總書記強調，要深入實施工業互聯網創新發展戰略。李克強總理在今年政府工作報告中提出發展工業互聯網平臺。2017年11月，國務院印發了《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，提出著力建設網絡、平臺、安全三大功能體系，實施工業互聯網平臺建設及推廣工程，形成多層次、系統化的平臺發展體系。隨著國家層面對產業升級、創新、經濟新動能的進一步強調，工業互聯網作為智能制造的基礎平臺，將會在整個制造業發展過程中起到越來越關鍵的作用[5，6]。

隨著電力市場的不斷變化以及應對當前電價工作面臨的嚴峻形勢的需要，核電企業需要通過提質增效來提升成本管理核心能力，依托信息化管理，全面提升管理水平，深化對標創優，精細化管理，實現企業質量效益雙提升。核電廠作為傳統制造企業，如能將大數據、人工智能、工業互聯網等新興技術應用到實際的業務場景中，發揮新技術對于生產運營和經營管理等相關領域的支持，能夠有效提升核電企業的核心競爭力[7-9]。

1 建設意義

加快建設和發展工業互聯網，推動互聯網、大數據、云計算、人工智能和實體經濟深度融合，對于核電企業而言具有重要意義。

一方面，工業互聯網是以數字化、網絡化、智能化為主要特征的新工業革命的關鍵基礎設施，加快其發展有利于加速核電行業智能制造發展，更大范圍、更高效率、更加精準地優化核電企業生產和服務資源配置，促進產業轉型升級，催生新技術、新業態、新模式，為制造強國建設提供新動能。工業互聯網還具有較強的滲透性，可從核電行業擴展成為產業上下游的產業領域網絡化、智能化升級必不可少的基礎設施，實現核電產業上下游、跨領域的廣泛互聯互通，打破“信息孤島”，促進集成共享。

另一方面，建設工業互聯網，有利于促進以云計算技術為基礎的網絡和計算基礎設施的演進升級，鍛煉一支掌握云計算數據中心建設涉及各技術領域核心能力的團隊，擁有面向外部市場提供從業務咨詢、平臺建設到應用推廣等多方面服務的能力。促進圍繞ERP、EAM、ECM、ERDB等核心業務系統的大數據、人工智能、物聯網等先進技術的應用。通過加強頂層設計、統籌部署，揚長避短、分步實施，能夠開創核電行業工業互聯網發展新局面，為企業發展賦予新的動能。

2 問題和應對

2.1 問題1：工業互聯網的選型與建設問題

工業互聯網是眾多工業技術和互聯網技術的集合，選擇一個合適的平臺對于后續基于平臺開展企業的設備上云和云上應用開發至關重要。既要避免被商業軟硬件平臺綁架，也要避免企業級產品的開發利用受制于人。工業互聯網的項目復雜度高，按照傳統的集成實施項目進行監理工作，難以把握項目的整體完成度和應用效果，必須對項目所采用的技術全面了解，才能達到實質性監理的目的。有鑒于此，核電企業可以通過與外界具有產業基金資助的成熟商業企業合作，建立產學研聯合的合作模式，明確雙方的職責劃分，將不可控的風險合理轉移給外部單位，確保企業項目落地的可控性。按照“保證為我所用、盡量為我所有”的原則最大程度保證項目成果的知識產權歸屬，確保核電企業掌握工業互聯網平臺的核心技術能力，合作形成的成果能夠在行業內得到積累與保留，擁有對同行核電廠的推廣應用權利。

2.2 問題2：工業互聯網的安全問題

對于核電這種工業控制系統的安全直接影響到核安全的企業而言，必須將工業互聯網的安全放在第一位，當前國內的工業互聯網安全保障能力相對薄弱，工業核心設備及系統自主研發能力不足，安全技術和產品相對匱乏，產業支撐效應不明顯，難以滿足當前工業信息安全發展的現實需求。基于此，提升工業控制系統信息安全能力、加強工業互聯網安全保障成為核電企業工業信息安全工作的重中之重。工業互聯網的信息安全需要國家、行業、企業不同層面共同努力，通過加強統籌協調規劃、加大資金保障力度、加快人才隊伍建設、加深合作交流推廣四個方面來保障工業互聯網信息安全體系的建設，共建工業信息安全生態圈，提升工業安全的核心技術能力，確保工業互聯網平臺的安全落地。

3 核電企業建設工業互聯網的客觀條件

3.1 核電廠開展工業互聯網建設的基礎設施較好

以田灣核電廠為例，儀控系統采用當今世界的先進的西門子數字化分散控制系統(DCS)；擴建工程5、6號機組全廠數字化儀控系統采用自主知識產權的核電DCS“和睦系統”；擴建廠房無線網絡已經投用。這些都為工業互聯網平臺的邊緣計算建立了良好的技術基礎。在IaaS層，田灣核電廠擁有獨立的數據中心，能夠提供穩定可靠的計算存儲、網絡服務、安全服務，提供高可用的數據服務，且制定了完備的業務連續性保障措施，能夠作為工業互聯網平臺應用的基礎架構資源。在PaaS層，田灣核電廠深入研究和探索云數據庫、各類服務中間件以及微服務架構等技術產品的應用，融合大數據、移動互聯網、機器學習等技術組件，形成一套以開源產品為基礎依托的應用開發框架，能夠支撐工業互聯網平臺的應用開發需要。

3.2 核電廠信息化管理基礎較好

核電廠在參照國際標準的基礎上，建立起涵蓋項目管理、運維、信息安全、數據及企業架構等領域的IT管理體系。信息化在做好“高效、可預測的運營服務提供者”的同時，逐步向“信息資源整合及靈敏方案提供者”擴展，致力于在洞察用戶需求的基礎上提供信息化服務和數字化工具，努力打造創新型IT職能部門。信息化工作堅持與領先的數字化轉型的推動者們加強創新合作，提升自身技術能力，為企業的數字化轉型奠定基礎。這些管理能力的積累為引入工業互聯網提供了可靠的管理支撐。

3.3 核電廠設備管理提升需求強烈

設備管理的安全性和可靠性不僅關系到核電機組的安全可靠，還影響著核電的經濟效益。根據歷史數據統計分析，發現由于設備問題引起的停堆停機事件占到總事件的87%，人因和外部事件占13%。因此，有必要加強設備的可靠性管理，從而提高機組的安全性和可靠性，減少非停和維修工作，增加經濟效益。核電廠通過成立專責的設備管理部門，與維修工作的具體執行部門一起研究設備管理的效益提升。工業互聯網作為提高設備監測和分析能力的利器，引入與應用已經迫在眉睫。

3.4 核電廠類似工作已開展良久

工業互聯網平臺中一項重要技術就是數字孿生，通過物理實體和數字孿生狀態的連續同步而實現數字孿生與物理實體集成，將模型與物理實體的當前以及歷史的數據交互中，不斷得到改進、更新、修正。數字孿生可直接比對和分析物理實體的期望值和測量值，在此基礎上實施更優化的控制。數字孿生可用于物理世界全生命周期的仿真、監測、優化和驗證。這項技術與核電廠開展數字化模擬機管理工作類似，將真實工況數據與模擬機進行結合就是數字孿生的雛形。可以說，工業互聯網的技術并不新鮮，得益于技術的發展能夠更為廣泛地得到應用。

4 核電企業建設工業互聯網的切入點

設備是核電廠固定資產的重要組成部分，設備管理水平的提升，是保證核電廠安全穩定持續運行的基礎，是構建設備互聯智能的基礎，是實現“發展提速、經營提質、運作提效”的重要支撐。當下，無論是“中國制造2025”還是“互聯網+”，本質都是工業化和信息化相互融合的不斷深化。為深化“兩化”融合，有必要通過工業互聯網平臺實現設備運行狀態的智能監測，實現設備的智能運營，從而持續推動管理體制創新，增強企業經營活力，打造核電行業設備智能運營標桿。

設備工業互聯網平臺以設備的機械故障、電氣故障、儀表故障在線監測為基礎，通過連續監測設備運行數據，詳細記錄設備運行、維護、檢修狀態，實現以故障預判結論觸發運維檢修工作流程，從而全面推動設備狀態檢修在核電企業的落地實現。通過設備智能運維檢修管理，可以掌握設備的生命周期，合理安排運維檢修工作，并可對存在故障隱患的設備進行重點排查，實現減少設備非正常下線次數，防止設備帶病運行，降低設備大修頻率，節省設備運維費用，并切實降低非計劃停機事故發生次數。

在技術上，設備工業互聯網平臺將實現對企業內的穩態和非穩態設備狀態的全面監測，包括對電機轉速、電流、電壓、溫度等工藝量信號接入和設備運行振動數據及客體表面溫度的采集，通過對設備自帶工藝量信號的提取和振動傳感器部署實現對設備狀態完整的監測。通入設備智能運維檢修管理功能，利用系統內的機械故障診斷模型、電氣故障診斷模型和儀表故障診斷模型對異常數據進行深度挖掘，能夠準確實現故障判斷和定位，利用系統的報表功能，為設備運維和檢修管理決策提供支撐。為檢修作業流程和標準提供建議，同時實現現場知識經驗的積累和沉淀，促進整體管理水平的提升。

借助設備工業互聯網平臺，實現連續在線監測監控設備運行數據、縮短設備定期檢測周期，細致記錄總結設備運行狀態，掌握設備生命周期，對存在故障隱患重點檢測；實現減少在線運行設備非正常下線次數，降低設備大修頻率，節省設備修理費用成本，嚴防設備帶病作業，明確設備事故責任等工作目標，從而降低設備維修故障率，力爭將非計劃停堆事件降為0。

5 核電企業建設工業互聯網的應用場景

5.1 核電全壽期實體對象知識圖譜

知識圖譜是以語義網絡為骨架構建起來的巨型、網絡化的知識系統，能捕捉并呈現領域概念之間的語義關系，使瑣碎、零散的知識相互連接，支持綜合性知識檢索以及問答、決策支持等智能應用。核電廠實體對象知識圖譜主要是以核電廠實體對象為骨架構建的知識圖譜體系，以現有的數據庫資源為知識圖譜填充內容。可視化的語義圖可以形象地表達領域概念之間的關聯，用戶可通過交互的方式來瀏覽領域概念，選擇其中的某個概念開始構造查詢或搜索。核電廠實體對象知識圖譜能增強核電廠實體對象知識資源的聯通性，支持用戶在概念層次上瀏覽領域知識資源，發現核電廠實體對象概念或知識資源之間的潛在聯系。

基于核電廠實體對象知識圖譜在傳統的檢索系統中嵌人“知識圖譜卡片”，系統會根據用戶的輸入識別出概念，列出概念的核心信息和相關信息。用戶可根據不同需求了解概念及其相關知識，在相關概念之間進行跳轉，從而對檢索點進行全方面的了解。這種基于知識圖譜的檢索系統不僅直接提供給用戶輸入的知識，而且提供了相關的信息，方便檢索。

基于核電廠實體對象知識圖譜實現核電廠實體對象知識地圖系統，知識地圖以可視化概念圖的方式形象地表達領域概念之間的關聯，用戶可通過交互式的方式來瀏覽核電廠實體對象相關概念，選擇感興趣的概念查詢瀏覽。知識地圖能夠實現對核電廠實體對象知識的有效組織和導航，協助用戶快速找到所關注的知識點，有可能幫助用戶發現潛在的知識等。

基于知識圖譜搭建核電廠實體對象維基百科系統，面向核電廠實體對象工作者和用戶提供百科全書式的知識服務。核電廠實體對象維基百科系統按概念實體對知識和文獻進行組織，將知識圖譜中關于某個概念實體的知識以百科形式綜合呈現出來，包括該概念的名稱、類型、簡介、文字信息以及語義關系等，列出與該實體相關的文獻題錄。相較于傳統的維基百科，基于核電廠實體對象知識圖譜的維基百科是利用知識圖譜將已有的核電廠實體對象信息資源有序組織起來，提供知識點的關聯性，具有自動提供知識并能追溯知識源的特點。

5.2 設備故障智能診斷與預測性維修

傳統的設備狀態監測主要依靠人工定期采集設備的振動參數和油質參數來實現有限的狀態監測。隨著傳感技術與計算機技術的發展，設備狀態監測技術開始朝著自動化、智能化的方向發展。通過在設備上增加振動、溫度、噪聲等傳感器，并與實時數據系統進行集成，能夠將設備物理模型與數理模型進行同步對照，形成多維度診斷分析的依據。實現的典型功能目標包括：

實現多源異構參數的同步與融合。融合核電廠實時數據系統抽取的標準格式化數據、就地振動傳感器上傳的高頻振動數據、油質傳感器通過RS485通信接口上傳的廠家自定義格式數據以及聲學傳感器通過PCI接口上傳的文本數據，實現不同來源數據的解析、同步與融合。

實現基于多元狀態評估的異常判斷。數據經過同步和融合后不能直接用來進行設備狀態評估，必須經過一定的預處理。在進行設備狀態評估時，單個或少量參數很難達到預期效果，必須是多元的。通過計算多元參數之間的耦合關系，然后與大量歷史記錄進行比較，從而對設備狀態進行評估。

實現設備參數變化趨勢的自動識別、分析和預測。核心參數變化趨勢能在一定程度上反映設備的健康狀態變化趨勢，建立參數變化趨勢的自動識別、分析和預測有助于更好地實現設備狀態監測。

實現設備狀態提前預警。設備狀態變化效應從時效性來說是噪聲分析>振動頻譜分析>振動幅值監測>溫度監測>油質監測。通過加裝聲學傳感器并引入振動頻譜分析和聲學分析能夠較早地檢測到設備狀態的輕微變化，從而實現提前預警。采用多元狀態估計方法，通過比較當前健康數據和歷史健康矩陣的相似度，然后與設定門限進行比較，也能達到發現設備輕微異常提前進行狀態預警的目的。最后通過對核心參數趨勢預測，然后比較預測結果與設定門限的差值距離，也能實現一定程度的提前預警。

實現基于數據模型和機理模型相融合的設備故障智能診斷。在實際應用中僅實現異常檢測與判斷往往是不夠的，工程師希望能夠有一種手段幫助其定位問題發生的部位和原因。系統將用數據模型和機理模型兩種方法來進行故障定位和分析。數據模型通過借助大數據分析技術，以異常測點預警的形式粗略定位異常指標和故障部位。機理模型則是借助振動頻譜分析和聲學分析的手段精準定位故障發生的部件和位置。

5.3 大修模擬仿真平臺

核電廠大修存在工期短、項目多、工作量大、工作接口多等特點，有大量交叉作業任務，且工作環境復雜，存在很高的人因風險和輻照風險。為了提高工作效率，優化和減少大修工期，合理調配大修支持資源，需要采用模擬仿真技術對大修過程進行模擬操作，以實現和降低大修不可預期事件發生，合理安排大修工期和提前做好維修預案。

大修模擬仿真平臺實現現場與設備三維視圖，融合大修進度計劃、維修項目任務、資源調配、成本控制、安全監督、輻射防護、質量控制等維度，實現大修實景模擬仿真，用以預測風險，調控任務及資源，有效優化大修計劃安排，管控實施進度，保證大修實際有序開展。比如，構建三維模型，可查看設備任意剖面、設備內部和零部件結構，三維模型與設備屬性參數、相關圖紙關聯，細化到檢修中需要拆卸回裝的所有部件；檢修工藝三維仿真，主要包括檢修過程中的工藝步驟三維動畫，展示設備拆裝過程，關鍵步驟含有放大細節展示場景；檢修路徑三維仿真，主要包括大修檢修路徑實施步驟三維動畫，模擬檢修工作進程，檢驗檢修進程、步驟適宜性和可行性，模擬排程實現檢修路徑優化；檢修經驗反饋事件三維仿真，根據典型事件報告對事件進行細致深入的模擬仿真分析，明確事件原因，制定防止事故發生的糾正措施并進行模擬仿真驗證。

5.4 移動維修操作及業務管控平臺

針對移動終端應用特點，為提高移動終端系統運行速度與效率，盡可能減少PC端因移動終端取數影響，以及移動端應用數據對PC端數據的改變，建立移動維修操作及業務管控平臺，作為PC端與移動終端中間聯絡平臺，實現數據交互記錄移動端業務操作過程數據。

移動維修操作及業務管控平臺采用基于角色的工作流模型和瀏覽器/服務器模式的三層體系架構，實現不同角色用戶按照維修管理流程處理不同的節點任務，用戶在個人電腦用瀏覽器或智能手機端用報修管理應用APP，均可方便靈活地登錄平臺進行任務處理。系統基本功能模塊包括基礎數據管理、維修流程管理、備件庫存管理和統計報表管理。

準確的基礎數據是信息系統順暢運行的支撐和前提。移動維修操作及業務管控平臺需從PC端獲取大量基礎數據并及時進行更新，以保證數據庫的準確性，如維修服務收費標準，備件信息關聯備件名稱、規格、型號和價格，常見維修事件分類設置默認維修要求完成時間，辦公區域設置關聯座機號碼及其安裝地址、歸屬科室等信息，員工編號關聯員工姓名、手機虛擬網短號和科室信息等，這些數據在系統運行過程中經常需要自動關聯引用，以提高使用人員工作效率。

維修流程設計采用基于工作流的角色模型，每個流程節點的處理人都可以在PC端或手機端接收訴求單的任務消息，執行處理后提交給后續節點處理人，或回退給上一節點處理人。用戶通過系統平臺提出維修申請，生產計劃人員根據報修緊急程度進行任務流轉，將維修申請指派給相關職能班組，班組進行工作準備并開展維修，維修完成后由運行人員結票驗證，通過后維修人員填寫完工報告并提交關閉申請。

備件庫存管理模塊包括備件入庫、出庫、退庫、調撥、報損和備件查詢等功能，能夠規范和簡化維修人員在手機端辦理相關領用及退庫業務，提高工作效率。具體使用場景包括，維修人員接到訴求單派工任務后，根據報修信息預判故障原因，并預估維修所需的材料備件，到備件倉庫領用備件。倉庫管理人員使用掃碼設備掃描工單的二維碼，讀取對應的訴求單編號，再掃描備件上的條形碼，將訴求單和備件出庫記錄建立對應聯系，出庫的備件自動關聯到維修單中的材料費中。維修師傅完成維修之后只需要輸入對應的使用數量即可，不需要再填寫材料名稱和規格型號。維修完成時備件如有剩余，可以前往備件倉庫進行退庫操作。此外，備件清查模塊可以進行庫存盤點，查詢維修人員領用和使用量，避免材料浪費。

報修管理平臺的應用積累了大量與維修管理相關的知識和信息，記錄所有設施設備的故障現象、故障原因及其解決方案。通過整理和分析這些數據信息建立維修知識庫，可以為后續維修節省時間和成本。系統提供多樣化的統計報表，通過信息化平臺規范數據輸入，可以進行多維度的信息檢索和統計分析，如按報修科室、受理職能部門、緊急程度、報修地址、常見報修事件分類，維修人員統計訴求單數量和維修費用信息。

6 總結和展望

核電企業建設以及應用工業互聯網平臺有助于推進核電安全可靠發展，迎接電力改革挑戰，推動核能產業鏈“走出去”，助力“中國制造2025”；能夠有效提升資源效率，為核電企業的建設增加更為智能的力量。