自動化先進技術在核工業領域的應用及展望

王振霖 何學壽 崔文星 張永亮

摘 要 介紹了核工業領域普遍存在的問題，分析了自動化前沿技術的發展現狀及應用情況，最后指出自動化前沿技術的發展可為解決核工業當下面臨的一些難題提供可能性和新思路。

關鍵詞 自動化先進技術 核工業 工業機器人 數據挖掘 建模仿真平臺

中圖分類號 TP29? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0277?04

作者簡介：王振霖（1995-），助理工程師，從事核化工領域自動控制、數據挖掘的研究，941904686@qq.com。

引用本文：王振霖，何學壽，崔文星，等.自動化先進技術在核工業領域的應用及展望［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：277-279；322.

近年來，核工業領域核技術的發展與進步，為國家安全和能源保障做出了突出貢獻［1］。然而，核工業領域也面臨著諸多問題，例如作業環境惡劣、精細化難度大及大規模原始數據缺少預處理和挖掘手段等。因此，如何進一步優化工藝流程，提高產能產出，激發新的高質量發展活力，是核工業持續高效發展的新途徑。隨著自動化技術的發展，將自動化技術與產業生產實際需求相結合，利用自動化技術解決行業技術難題，不斷突破生產效率上限，提高核工業行業的自動化水平，已成為核工業發展的大趨勢［2］。

自動化技術在核工業領域的應用是研究人員一直不斷探索的問題。由于分布式控制系統的集中控制、分散風險特征能夠很好地滿足核工業的設計需求，故其逐漸被應用于核工業領域。與此同時，各種控制系統之間的協議不斷完善，使得核工業領域對于各種新興控制技術的兼容性更強。隨著控制技術的發展和新技術的爆發，先進控制技術不斷成熟，出現了諸多新的應用場景和結合方法，可見核工業正面臨著新的轉型期和機遇期。

筆者就核工業發展面臨的一些共性問題，基于自動化技術發展的前沿技術提出展望，旨在將工業自動化技術應用于核工業，并針對性地提出推動核工業高質量可持續發展的措施和建議。

1 核工業領域普遍存在的問題

1.1 工作環境對員工的影響

核工業大多是精細化工生產，操作流程比較復雜，精細化程度要求較高，這對于操作人員的技能水平和熟練程度都具有較高要求。同時，在生產過程中不可避免地會接觸到易燃易爆、腐蝕性強的材料或試劑，有的原材料和試劑還具有較大的毒性，威脅著操作人員的人身安全。此外，核工業流程中還存在長時間運行不間斷的操作單元，這就要求操作人員連續工作，勞動強度極大，雖然很多單位采用較為科學的倒班方式，避免了員工長時間高負荷勞動，但仍然無法避免干擾員工的正常生活節奏，打破生物鐘規律，影響員工的身體健康和生活品質，所以工作環境對員工的影響不容忽視。

1.2 故障感知及精細化操作難度大

核工業發展至今，很多流程和工藝已趨于成熟，但是由于大部分流程都是不間斷作業，導致設備運行壓力大，在這種情況下就不可避免地會出現異常現象，如果故障在萌芽階段不被察覺，就會蔓延成大問題，嚴重危及企業的經濟效益、財產安全和員工的人身安全。與此同時，很多操作流程對于精度、速度等的要求較高，如果僅依靠人工操作來完成，是一項非常艱巨的任務，而且在很多情況下幾乎是不可能完成的；還有一部分流程需要各環節之間配合協作，人工操作總會存在一定誤差，這在一定程度上制約了核工業技術的精細化程度。

1.3 過程數據中隱藏了特征數據

在生產操作過程中，由于很多環節的關鍵參數和重要數據都需要進行記錄，以便于進一步處理，如此一來就會產生大批量的數據，這些被記錄下來的數據大部分都是在工藝運行過程中產生的重復、無效數據，只有其中一部分是有效數據，由于缺少對原始數據的預處理手段，導致原始數據被全盤接受，給操作控制系統帶來了極大的運行壓力。同時，為了進一步挖掘數據中的潛在特征，還需要人為進行數據記錄、存儲、處理。無論是時間成本還是人力資源成本都會造成較大的浪費。數據總量龐大，計算復雜，步驟繁多，人工處理難度大，極大地制約了數據特征的提取，妨礙了利用數據特征對工藝流程的進一步優化升級。

1.4 輻射危害及核材料稀缺

經過多年的探索研究，目前的輻射防護技術已經趨于成熟，無論是采取屏蔽輻射源項、增大作業距離的策略，還是減少作業時間，都可以減少工作人員對輻照材料的直接接觸。雖然各種屏蔽手段層出不窮，但是避免操作人員對輻照材料的接觸仍然是減少輻射傷害的有效策略。此外，由于核工業領域研究的對象都是稀有材料，原料的存有量較少，在使用過程中需要盡量避免對原材料的濫用和浪費，將核材料物盡其用。

2 自動化前沿技術發展現狀及應用

2.1 工業機器人技術

機器人可以代替人類執行一些危險、復雜的任務，因此被研究人員廣泛關注。目前，工業機器人市場基本被國外高端機器人制造廠商壟斷，國外機器人在國際市場上占有較大份額［3］。我國的工業機器人起步相對較晚，1980年左右才開始擁有第一批工業機器人，隨后我國工業機器人快速發展，與工業機器人相關的一些核心部件逐漸國產化，一些重要零件逐漸打上“中國制造”的標簽。目前，工業機器人在電子電氣、金屬成形及玻璃制造等行業都頗受歡迎，但在航天、汽車智能制造及精細核工業領域等的應用卻受限于一些現有的不足，如精度低、控制性能差等［4］。隨著研究的不斷深入，一些現有問題一旦實現突破，機器人的應用范圍將更加廣闊，國產工業機器人也會受到各行業的青睞，在核工業領域的應用也值得期待。

2.2 計算機集成制造系統及多智能體協同控制技術

為了提高企業競爭力，很多流程工業開始著手研究計算機集成制造系統，以提高產品質量，縮減生產和運轉成本并提高交貨效率。目前，關于計算機集成制造系統的研究較為廣泛，很多研究人員提出了不同的集成制造系統體系結構，其中先進制造研究中心的三層企業結構是當下自動化系統理論和產品的主流框架，并且已經很好地應用在實際工程中。

近年來，對于多智能體的研究一直是熱點話題。多智能體協同控制涉及的一致性控制、集群控制、會合控制及編隊控制等問題都實現了重大突破，很多研究人員都證實了相應的理論研究并進行了實際應用驗證［5］。目前，多智能體協同技術已經成功應用于多種場景，如地面無人系統協同控制、地面無人火控系統、分布式無線傳感器節點布置及公路無人車編隊控制等。

2.3 數據挖掘技術

核工業領域的很多環節都需要利用傳感器進行數據檢測，這樣就會產生大量的數據，因此數據的存儲處理成為了促進核工業發展的重要環節。在傳統的數據處理技術中，由于批量處理的速度較慢，導致工作效率大打折扣，并且很容易忽視數據中潛藏的特征數據。在數據處理技術中，近年來數據挖掘技術廣泛受到學者的關注，大數據可視化、高性能計算、數據存儲框架優化及云計算速度的提高都助力了數據挖掘技術在各領域的應用，如金融行業、醫療行業、電信行業及教育行業等都開始利用數據挖掘技術作為挖掘潛藏數據價值的手段［6］。

2.4 系統建模仿真技術

隨著智能技術、綜合集成技術和數學手段的不斷進步，越來越多的系統建模仿真技術涌現出來，為解決實際工程問題提供了較大便利［7，8］。系統建模仿真技術發展至今，已經擁有成熟的體系和較為先進的方法，技術逐漸成熟，為研究一些較為復雜的系統提供了可能和便利，促進了研究人員對一些復雜、不容易實現重復實驗的系統進行研究。目前，系統建模仿真技術在核工業、能源科學、航空航天及生命科學等領域都得到了成功應用，并取得了較大進展。利用系統建模仿真技術，建立基于理論知識的初始模型，不斷優化升級，完成對核工業流程的全生命周期預演，對于提前發現流程中的缺陷、改良優化工藝流程具有指導性意義，同時還可以減少核材料的浪費。

3 核工業自動化技術應用展望

3.1 核工業機器人操縱系統

針對部分危險性高、放射性強、操作空間微小的場合，設計相應的固定動作微型機器人從事微小空間的危險作業，是極其必要的。微型機器人能夠代替人進入各種受限空間的操作區域進行工作，其不受工作環境制約，具備更強的操作能力，適用于多種應用場景。此外，在一些簡單的體力勞動中，機器人比人具有更大的優勢，利用簡單的機械和電氣控制方法，能夠事半功倍，并有效減少操作人員長期重復性體力勞動而產生的職業病問題。

核工業領域大多以連續流程作業為主，因此針對各環節設計相應的核工業機器人之后，結合多智能體協同控制技術，將各環節的工業機器人聯合起來構成核工業機器人系統，再結合計算機集成制造技術，開發對應的智能操作系統，聯合控制核工業機器人完成流程作業，不僅可以避免操作人員直接接觸高放射性、高危險性材料，還可以解決微小空間操作不便的問題，能夠有效保障生產的安全穩定連續高效運行。

3.2 大數據存儲處理高新技術平臺

核工業生產流程中會產生大量的工藝數據，這些數據不僅包含有效信息也包含無效信息，因此在生產運行過程中，數據存儲中心壓力巨大，無效信息的存在會浪費大量的存儲空間。因此需要發展大數據存儲處理技術，利用數據預處理技術進行篩選整合，剔除其中的非關鍵數據，記錄保存關鍵工藝環節重點參數數據。處理之后的數據不僅極大地減少了存儲負擔，并且提高了數據質量，給后期的數據分析帶來更大的便利。

為了進一步開發數據的潛在作用，利用數據采樣具有時效性的特點，引入在線分析數據技術，注重關鍵數據的在線分析、在線診斷，將預處理后的數據存儲并利用數據挖掘技術進一步處理，挖掘分析出的具有特征和預警的信息，對于核工業流程的監測和流程優化具有一定的指導性和預見性作用。

3.3 多流程復雜系統建模仿真平臺

核工業工藝流程中所用的物料往往都是稀有核材料，應遵循浪費最小化原則。然而，由于很多科研生產過程缺乏先驗知識，很難預料操作過程中重點參數和實驗結果的走向，不可避免地會造成物料浪費，并且時間成本、人力成本和經濟成本也會大幅上升。打造多流程復雜系統建模仿真平臺能夠提供指定系統的機理模型，針對機理模型開展預演實驗，能夠提前獲悉科研實驗的指導性結果，在很大程度上能夠節約人力成本，減少稀有資源的浪費。

4 結束語

核工業在國家安全和能源保障方面發揮著越來越重要的作用，傳統核工業流程逐漸趨于成熟，但是追求更高質量的發展仍然面臨一部分難題，筆者就核工業領域存在的一些問題和困難進行分析，結合當前自動化領域的一些前沿技術及其應用領域，提出了打破核工業領域發展壁壘的建議和展望。在新時代的背景下，核工業領域需要從以人為本的角度出發，探索出一條更安全、穩定、高效的可持續發展道路，自動化技術的應用必然是一條有效途徑。

參 考 文 獻

［1］ 余劍鋒.以高質量黨建引領核工業高質量發展［J］.國防科技工業，2022（8）：28-30.

［2］ 王偉，安爭邦.化工自動化控制系統的應用與發展［J］.化工管理，2022（20）：112-114.

［3］ 魏繼添，王林，楊華清.工業機器人在自動化領域的應用路徑探析［J］.產業創新研究，2022（4）：36-38.

［4］ 李力，王冬，房映彤，等.機器人技術在乏燃料后處理自動化分析中的應用［J］.化工自動化及儀表，2021，48（4）：309-312；357.

［5］ 王榮浩，邢建春，王平，等.地面無人系統的多智能體協同控制研究綜述［J］.動力學與控制學報，2016，14（2）：97-108.

［6］ 劉穎.淺談大數據背景下數據挖掘技術應用的改進［J］.科技與創新，2022（18）：176-178.

［7］ 蔣明敬，陸向東，趙眾，等.工業裂解爐自動投料控制系統模擬與仿真［J］.化工自動化及儀表，2020，47（3）：201-204；259.

［8］ 劉曉平，唐益明，鄭利平.復雜系統與復雜系統仿真研究綜述［J］.系統仿真學報，2008，20（23）：6303-6315.

（收稿日期：2022-10-25，修回日期：2023-03-27）

Application and Prospect of Advanced Automation?Technology in Nuclear Industry Field

WANG Zhen?lin1， HE Xue?shou1， CUI Wen?xing1， ZHANG Yong?liang2

（1. CNNC No. 404 Co.，Ltd.；2. China Nuclear Control System Engineering Co.， Ltd.）

Abstract? ?The generally?existed problems which bothering nuclear industry were described and the development and application of frontier automation technologies were analyzed to point out that the frontier automation technology developed can provide possibilities and new ideas for solving some difficulties faced by the nuclear industry.

Key words? ?automation technology， nuclear industry， industrial robots， data mining， modeling and simulation platform