核電廠智能化儀控系統(tǒng)應(yīng)用框架設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)構(gòu)想

□李鳴謙 王 碩 陳日罡

一、引言

“工業(yè)4.0”概念首次提出了以高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。2015年，我國(guó)繼而提出了“中國(guó)制造2025”，其內(nèi)涵旨在信息化和工業(yè)化深度融合的背景下，應(yīng)對(duì)人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等領(lǐng)域新技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)重點(diǎn)行業(yè)智能轉(zhuǎn)型升級(jí)。在“中國(guó)制造2025”列出的十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域中，新一代信息技術(shù)、高檔數(shù)控車(chē)床和機(jī)器人、電力裝備等均與核電行業(yè)緊密相關(guān)。在2018年底中核集團(tuán)發(fā)布的《創(chuàng)新2030》工程方案中，將“智慧核工業(yè)”列為29項(xiàng)重點(diǎn)型號(hào)任務(wù)之一，在2030年前初步建成智慧核工業(yè)，通過(guò)廣泛采用現(xiàn)代技術(shù)(如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)和移動(dòng)應(yīng)用等)，首先做到“少人干預(yù)，少人值守”，最終實(shí)現(xiàn)裝備無(wú)人化和工廠智能化。從核電發(fā)展的需求上，隨著對(duì)于核電安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提升，新型核電機(jī)組的出現(xiàn)，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)，都需要智能化技術(shù)的貢獻(xiàn)。可見(jiàn)，智能化已經(jīng)成為核電技術(shù)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)[1]。

從各行業(yè)智能化探索的過(guò)程中可以看出，智能化技術(shù)的基礎(chǔ)是狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)交互、算法和人機(jī)交互。對(duì)于核電領(lǐng)域，智能化電廠的核心目標(biāo)是提高機(jī)組的自動(dòng)化、信息化水平和運(yùn)行效率，進(jìn)一步提升安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，作為核電廠數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和人機(jī)交互的綜合平臺(tái)，以?xún)x控系統(tǒng)為核心的電廠監(jiān)控系統(tǒng)的智能化在核電廠智能化進(jìn)程中起著銜接總體規(guī)劃和具體技術(shù)落地的承上啟下作用，需要制定出與核電智能化相匹配的技術(shù)方案。

但是，現(xiàn)有數(shù)字化系統(tǒng)的能力還沒(méi)有充分的利用，例如電廠的自動(dòng)化水平并沒(méi)有比基于模擬技術(shù)的電廠有顯著的提升、海量數(shù)據(jù)缺乏深入的挖掘等。對(duì)于智能化技術(shù)的研究和應(yīng)用，則還是處于研究探索階段，僅有少量零星的工程應(yīng)用。因此，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有核電廠典型運(yùn)行任務(wù)流程的分析，提出集智能監(jiān)測(cè)、智能診斷、智能控制、智能交互于一體的核電智能化儀控技術(shù)應(yīng)用框架及其設(shè)計(jì)方案。

二、智能化技術(shù)應(yīng)用框架分析與設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有核電廠運(yùn)行體系的分析，典型的運(yùn)行任務(wù)流程如圖1所示。

圖1 典型的運(yùn)行任務(wù)流程

正常運(yùn)行工況下，操縱員需要對(duì)核電廠的整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，以確定電廠處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。在監(jiān)視中發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常后，需要對(duì)電廠的狀態(tài)進(jìn)行診斷和分析，以確定異常、故障以及事故的原因和來(lái)源。之后通過(guò)自動(dòng)化/人工干預(yù)手段排除故障或?qū)⒑穗姀S帶入并維持在安全狀態(tài)下。基于以上運(yùn)行任務(wù)的模型，本文從少人監(jiān)控/無(wú)人值守的目標(biāo)出發(fā)，將智能化運(yùn)行所需由操縱員來(lái)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行功能劃分為智能監(jiān)測(cè)、智能診斷、智能控制和智能交互四個(gè)方向。

(一)智能監(jiān)測(cè)。核電廠的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是保障機(jī)組運(yùn)行安全最重要的任務(wù)之一。當(dāng)前核電廠使用的基于固定閾值的狀態(tài)檢測(cè)方法中，可以在監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)其誤差邊界時(shí)提示異常，但較寬的誤差邊界又會(huì)降低異常檢測(cè)的靈敏度，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下異常狀態(tài)的快速識(shí)別(如蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故的早期診斷)。因此，智能監(jiān)測(cè)需要采用基于系統(tǒng)模型的動(dòng)態(tài)閾值監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、核回歸、支持向量機(jī)等方法[2]，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)和故障模式進(jìn)行識(shí)別和建模，提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)的性能并擴(kuò)展電廠監(jiān)測(cè)能力的范圍。

(二)智能診斷。故障檢測(cè)和溯源同樣是提高核電廠安全運(yùn)行的重要任務(wù)之一。現(xiàn)有核電廠運(yùn)行體系中的故障診斷主要由人來(lái)執(zhí)行，在事故工況下需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，再加上簡(jiǎn)單直接的錯(cuò)誤診斷以及不適當(dāng)?shù)募m正措施可能會(huì)導(dǎo)致更危險(xiǎn)的情況發(fā)生，因此需要輔以智能化手段來(lái)提升診斷的準(zhǔn)確性和效率。

在智能化工業(yè)故障診斷技術(shù)中，通常采用時(shí)間序列建模的方式預(yù)估復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，以此來(lái)貼合實(shí)時(shí)信號(hào)所具有的時(shí)序性和波動(dòng)性的特點(diǎn)。一般的時(shí)序故障診斷算法都是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)模型，包括隱馬爾可夫模型[3](HMM)、卡爾曼濾波模型[4](KFM)和動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型[5](DBNs)等。但是，由于核電系統(tǒng)的高度復(fù)雜性和數(shù)據(jù)高維度特性，運(yùn)用這些算法進(jìn)行核電系統(tǒng)故障診斷時(shí)，存在計(jì)算量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、缺乏處理不完整和不確定信息的能力等問(wèn)題。例如，HMM模型是無(wú)記憶的，只與先前歷史狀態(tài)有關(guān)，缺乏利用上下文信息的手段；KFM適用于線性場(chǎng)景，能夠準(zhǔn)確估計(jì)線性過(guò)程模型和測(cè)量模型，但在核電這種算非線性場(chǎng)景不能達(dá)到最佳估計(jì)效果；復(fù)雜DBNs模型建模難度大，再加上通過(guò)DBNs模型進(jìn)行精確推理是一個(gè)NP-hard問(wèn)題,極大地影響了推理效率，阻礙了其在核電廠這種復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。此外，上述這些基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的診斷方法，在訓(xùn)練階段需要大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集輸入，對(duì)于核電系統(tǒng)這種故障數(shù)據(jù)獲取難度大的系統(tǒng)無(wú)法直接使用。

為改進(jìn)現(xiàn)有診斷方法的性能，本文通過(guò)將常規(guī)監(jiān)測(cè)信息和智能監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行整合，并結(jié)合核電廠工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中現(xiàn)象和原因之間的關(guān)系，構(gòu)建了專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)作為傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，并采用基于動(dòng)態(tài)不確定因果圖[6](DUCG)的故障推理及溯源方法定位故障源信息，為操縱員對(duì)設(shè)備故障和電廠事故的診斷提供協(xié)助，降低操縱員的工作負(fù)荷并提高運(yùn)行效率。

(三)智能控制。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，智能控制對(duì)于未來(lái)可移動(dòng)式核電源、無(wú)人駕駛艙等是技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)。因此，需要開(kāi)展各事故條件下核電廠自動(dòng)處置和控制方法的研究，逐步弱化操縱員作為控制者的定位，而強(qiáng)化其作為監(jiān)督者的定位。由于核電站結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀況的復(fù)雜性，應(yīng)用面向安全狀態(tài)和功能恢復(fù)的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)事故狀態(tài)下的自動(dòng)處置和控制將是解決這些問(wèn)題的途徑之一。對(duì)目前大多數(shù)核電廠來(lái)說(shuō)，自動(dòng)控制主要是在正常運(yùn)行工況下實(shí)現(xiàn)的，還有大量的設(shè)備和過(guò)程需要人工控制。因此，需要對(duì)工控系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下所能提供的自動(dòng)控制能力進(jìn)行分析和梳理，按照先易后難的順序，為核電站的運(yùn)行提供更多的自動(dòng)控制功能，逐步構(gòu)建智能化核電廠控制方案。

通過(guò)對(duì)工控系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下所能提供的自動(dòng)控制能力進(jìn)行分析和梳理，核電廠智能控制方案應(yīng)包含順序控制、自動(dòng)控制和人工智能控制三大方向。

1.順序控制。順序控制應(yīng)以核電廠現(xiàn)行運(yùn)行規(guī)程為參照，通過(guò)分析機(jī)組運(yùn)行特性及各執(zhí)行步驟需求，確定運(yùn)行過(guò)程邊界、斷點(diǎn)及所需實(shí)現(xiàn)的功能。可將現(xiàn)行自動(dòng)控制方案或強(qiáng)化學(xué)習(xí)方案解決的步驟剔除，其余步驟通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)和判斷條件的方式串接形成相應(yīng)的控制方案框架。

2.自動(dòng)控制。目前，PID控制方法在包括核電廠儀控(I&C)系統(tǒng)在內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中仍被廣泛使用，其控制性能仍有很大的提升潛力。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和運(yùn)行數(shù)據(jù)采集范圍的擴(kuò)大，應(yīng)用協(xié)調(diào)控制、最優(yōu)控制和智能控制等先進(jìn)的控制方法來(lái)獲得良好的控制性能在技術(shù)上已經(jīng)成為可能[7～9]。此外，基于核電站高安全性和可靠性的要求，在重要的控制和保護(hù)系統(tǒng)中逐步開(kāi)展軟測(cè)量和容錯(cuò)控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，將是提高核電站整體安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要途徑之一。

3.人工智能控制。對(duì)于難以通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的控制功能，采用如圖2所示的流程設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)人工智能控制器，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法建立模型并對(duì)人的操作記錄進(jìn)行學(xué)習(xí)[10]。訓(xùn)練后得到的人工智能程序可在模擬機(jī)中通過(guò)自主學(xué)習(xí)方式進(jìn)一步提高性能，使其可執(zhí)行目前僅能由人來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制功能，以推進(jìn)少人/無(wú)人值守技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖2 人工智能控制器實(shí)現(xiàn)流程

(四)智能交互。人機(jī)交互(HMI)是核電廠中的一個(gè)典型場(chǎng)景，因?yàn)椴倏v員會(huì)接收從核電廠內(nèi)傳感器或設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)做出相關(guān)決定，這使得它在核電行業(yè)極為重要[11]。主控室中具有良好設(shè)計(jì)的人機(jī)界面可以有效幫助操縱員減少人因失誤，確保核電站的安全。核電廠主控室中，信息的推送和呈現(xiàn)應(yīng)當(dāng)基于操縱員的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程來(lái)組織。根據(jù)人員認(rèn)知與決策模型和功能分配原則，操縱員在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的信息應(yīng)當(dāng)支持其診斷、決策、控制和確認(rèn)過(guò)程。而目前，核電廠主控室的人機(jī)界面存在智能程度較低、圖形用戶(hù)界面簡(jiǎn)單的情況，難以應(yīng)對(duì)事故初期大量異常信息爆發(fā)式出現(xiàn)的問(wèn)題，需要生態(tài)界面和語(yǔ)音交互的介入。

生態(tài)界面與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)化的人機(jī)界面相比，主要被應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互，已被證明對(duì)過(guò)程控制是可行和有效的[12]。生態(tài)界面在理論體系方面融合了認(rèn)知心理學(xué)原理，與現(xiàn)有核電廠計(jì)算機(jī)化運(yùn)行畫(huà)面相比，能夠使得操縱員更加快速地按照操作目標(biāo)調(diào)整操作策略，極大地減輕操縱員的心理負(fù)擔(dān)，為操縱員在面對(duì)新情況、新問(wèn)題時(shí)做出正確決策提供良好支持。

語(yǔ)音交互[13]則可以應(yīng)用于核電廠啟動(dòng)、停堆、滿(mǎn)功率運(yùn)行、異常、瞬態(tài)和事故等全范圍電廠工況下，操縱員只需按照預(yù)定規(guī)則發(fā)出語(yǔ)音指令即可完成查詢(xún)參數(shù)、啟停設(shè)備、查找畫(huà)面、建立趨勢(shì)、輸入定值、模式切換等任務(wù)，省去了操縱員執(zhí)行相應(yīng)操作的時(shí)間，能夠有效提升操縱員的任務(wù)執(zhí)行效率。

圖3 核電廠智能化技術(shù)應(yīng)用框架

通過(guò)上述對(duì)智能化技術(shù)框架的分析，本文給出如圖3所示的核電廠智能化技術(shù)應(yīng)用框架。該框架能夠嚴(yán)格遵循現(xiàn)有核電廠運(yùn)行體系中典型運(yùn)行任務(wù)的流程，能夠準(zhǔn)確識(shí)別異常情況的發(fā)生，快速定位故障源信息并通過(guò)語(yǔ)音交互和畫(huà)面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)的方式將緊急信息提供給操縱員進(jìn)行運(yùn)維決策；經(jīng)操縱員確認(rèn)后，智能控制可快速響應(yīng)進(jìn)行事故工況的緊急自動(dòng)處理，保證機(jī)組安全可控。

三、實(shí)現(xiàn)與樣機(jī)展示

圖4 智能化研發(fā)演示與支撐平臺(tái)

圖5 生態(tài)畫(huà)面總貌圖

根據(jù)圖3所示應(yīng)用框架，本文構(gòu)建“智能化研發(fā)演示與支撐平臺(tái)”(圖4)作為樣機(jī)實(shí)現(xiàn)框架內(nèi)各功能。樣機(jī)采用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信的方式與華龍一號(hào)仿真驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行結(jié)合，以此獲取核電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)以及故障工況模擬。樣機(jī)內(nèi)置有數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、生態(tài)畫(huà)面組態(tài)模塊、智能預(yù)警模塊、智能診斷模塊、智能控制模塊以及語(yǔ)音交互功能模塊，各模塊可通過(guò)參數(shù)配置方式進(jìn)行組態(tài)，各模塊相應(yīng)畫(huà)面可通過(guò)界面左側(cè)菜單欄進(jìn)行導(dǎo)航。

系統(tǒng)圖5給出給水系統(tǒng)生態(tài)畫(huà)面總貌圖，可為操縱員提供運(yùn)行相關(guān)的觀測(cè)信息。與傳統(tǒng)人機(jī)界面相比，圖5所示生態(tài)畫(huà)面具有更高的信息密度。圖5中紅色標(biāo)記為跳轉(zhuǎn)鏈接標(biāo)簽，通過(guò)點(diǎn)擊或語(yǔ)音交互可跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的設(shè)備畫(huà)面。畫(huà)面上部“報(bào)警燈”可在異常信息或故障源信息產(chǎn)生時(shí)通過(guò)閃爍動(dòng)作提示操縱員關(guān)注，提示過(guò)程會(huì)伴有語(yǔ)音提示。

圖6 循環(huán)水泵動(dòng)態(tài)展示畫(huà)面

圖7 順控任務(wù)動(dòng)態(tài)展示畫(huà)面

圖6給出循環(huán)水泵設(shè)備展示畫(huà)面，除相關(guān)觀測(cè)信息的展示外，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，DUCG故障診斷與溯源系統(tǒng)經(jīng)過(guò)推理給出相關(guān)故障源信息，如“開(kāi)真空破壞閥”“繞組溫度高”“油位低”等信息，并在畫(huà)面上動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)，會(huì)通過(guò)語(yǔ)音交互的方式提示操縱員是否自動(dòng)進(jìn)行異常工況控制動(dòng)作。順控動(dòng)作如圖7所示，左側(cè)列表給出相關(guān)建議操作，控制建議經(jīng)操縱員授權(quán)后可自動(dòng)執(zhí)行，且每一步的操作狀態(tài)可通過(guò)不同顏色予以區(qū)分。

四、結(jié)語(yǔ)

本文從少人監(jiān)控/無(wú)人值守的目標(biāo)出發(fā)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有核電廠運(yùn)行體系及典型的運(yùn)行任務(wù)流程進(jìn)行分析，將智能化運(yùn)行所需實(shí)現(xiàn)的人的運(yùn)行功能劃分為智能監(jiān)測(cè)、智能診斷、智能控制和智能交互四個(gè)方向。在對(duì)各方向進(jìn)行充分論述的基礎(chǔ)上，提出了集智能監(jiān)測(cè)、智能診斷、智能控制、智能交互于一體的核電智能化技術(shù)應(yīng)用框架及其軟件設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合公司現(xiàn)有的華龍一號(hào)仿真驗(yàn)證平臺(tái)，搭建并形成相應(yīng)樣機(jī)。雖然目前在核電廠進(jìn)行智能化運(yùn)行控制仍有許多問(wèn)題，但是仍希望本文工作能夠?yàn)橹腔酆穗姷陌l(fā)展作出貢獻(xiàn)，加速智能化應(yīng)用在核電廠中的進(jìn)一步整合。