核電廠智慧化轉型的構想與構建

鄒正宇

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 背景

近年來，信息技術、數字技術迅猛發展，一些新技術被引入到核電廠的生產或管理中，因此產生了不少關于智慧核電廠的描述和論文。主要有這么幾類：一、某項信息技術或數字技術在核電廠某個領域工作中的應用，如：巡檢機器人的應用，利用視頻技術識別人員違章行為，三維可視化和VR技術在培訓中的應用，利用電子圍欄防走錯間隔等。二、從設計到生產的數字移交，把設計文件用數字版或電子版移交，這在一定程度上方便了生產運行期間做好數字管理技術的應用，但這里智慧電廠還相差很遠。三、一些設備監測的大數據應用，核心理論是基于模糊數學理論的計算機判斷與預警，用于設備是否需要維修的自動判斷。以上這些論文，重點在于某些信息技術、數字技術在核電廠的局部應用，并沒有從核電廠生產運行和管理的角度全面、系統、總體的做設計，因此并不是真正意義上的智慧核電廠。核電廠要真正做到智慧化，不僅要包括核電廠智慧管理和核電廠智慧生產這兩大方面，更要實現智慧管理與智慧生產的貫通與融合。

1.1 核電廠智慧管理

核電廠智慧管理，應用較早，使用也較成熟，主要表現在工作流程的電子化。核電廠智慧管理流程主要可以分成四類：主干流程，主要負責公司日常頻繁執行的生產工作的控制流程，如EAM；對公司人、財、物的控制流程，如ERP；對公司文件的控制流程，如ECM等。主干流程實現公司重要工作的端到端管理。支干流程，主要包括公司日常工作的計劃和管理，如，生產計劃、大修管理、早會管理、晚會管理、經驗反饋等。支干流程起到對公司工作的計劃管控作用。功能流程，主要實現某個相對獨立的功能，與其他流程接口較少、接口清晰、數據傳輸比較單一，如個人劑量管理、工業安全、堆芯物理、輻射防護、應急管理等流程。用戶流程，工作人員需要登錄不同的軟件系統執行不同的工作，隨著流程軟件越來越多，有必要開發統一的用戶流程，方便工作人員一次登錄后可以處理各流程中的業務。如為工作人員開發的iTASK，為領導開發的管理駕駛艙，為維修人員開發的iWeiXiu等。

核電廠智慧管理的開發和應用，在核電廠管理的一些局部領域實現了較為高效的運作。如：狀態報告管理、工作控制、預算與采購等很多流程，就單個流程而言運作順暢、高效。但這些局部的數字流程由于缺乏總體架構設計和基礎數據標準，離真正的智慧化還有較大差距，如：當現場一項預防性維修工作需要某個備件時，自動核庫、自動觸發立項發起采購，在工作當天備件剛好送到工作人員手中，這過程中相當多的環節都離不開人為干預。此外，一個成熟的核電廠擁有多個軟件系統非常普遍，不少電廠甚至使用超過100個應用軟件。這些復雜的軟件系統間數據傳輸量多、基礎數據標準不統一。要將這些彼此獨立的信息孤島貫通起來發揮協同作用，工作量不亞于重新開發一套新系統。對于一些國際大軟件公司開發的巨型軟件，如ERP、EAM等，想要完全滿足核電生產定制的需求就更是接近不可能。因此，在缺乏總體架構設計和基礎數據標準的情況下，以往核電廠智慧管理走的路是：開發、治理、再開發、再治理，不斷循環。隨著數字技術應用的發展，其帶來的便利逐步被大家所認識，數字化轉型逐步深入人心，各場景新的數字化轉型需求還會不斷涌現。因此，這個循環往復的過程還將長期進行下去。

1.2 核電廠智慧生產

核電廠智慧生產，是數字技術在核電生產運行、維修、設備管理的智慧化應用。這部分工作目前剛剛起步，有一些根據現有信息技術、數字技術的應用嘗試。如：無人值守，巡檢機器人的應用，視頻監控系統的應用等等。如果不對核電廠的智慧生產從總體上做思考和設計，很容易走上智慧管理的老路，開發、治理、再開發、再治理。因此，要站在核電廠生產的全局、全過程考慮，做好核電智慧生產的總體架構設計、規范基礎數據標準、做好數據傳輸和存儲硬件基礎的構建。

2 核電廠智慧生產構想

核電廠智慧生產是基于結構化的數字規程和數字圖紙的智慧生產系統，其基礎架構是以運行流程為骨干的實時運行數字孿生電廠。功能上具備利用智能導航、音視頻圖像識別、大數據分析等技術進行事前的風險識別和準備，事中的現場工作人員行為規范，事后的工作總結和記錄。做到工作內容可視化、工作要求標準化和工作記錄數字化。在實現大幅度減少人因失誤發生可能性、大幅度提升工作質量的同時，減輕工作人員壓力和減少對工作人員數量的需求。以下從智慧運行、智慧維修、智慧設備管理等三個方面具體闡述核電廠智慧運維的構想。

2.1 以數字運行流程圖和數字運行規程為基礎的智慧運行

以數字運行流程圖和數字運行規程為基礎，通過導航和智慧識別操作對象，可以防止人員走錯間隔和弄錯操作對象。通過使用操作對象的自動識別、音視頻操作指引、數字記錄、圖片和視頻記錄等技術的應用，利用機器的高可靠性來替代運行人員的識別與判斷，避免人因失誤的發生。此外，數字技術用于智慧防止人因失誤后，簡化了工作流程，在整個操作過程中，操作人員不需要再像以前用紙質記錄的方式那樣畫圈打勾和人工記錄各種數據。通過機器確認操作對象、語音指令操作內容，在操作完成后直接點擊完成，然后再出現下一步操作內容，不僅避免了跳步的可能性；同時，還可以通過拍照、視頻等方式自動記錄、自動判斷各項參數是否合格，簡化操作人員的記錄要求，實現核電廠的智慧運行。

(1)數字運行流程圖

數字運行流程圖，基于運行流程圖的電廠實時狀態的數字孿生，通過電廠數據、操作記錄的實時傳輸，準確顯示每個設備的實時狀態和參數，包括現場操作的手動閥門開關狀態、行政隔離、設備安措等信息在內的電廠所有設備的狀態，實現電廠運行狀態的實時顯示。

設備缺陷智慧申報。運行人員在巡檢時如果發現某設備有缺陷，用智能終端掃描該設備的標牌，系統自動跳出該設備當前已經存在的缺陷。工作人員在確認這是系統中不存在的新缺陷后，選擇填報新缺陷，于是系統自動顯示該設備的各類常見缺陷清單，運行人員選擇相應的缺陷，然后根據系統提示，拍攝照片或短視頻上傳，完成缺陷的申報。智能終端自動打印缺陷牌，運行人員把缺陷牌掛在設備上。

使用智能終端自動打印缺陷牌，運行人員就不需要先手寫記錄，然后回到辦公室再去填寫缺陷單，再打印缺陷單到現場掛上，免去了無價值的來回跑。因為在掃描設備標牌時，系統能顯示已有缺陷，這樣就不會重復填寫缺陷。當現場工作人員都配備了智能終端后，掛缺陷牌也就沒必要了。

每個設備的缺陷要根據它的特點事先做好常見缺陷清單，這不僅是為了方便缺陷填寫，更是為了對該設備、該類設備的缺陷進行長期的跟蹤和分析，以便在今后采取更有針對性的措施，消除或減少某個設備缺陷或某類缺陷的產生。

缺陷填寫后，其他運行人員在主控室，技術和維修人員在自己的辦公室就可以通過實時運行流程圖系統看到該設備現有的缺陷，點擊打開就可以看到具體的缺陷內容和圖片視頻。生產計劃、維修、運行管理人員和設備管理人員等相關工作人員不用到現場，在辦公室的計算機前就可以清楚看到電廠所有缺陷情況。

智慧隔離與安措。在數字運行流程圖上，工作人員不僅可以看到系統和設備的實時狀態，還可以查閱每個設備的控制邏輯、電源信息等。當維修工作需要隔離某個設備時，工作人員在自己的數字流程圖上提出工作對象狀態要求后，系統能自動給出安措方案，如：需要停運的設備、停電的設備、關閉的閥門、開啟的疏水放氣閥門清單和順序等，并可以演示安措實施過程和實施后的系統狀態。工作人員在確認該安措方案合理可行后，就可以生成安措票。這樣，維修人員、生產計劃人員和運行人員都可以預先知道這項維修工作對電廠和系統的影響。通過數字運行流程圖與該機組的風險監視(Risk-Monitoring)、故障樹分析等系統的數據貫通，自動計算隔離完成之后堆芯融化概率以及這項工作對堆芯融化概率的增量，以及因為這項隔離，產生了哪幾個臨時關鍵敏感設備(SPV)。

(2)數字運行規程

導航技術引導工作人員快速找到工作對象。根據操作內容，運行人員在智能終端的引導下，快速到達工作地點。系統根據操作對象所在位置，選擇最優路徑，如避開高輻射區域，引導工作人員快速到達工作地點，來到操作對象面前，并選擇最佳的工作位置。在高輻射區域操作時，可以減少操作人員的個人劑量；在執行緊急操作和不經常執行操作時，可以減少工作人員尋找設備的時間。

智慧識別操作對象。操作人員來到操作對象面前后，掃描設備標牌，系統自動識別設備操作對象是否正確。如果操作對象錯誤，智能終端立即發出警告，語音提示操作對象錯誤，同時PAD屏幕發出紅色閃光報警，并提示正確設備所在的位置。

智慧語音指令。如果操作對象正確，智能終端顯示操作對象正確，操作人員點擊操作內容，智能終端自動播報操作內容，如打開某某閥門，操作人員按指令完成自檢、執行操作。在執行一些復雜的，不常見的操作，如執行某個不常見的氣動閥的手動操作時，智能終端自動給出操作視頻指導操作人員。智能終端還可以根據需要，在特定的操作步驟前給出相應風險提示和操作注意事項如：“快速開啟閥門有水錘風險，請先緩慢打開半圈疏水，等待3分鐘，待疏水完成后再緩慢全開閥門”。

智慧操作記錄，設備狀態智慧識別。當操作執行完成后，在數字運行流程圖上，該閥門的狀態自動改為開啟。與此同時，在主控室的操縱員可以在數字運行流程圖上看到該閥門已經開啟，工程師在辦公室的電腦上也可以看到該閥門已經開啟。如果一項檢修工作的安措要求斷開某個開關并上鎖，操作員在完成操作后，系統會要求操作員拍照記錄，操作員根據系統提示，對相應開關進行拍照，系統能自動識別開關編號以及開關所處的狀態，對開關狀態的正確性做一個自動的判斷，相當于完成了一個獨立驗證，開關狀態也會立即反應到數字運行流程圖中。

試驗數據自動分析。當完成一項操作后，需要記錄某個參數，智能終端跳出頁面，要求掃描某個儀表，智能終端識別儀表編號正確、讀取儀表數值，然后發出指令“主系統壓力15.2 MPa，請確認”。操作員在確認正確后，按下確認鍵完成參數記錄。錄入后的參數，根據需要自動組表。如果參數異常，系統發出報警，操作人員檢查是否存在問題或申報缺陷。操作人員在操作中所記錄的重要參數，如閥門動作時間，將與限值和歷史數據自動對比，如果發生偏差時給出報警，并根據操作人員的指令，生成缺陷單。

2.2 以數字維修規程為基礎的智慧維修

以數字維修規程為基礎，通過導航和工作對象的智慧識別，防止走錯間隔、弄錯操作對象。基于圖片和視頻的維修步驟，保障維修過程的規范性。基于維修過程的圖片和視頻記錄以及智慧判斷，在維修過程中及時發現異常和偏差，確保維修的高質量。解決了傳統維修方式常常在設備投運后發生異常時，才知道維修過程中的可能存在異常和偏差的難題，實現智慧維修。

導航技術引導工作人員快速找到工作對象和智慧識別操作對象。根據操作內容，維修人員在智能終端的引導下，快速到達工作地點。通過智能終端對工作對象標牌的自動識別，避免工作人員弄錯工作對象。由于維修人員變化頻繁，這項技術對于減少維修人員尋找設備的時間，避免走錯間隔和弄錯工作對象，以及在高輻射區域操作時，減少操作人員的個人劑量都非常實用。

基于圖片和視頻的維修步驟，保障維修過程的規范性。在確認工作對象正確后，維修人員根據智能終端的指令完成現場布置和工作準備。然后根據智能終端的指令進行維修工作，如打開某容器的人孔門，智能終端用視頻或圖片的方式，顯示如何打開人孔門，包括相關的注意事項等。維修人員在理解該步驟的內容之后，按操作要求打開人孔門。

維修記錄的圖片化、視頻化、數字化，在人孔門打開完成后，維修人員點擊操作完成。智能終端要求維修人員拍照記錄設備內部狀況 (修前狀態As found)，如果發現缺陷，維修人員選擇填寫質量缺陷報告(QDR)，智能終端自動彈出缺陷類型，維修人員選擇相應的缺陷類型，并根據系統要求拍照或攝像。在某維修工作完成后，智能終端可能會要求維修人員拍照或錄像記錄，維修人員根據要求完成拍照或錄像，系統確認照片或錄像合格后，智能終端顯示下一步的操作內容。當需要記錄某些參數時，智慧終端跳出一個數字鍵盤，維修人員在完成測量后，用鍵盤輸入參數，終端會發出語音指令并顯示“突臺高度3.2毫米，請確認”。維修人員在確認正確后，按下確認鍵或通過語音確認完成參數記錄。對于大部分儀表，則可以終端掃描讀取。測量獲得的數據，可以跟歷史數據和限制自動比對，超過偏差時，智能終端會發出報警要求重新檢查或維修。在維修過程中及時發現異常和偏差，確保維修的高質量，解決了設備投運后發生異常時，才知道維修過程中的異常和偏差。自動歸類并生成圖標，供設備工程師分析評估。

智慧QC(質量見證)，在重要的操作步驟完成后，智能終端會要求工作人員拍照或拍攝視頻，以記錄關鍵步驟的執行情況，智能終端還能智慧識別執行狀況，如有偏差發出報警要求重新維修。這樣實現了由機器替代人執行QC的工作。

維修記錄的智慧應用，維修過程中記錄的重要參數、圖片和視頻，會自動進入到設備管理系統，設備管理系統會協助設備工程師，分析設備的歷史狀況和相關參數的變化趨勢，改進預防性維修措施或延長維修間隔。

2.3 以預防性維修大綱為基礎的智慧設備管理

以預防性維修大綱為綱，將每一項預防性維修項目合理地規劃到具體的維修規程中，并形成預防性維修工單。在完成了預防性維修項目數據標準化后，當預防性維修項目調整時，相關的維修規程和預防性維修工單能自動關聯調整。針對每張預防性維修工單，梳理維修工作中所需要的必換件，通過預防性維修工單與ERP(企業資源管理)系統的數據貫通，實現根據預防性維修工單自動進行必換件核庫，如果沒有庫存備件，則自動觸發采購立項，并給出備件使用的日期，而備件相關的技術參數則在ERP數據庫中已經存在。

設備工程師根據設備故障樹，建立每個設備的缺陷類型清單。當運行巡檢發現的缺陷時，按該設備的缺陷類型填寫缺陷單；當預防性維修設備打開后發現缺陷時，按該設備的缺陷類型填寫質量缺陷報告(QDR)；預防性維修時還要按要求用圖片和視頻記錄修前狀態(As found)。通過對設備缺陷數據的定期分析，可以發現哪些類型的設備經常發生缺陷、經常發生哪類缺陷，也可以發現哪類缺陷經常在哪些設備上發生；通過對修前狀態(As found)的分析，也可以發現哪些設備打開后內部是全新的，或者哪些部件是全新的。設備工程師根據缺陷和修前狀態，結合可靠性分析，對預防性維修內容做出雙向調節，即根據需要做加法，同時對沒有缺陷、內部狀態良好的做減法，做到精準維修。預防性維修內容的調整必須先調整大綱，然后由大綱控制去調整相應的維修規程和預防性維修工單，實現對預防性維修工作的閉環管理。

智慧電廠，從執行人員的角度看，由于執行內容更加清楚、執行標準更加明確、過程更加受控受控，對執行時人員的主觀能動性要求相對降低了。但是，要實現這些明確內容的受控執行，設計者需要事先充分考慮各種可能性、明確各種要求、對應標準、如何規范執行以確保結果是我們所期望的，這意味著整個過程的規劃、設計的要求更高。

3 核電廠智慧構建：做好“兩基礎一架構”

核電廠智慧構建，不僅著眼于核電廠智慧生產的實現，更要做到新實現的智慧生產與已應用的智慧管理之間的融會貫通。為實現智慧構建的總體目標，則基礎建設是關鍵，頂層設計是重點。要做好“兩基礎一架構”：一是數據基礎，即梳理基礎數據、建立基礎數據標準和實現數據貫通；二是網路基礎，即融合5G、視頻網、物聯網等技術的數據網絡；一架構是做好業務流程軟件的架構的頂層設計。

3.1 數據基礎

數據基礎是：梳理并確定基礎數據，明確每個基礎數據的數據標準、唯一產生點、管理責任和要求等。做好基礎數據的數據標準，才能實現數據貫通，這是數字化轉型能否成功的關鍵。梳理數據基礎的工作量非常大，而且需要花費大量的人力，但又不得不做好。如果同樣的事、物在不同的軟件中的數字編碼是不一樣的，當兩個軟件交互數據時就需要“翻譯”，就像下了數據高速公路后，需要再換一輛車才能到達現場，系統運行速度稍微慢一點。但如果幾個系統、十幾個系統同時且大量傳輸數據時，系統可能變得很慢、甚至死機，在用于指導現場操作時，則可能導致出錯或失誤。例如：要實現設備標牌的自動識別，就需要將運行規程、維修規程、運行流程圖和現場設備標牌做到設備名稱完全一致。數據標準工作完成后的好處也是很明顯的，當某個設備名稱修改時，可以實現所有文件自動聯動修改，避免人工修改掛萬漏一。

3.2 網路基礎

數字化是智慧電廠的基礎，網絡基礎就是數字的高速公路，通過建設融合5G、視頻網、物聯網等技術的數據網絡，實現核電廠內萬物互聯、人機隨時互聯。核電廠數字化轉型，帶來的是超大規模的數據傳輸，包括：核電廠內設備運行和狀態改變實時產生的數據；人機互動時各種指令及相應的文件、音視頻資料；遠程支持時的音視頻傳輸等，需要快速傳輸大量的數據。為此，網絡基礎不僅要做到所有工作現場全覆蓋，還要保證網絡的可靠、穩定和安全。

3.3 架構設計

如果不做好業務流程軟件的總體架構規劃，將來實施過程中容易出現數據標準不統一、數據不貫通、軟件互不兼容、甚至會發生相互沖突。核電廠的信息化一般都起步早，很多核電廠的大部分管理業務都已經信息化，但由于缺乏對業務流程軟件的總體架構規劃，以前各個業務流程軟件經常是根據需求找不同的軟件開發商開發的，單個的業務流程軟件運行很快、很好，但如果需要這些業務流程軟件相互配合、相互傳輸大量數據時，往往運行得非常慢，IT業務人員經常花費大量精力在新上軟件時解決這些難題，一些核電廠的業務流程軟件已經超過100個，這個問題就更加突出。

業務流程軟件總體架構的規劃要考慮全面、要有高度，實施的過程要根據可行性和成熟度逐步開展。首先，從整個電廠的生產考慮，全面覆蓋運行、維修和設備管理等各項工作，做好整體策劃。然后，從實施的角度，先易后難、先基礎后綜合，分階段逐步實施。例如，從目前技術成熟度看，應用三維測量技術，記錄每個房間內的設備布置，據此建立基礎數據庫，實現導航就可以先實施。梳理好設備名稱，做到現場標牌與運行規程、維修規程中的設備名稱一致，實現現場設備的智慧識別，這項工作的工作量明顯要大的多，但目前的技術和投入也是可行的，可以接下來實施。維修規程的結構化、數字化，由于設備量很大且設備種類很多，有些還需要一些研究工作，當前實現難度很大，需要做好規劃，挑選一些范圍小、頻度高、標準化程度好的相對獨立的設備開展試點，等積累了足夠的經驗后再逐步推廣。

4 結語

在過去幾十年中，核電企業在信息化上走在了前列。很多核電廠在管理上從早期使用一些自主開發或委托開發的獨立軟件，到現在使用ERP、EAM(生產管理系統)大型專業軟件與很多獨立專業軟件融為一體的綜合信息系統，基本實現了核電廠管理的信息化。由于對核安全極端重要性的考慮，在核電廠生產數字化轉型、實現智慧核電方面，各核電廠還是非常謹慎的。相比很多新興產業和完成了數字化改造的傳統產業，核電廠生產的數字化、智慧化相對落后。希望通過對核電廠智慧生產的構想，推動智慧核電廠的研究和實施，通過數字化和智慧化的轉型，讓核電廠在防止人因失誤和提升設備可靠性方面有質的提升，讓核電廠的生產變得更加簡單、更加可靠、更加安全。