核電廠全生命周期數字化轉型研究與設計

徐建軍，王 浩，張 翼

（中廣核工程有限公司 核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518172）

0 引言

傳統核電廠向數字化核電廠轉型是大勢所趨，國內核電廠普遍已將數字化轉型作為企業戰略轉型升級的重要方向，傳統的核電廠正面臨著數字化轉型帶來的新挑戰、新機遇，越來越多的核電廠走上了數字化轉型之路。根據國際原子能機構（International Atomic Energy Agency，簡稱IAEA）發布的最新數據，截至2021年年底，全球在運核電機組439臺，其中中國在運53臺，僅次于美國的93臺和法國的56臺，在運機組數量位居全球第三。在數字化轉型的新時代背景下，中國核電企業普遍認識到數字化轉型的重要性，均提出以提升核電廠安全質量和核電經濟性指標為導向，利用新一代5G、人工智能、大數據分析、虛擬仿真等先進數字化技術，在核電廠數字化設計、數字化工程、數字化移交、數字化運行和退役等階段，分階段推進核電廠數字化轉型，逐步實現核電廠全生命周期數字化轉型的目標。

1 核電廠數字化轉型目標

1.1 實現全范圍全生命周期數字化

數字化核電廠建設是一個非常龐大的復雜系統工程，是以貫穿核電廠設計、建造、運維、退役等全生命周期為特征，采用先進的設計、建造、管理和控制手段，建設具有信息化、數字化和智能化特征的新一代核電廠。數字化核電廠建設范疇，不只是停留在核電廠管理信息化、狀態可視化的初級階段，而是逐步向電廠監控系統化、運維智能化方向轉變，從核電廠運行監控、維護檢修、安全應急等生產運行領域，逐步擴大到核電設計、施工管理、退役等其它應用領域。隨著信息化、數字化的普及與快速發展和核電產業鏈協作的不斷深化，數字化核電廠建設已從早期局部領域的數字化，擴大到設計、施工、移交、運維和管理、退役的核電廠全生命周期、全過程領域的數字化。

1.2 提升核電廠廣泛智能互聯水平

物聯網、5G等新一代信息通信技術開啟了萬物互聯的新時代，同樣也為核電廠重要設備的在線檢測、遠程診斷與集約控制等提供了必要的技術保障。通過對關鍵設備實時數據的采集與分析，再借助大數據、人工智能等前沿技術，構建廣覆蓋、低時延、高可靠性的核電廠互聯互通集成體系，實現廠區內外部各個控制和管理單元的無縫鏈接，進而實現電廠生產場景、生產方式和管理模式的顛覆性變革，甚至重構整個核電廠的時空體系。

1.3 促進核電產業鏈更為緊密合作

隨著信息技術快速發展和數字化應用逐漸普及，基于數字化的業務協作和信息共享將更為普遍，核電廠各建設方和電廠運行單位間合作變得更加緊密，協作方式也將發生根本性改變。隨著核電產業鏈協作的不斷深化，相關企業間的數據流和信息流交換也越加頻繁，核電產業的設計、制造、采購、施工、運行以及將來退役等各領域互有數據信息提資和交換，大量信息通過有效組織、挖掘和利用，最終將形成覆蓋核電產業各領域的全周期大數據體系，將不斷產生新的應用價值，反過來更加促進核電產業鏈的緊密合作。

2 核電廠數字化轉型關鍵技術

2.1 智能設計

設計是核電產業的龍頭，不僅影響著核電產業的方向和行業水平，而且直接決定著核電工程建造效率、質量及其經濟性。由于核電廠系統復雜、布局緊湊，一臺百萬千瓦級核電機組擁有300多個系統，近10萬臺套設備裝置，且核電設計參與專業多、約束條件多、迭代過程復雜。而基于云架構三維數字化協同設計體系，可以有效提高核電廠設計質量和效率，主要體現在兩個方面：首先是云設計的協同設計能力，將設計流程、平臺、資源整合到云端數據庫，實現按核電廠系統、功能及方案開展協同設計，通過資源整合、流程優化和協同創新，驅動設計業務流程創新、模式創新和功能創新，讓設備供應商、制造廠家和設計單位同步參與到前端設計中，顛覆傳統的設計模式。其次是設計平臺工具智能化，可以在較短時間內完成大量復雜運算，實現快速建模，生成三維模型數據的目標，提供模型數據自動校驗、電纜自動敷設、智能出圖等能力，甚至具備人工智能設計評價體系，利用大數據和人工智能學習算法，實現設計成果智能檢查、優化和發布。

2.2 數字孿生

數字孿生技術是聯系實體世界和數字世界的一種映射技術，近年來在核電領域應用迅速，正加快推動核電廠的數字化轉型。數字孿生技術融合了邊緣計算、智能互聯、人工智能等技術，利用智能在線檢測和快速建模仿真技術，實現對智能傳感數據實測、運維歷史數據分析，集成核電廠電、輻射、熱、振動、流體、壓力等多物理量的仿真過程，在虛擬空間中實現對實體核電廠機組、系統、設備的真實映射，并進行實時更新與動態演化。數字孿生模型能直觀、高效地洞悉核電廠系統數字孿生體之間共享智慧、共同進化的孿生共智狀態，數字孿生技術可應用到核電廠設備實體從早期概念設計到運維，再到退役拆解回收的全生命周期過程中。

2.3 虛擬仿真

虛擬仿真是利用虛擬現實、增強現實和混合現實的3R技術，將虛擬世界和現實世界信息融為一體的一種仿真技術，在核電廠數字化和智能化應用中發揮著重要作用。虛擬仿真技術利用計算機生成視、聽、嗅等感官信號，提供用戶豐富的沉浸式體驗，包括環境模擬、人的感知、設備操作等體驗，甚至可以達到超越現實的感官體驗。在核電設計階段，虛擬仿真技術實現了“所見即所得，所得即數據”的設計理念，對核電廠汽輪機、反應堆等廠房及設備進行虛擬布置和優化，對核電廠設施進行動態建模、優化設計和驗證；在核電廠施工、運行和退役階段，虛擬仿真技術能對傳統核電工程的操作工藝、邏輯和方案進行推演論證、風險評估、迭代優化。在核電廠全壽命周期數字化升級和服務中，虛擬仿真技術正發揮著其強大的直觀性、多樣性、實時性、交互性等數據交互和虛實聯動的優勢。

2.4 人工智能

人工智能是核電廠數字化轉型的關鍵應用技術，融合了云計算、大數據等前沿技術，利用數據、算力、算法三要素，快速提升核電廠智能化水平。人工智能可利用自然語言處理、智能語音、語義分析等先進技術，發揮在核電廠特殊場景環境應用上的獨特優勢，能夠極大提高核電廠運作效率和智能化水平。在核電安全領域，通過自動獲取設備運行數據，動態分析設備性能，預警潛在風險源，降低設備故障率。在安全生產領域，結合三維環境重建、視覺識別、運動控制等技術，實現各類機器人在特殊環境下的自動巡視、作業、處置等現場安全智能服務，提升核電廠人工智能技術應用水平。

3 核電廠數字化轉型思路

3.1 數字化設計

3.1.1 總體思路

核電廠數字化設計是核電廠數字化的第一步。數字化設計包括設計過程三維協同、設計成果數字化等要素，其內涵非常豐富，設計思路總體上須遵循如下原則[1]：①統一平臺。鑒于核電設計多專業、多用戶端點的特點，需考慮在統一工作流程和程序體系的基礎上，架構一套統一的跨專業的三維協同設計平臺，以實現各專業實時協同，實現三維數字化設計的策劃、組織、內容等要素的校審、接口、評審、發布等活動過程。②“兩化”融合。實現核電廠信息化和工業化高層次深度結合，開展工程設計和信息化技術的融合與延伸應用，有效推動核電廠內部縱向集成和產業鏈上下游的橫向集成，帶來企業生產場景、生產方式和管理模式等顛覆性變化。③板塊協同。以核電設計板塊為牽引，充分利用數字三維模型、后臺數據及可視化工具，為設計、設備采購、工程施工、調試四大板塊聯動并在應用上實現突破，如穹頂吊裝模擬、大型設備引入、大宗材料精細化管理等應用。④全方位管控。在數字化協同設計平臺基礎上，在安全、質量、環境、進度、技術、成本六大控制方面實施全方位管控。數字化三維協同設計總體思路如圖1。

圖1 數字化三維協同設計總體思路Fig.1 General idea of digital 3D collaborative design

3.1.2 架構設計

在遵循三維協同設計體系總體思路框架下，設計平臺應用架構設計的關鍵是要解決不同專業間的信息數據交換問題，以實現系統設計、布置設計、電儀設計、設備設計和力學計算等不同專業間的數據交換，包括設備建模設計、設備結構力學仿真分析協同、布置設計各專業協同、碰撞檢查、管道應力計算、力學計算、災害分析等功能。設計數據交換效率的高低，直接決定了核電工程設計工作的效率。數字化三維協同設計平臺架構設計如圖2。

圖2 核電廠數字化三維協同設計平臺架構設計Fig.2 Architecture design of digital 3D collaborative design platform for nuclear power plant

3.2 數字化工程

3.2.1 總體思路

數字化工程是在完成核電廠設計的基礎上，通過數字化采購、施工、調試和移交，與建成后的數字化核電廠有機相連，以支撐通過數字化轉型，實現對全核電廠全生命周期管理。數字化工程利用BIM、GIS、虛擬仿真、物聯網等新一代信息技術與核電工程相結合，以解決核電工程采購、施工、安裝、調試、移交等關鍵路徑上的主要問題，提升核電工程的質量和效率。總體看，數字化工程具有如下特征要素：①三維可視化應用。將傳統基于二維圖紙平面表達方式，轉為符合人體大腦感知的三維模式在平臺上直觀展示出來，提升溝通和施工效果，強化決策支持。②虛擬建造。利用虛擬仿真技術，對傳統核電工程的施工工藝、施工邏輯、施工方案進行推演論證化，對核電廠汽輪機、反應堆等廠房及設備進行虛擬布置和優化，對熱力管道、蒸汽管道、冷水管道、電力橋架等進行動態仿真、碰撞實驗和優化設計。③數據集成。實現將施工全過程中的三維模型、技術信息、安全質量、進度計劃等信息集成在一起，開展數字化施工、數字化調試，優化施工進度，確保施工邏輯科學合理，積累核電廠共模施工經驗反饋，進而有效提升核電工程質量和效率。

3.2.2 架構設計

數字化工程的核心是數字化施工，包括全過程施工進度管理、施工現場監測和控制的數字化、施工方案虛擬仿真驗證等。數字化采購是數字化施工的基本輸入，主要目標是實現采購的全生命周期數字化管理，包括立項和合同的數字化管理，以及運輸、倉儲、設備、大宗材料的數字化管理等。數字化調試是核電廠施工后期，利用數字化技術對核電廠各個設備及系統進行調試，包括數字化調試預演等重要任務，實現數字化監測調試和控制[2]。數字化工程架構設計如圖3。

圖3 核電廠數字化工程架構設計Fig.3 Architecture design of digital engineering for nuclear power plant

3.3 數字化移交

3.3.1 總體思路

數字化移交是將核電廠設計、工程建設、設備安裝調試過程中產生的各種施工、采購、安裝、調試等工程信息和數據，利用數字化移交平臺實現統一移交，為電廠后續運營提供數據保障，從而實現核電廠全生命周期的數字化管理[3]。數字化移交需具備如下特征要素：①有確定的數字移交范圍和內容，包括設備數據、土建數據、結構數據（SSC）、文件模型數據、調試數據、竣工數據等基礎數據信息。②具備移交管理規范，主要包括數字化移交策略的制定，移交格式的約定，移交流程和移交質保大綱編制。③具備移交技術規范，重點包括三維模型數據規范，包括模型的集合信息和非幾何信息，確定公共定義與值列表數據規范，包括廠房和構筑物及設備編碼、核安全等級定義值、文檔類工程文件移交技術規范。

3.3.2 平臺架構設計

數字化移交平臺是核電工程和運營兩大板塊之間信息和數據的通道，能夠實現把設計、工程過程的關鍵數據和模型移交至運行階段，為核電廠數字化轉型打下數據基礎。平臺連接工程數據移交雙方，實現從移交方向接收方工程數據的單向傳遞，按照平臺和工程數字化移交規范的要求，移交全套工程階段基礎數據。數字化移交平臺還需具備數據校驗功能，對移交數據的質量進行分析和監控，同時還可以導出必要數據至相關生產平臺的信息系統[3]。數字化移交管理平臺的架構設計如圖4。

圖4 核電廠數字化移交平臺架構設計Fig.4 Architecture design of digital handover platform for nuclear power plant

3.4 數字化運行

3.4.1 總體思路

核電廠數字化運營不同于核電廠的傳統運營，前者能在核電廠運行、監控、檢修、應急等各個環節進行數字技術的引入，帶來管控流程和工作效能的顯著轉變。總體思路上，需要從防人因和設備安全兩個維度，先應用于人員，再應用于設備，最后整合全廠的數字化運行。數字化運行具有如下特征要素：①移動辦公。可為現場作業提供多維支持，包括文件查詢、工單查詢，采用電子工作票，離線作業轉為在線作業。②定位感知。實現對核電廠人員與裝置的定位，為運維工作提供識別、導航、統計服務。③狀態監控。提供豐富的傳感視頻等監控手段，新增不易達區域、重要敏感區域、特殊設備，實時獲取各類測量數據，如RCP主泵、CRF泵高耗能設備無線監測。④智能運維。借助人工智能（AI）、專家系統技術完成各種維修和管理操作，遠程診斷操作，信息采集與數據分析全廠融合，全面實現在線檢測與智能控制。

3.4.2 架構設計

核電廠數字化運行平臺架構設計，主要是基于邊緣層的基本數據輸入和基于安全考慮的云基礎設施，實現過程控制的數字化和智能化。運行過程中的數字信息技術應用，不僅停留在核電廠運營管理方面，也廣泛應用在核電廠配置管理、運行監控、維護檢修、安全應急等生產運行過程中，最終實現核電廠自動化運行、智能化診斷、高效化檢修與快速化應急響應，大大提升核電廠的生產、管理和服務的智能化水平。核電廠數字化運行平臺架構設計如圖5。

圖5 核電廠數字化運行平臺架構設計Fig.5 Architecture design of digital operation platform for nuclear power plant

3.5 數字化退役

3.5.1 總體思路

退役是核電廠全生命周期中的最后一個階段。整體而言，核電廠退役工作復雜度高，挑戰性較大，主要體現在作業環境有一定輻射水平，操作技術具有較強的專業性，局部工程實施難度大。因此，從安全、經濟、合理角度出發，必須在實施退役工作前、實施過程中，借助仿真等數字化退役技術開展相關工作，實現對核電廠場景構造、設備虛擬拆除、虛擬去污、虛擬操作和虛擬計量顯示，以及退役工程量評估等重要作業，完成對核電廠退役工作的指導和實施。數字化退役技術研發需遵循如下原則：①放射性廢物處理最小化；②輻射防護與安全最優化；③保護退役工程人員及環境安全；④減少退役成本，施工周期盡量短。為此，核電廠需要提前做好退役技術和平臺研究，提升核電產業整體技術水平[4]。核電廠退役總體技術路線圖如圖6。

圖6 核電廠退役總體技術路線圖Fig.6 Overall technical route of nuclear power plant decommissioning

3.5.2 架構設計

基于虛擬現實技術的核電廠退役仿真軟件平臺，實現在核電廠虛擬的放射性環境下進行各種仿真操作，包括核設施的切割和拆除，放射性廢物的收集管理，輻射劑量場的計算及可視化，操作人員所接受計量的測算等，完成指導和實施退役。核電廠數字化退役仿真平臺架構設計主要考慮如下要素：①快速建模。通過三維模型數據輸入實現智能化建模，包括退役廠房設備等核實施建模、工具設備建模、相關輻射場建模等。建模內容主要包括：三維幾何模型輸入，放射性數據輸入與模型體素化，柔體、流體等二次建模。②功能仿真。仿真模塊是虛擬仿真平臺的核心，仿真被拆除物的各項工藝過程，如表面除污清洗、切割、爆破、收集、運輸等，其次是退役工程實施過程中大量動態過程仿真，包括大型工具的安裝、調試及拆解操作，以及可能使用的機械手臂的仿真等。③數值分析。實現對柔體、流體以及爆破的數值計算與仿真。④虛擬場景。主要實現退役場景顯示與交互操作的相關內容，如輻射場的可視化，渲染輻射場空間，以及不同場景的選擇和編輯，仿真數據和過程管理等。⑤評估。實現任務工作量、吸收計量、廢物產生量、耗時、工程量及計算、退役活動實施規劃等的估算及評價工作[5]。核電廠數字化退役仿真平臺架構設計如圖7。

圖7 核電廠數字化退役仿真平臺架構設計Fig.7 Architecture design of digital decommissioning simulation platform for nuclear power plant

4 結論

核電廠數字化轉型是一個長周期的系統工程，轉型將整體促進核電產業的迅速變革，加快提高新一代核電廠的設計、施工、調試、移交、運行和退役等全生命周期內總體的管理效率和質量水平，提升核電廠的安全性和經濟性，促進核電產業價值鏈相互融合，優化核電產業模式。從發展路徑看，核電廠數字化轉型實施路徑大體可分為3個階段[6]：第一步是實現核電產業各個領域信息的互通互享，為核電廠提供數字化工程交付，構建核電廠運行成果數字化體系，核電大數據初步建成并見成效；第二階段是持續拓展數字化在核電廠全生命周期中的應用，加大核電全產業鏈數字化協作與對接。大數據的充分挖掘利用，促使整個核電產業績效顯著提高；第三階段是實現核電產業價值鏈深化融合，大數據驅動核電產業技術與服務水平不斷創新，核電產業數字化高度發達，最終實現中國核電產業高質量發展。