基于云平臺的數(shù)字化核電廠關(guān)鍵技術(shù)研究

干依燃 蔡鼎陽 趙千里 黃 捷 肖韻菲

關(guān)鍵字 數(shù)字化核電廠；三維可視化；數(shù)字化設(shè)計協(xié)同；數(shù)字化移交

0 引言

20 世紀末，隨著核電企業(yè)面臨全新的變革，企業(yè)成本、運營、售價等內(nèi)部和外部競爭的加劇，對核電廠提出更高的環(huán)保和安全要求，核電廠建設(shè)和運行的復(fù)雜性也對自動化提出更高的要求。在計算機技術(shù)、計算機圖形學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等多種高新信息技術(shù)的發(fā)展前提下，促進了數(shù)字化核電廠的產(chǎn)生。

數(shù)字化核電廠就是以核電廠全壽命周期管理為核心，采用先進的設(shè)計、建造、管理和控制技術(shù)，構(gòu)建智能化、數(shù)字化和透明化的現(xiàn)代核電廠。數(shù)字化核電廠是一個非常龐大的系統(tǒng)工程。其概念認識從最初地專注于電廠運行生產(chǎn)[1-3]，逐步擴展到電廠的全壽命周期，包括設(shè)計、采購、施工、調(diào)試和運維等各個領(lǐng)域[4-5]。數(shù)字化核電廠發(fā)展過程也是一個從局部數(shù)字化[6-7]到完整的數(shù)字化過程。以往提出的數(shù)字化核電廠的方案基本上是特指某一部分的數(shù)字化，如：核電廠控制系統(tǒng)采用了計算機控制、分散系統(tǒng)的控制乃至控制總線的控制；核電廠設(shè)計采用計算機三維方法；通過數(shù)字移交的方法將建設(shè)期的圖紙、文檔、數(shù)據(jù)等移交給業(yè)主的方法，等等。上述這些方案只是強調(diào)了某一部分的數(shù)字化。本文提出了完整的數(shù)字化核電廠方案，從核電廠設(shè)計到運行的整個生命周期過程，實施完整的數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化采購、數(shù)字化施工、數(shù)字化調(diào)試、數(shù)字化移交，數(shù)字化控制、數(shù)字化管理和數(shù)字化決策。同時，基于云平臺，對數(shù)字化核電廠的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了研究和探索，包括三維可視化顯示技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)、4D 施工進度模擬和數(shù)字化安全管理等。

利用云平臺，提供可視化工作模式，集成及關(guān)聯(lián)工程項目各類模型、文件及數(shù)據(jù)資料，使用戶能夠?qū)Χ嗑S復(fù)雜結(jié)構(gòu)信息綜合管理，形成可視化智能數(shù)字資產(chǎn)，為工業(yè)設(shè)施的設(shè)計、施工和運維等各階段進行可視化、數(shù)字化工程信息服務(wù)提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)字化核電廠構(gòu)成

數(shù)字化核電廠的構(gòu)成如圖1 所示，是一個全生命周期管理平臺，包括數(shù)字化工程、數(shù)字化控制和數(shù)字化管理三大部分。其中，數(shù)字化工程和數(shù)字化控制是數(shù)字化管理的基礎(chǔ)，分別為數(shù)字化管理系統(tǒng)提供關(guān)系型數(shù)據(jù)（靜態(tài)數(shù)據(jù)）和實時數(shù)據(jù)（動態(tài)數(shù)據(jù)）。

1.1 數(shù)字化工程

數(shù)字化工程是在核電廠建設(shè)初期就實施數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化采購、數(shù)字化施工和數(shù)字化調(diào)試，并通過數(shù)字化移交，與建成后的核電廠信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相連接，以支撐信息系統(tǒng)對全核電廠生命周期管理。

數(shù)字化設(shè)計是核電廠數(shù)字化第一步，也是關(guān)鍵一步。目前國內(nèi)各大電力設(shè)計院在此領(lǐng)域也都有不同程度的發(fā)展。數(shù)字化設(shè)計包括設(shè)計成果數(shù)字化、數(shù)據(jù)集成和共享、三維可視化和設(shè)計協(xié)同等。其中，三維可視化和數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計最關(guān)鍵的兩項技術(shù)，也是當(dāng)前國內(nèi)外數(shù)字化核電廠設(shè)計發(fā)展的熱點和難點。三維可視化包括三維設(shè)計模型可視化（如布置設(shè)計模型、設(shè)備模型等）和科學(xué)計算結(jié)果可視化（如三維輻射劑量可視化、溫度場三維可視化顯示等）兩大類。而數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)則包括碰撞檢查、布置設(shè)計各專業(yè)協(xié)同、設(shè)備建模設(shè)計、設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析協(xié)同、系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)仿真分析協(xié)同等各個方面。

數(shù)字化采購是數(shù)字化工程第二步，包括數(shù)字化立項管理、數(shù)字化合同管理、數(shù)字化物資管理、數(shù)字化運輸管理、數(shù)字化倉儲管理、數(shù)字化設(shè)備管理和數(shù)字化資產(chǎn)管理等。數(shù)字化采購在國內(nèi)外核電廠研究仍處于起步階段，目前主要是實現(xiàn)立項和合同的電子化管理，以及物資數(shù)據(jù)數(shù)字化存儲，其他領(lǐng)域還處于初步探索階段。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化采購，并與設(shè)計、施工實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動的數(shù)字化采購系統(tǒng)構(gòu)建是核電廠數(shù)字化采購發(fā)展的熱點。

數(shù)字化施工是依托高精度定位、機械控制及算法實現(xiàn)工程施工的全生命周期管理，引導(dǎo)單臺或多臺機械設(shè)備施工作業(yè)，實時監(jiān)測施工進度，最終實現(xiàn)提高施工效率、減少人工和材料成本、提高作業(yè)精度、保障作業(yè)安全等目標(biāo)。數(shù)字化施工包括數(shù)字施工監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字化施工控制系統(tǒng)、4D 數(shù)字化施工進度管理、施工方案虛擬仿真和施工VR 培訓(xùn)等。當(dāng)前，國內(nèi)外核電廠數(shù)字化施工主要集中于4D 數(shù)字化施工進度管理、施工方案虛擬模擬仿真和施工VR 培訓(xùn)等領(lǐng)域，而數(shù)字施工監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字化施工控制系統(tǒng)則處于起步階段。

數(shù)字化調(diào)試是利用數(shù)字化技術(shù)對核電廠各個設(shè)備及系統(tǒng)進行調(diào)試，包括數(shù)字化監(jiān)測調(diào)試監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字化調(diào)試控制系統(tǒng)、數(shù)字化調(diào)試預(yù)演等。由于數(shù)字化調(diào)試技術(shù)的研究困難性，目前，數(shù)字化調(diào)試主要在EDA 領(lǐng)域取得了一些研究和應(yīng)用成果，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效率，因此核電廠數(shù)字化調(diào)試仍處于起步階段。

圖1 數(shù)字化核電廠構(gòu)成

數(shù)字化移交是在數(shù)字化移交平臺上對核電廠建設(shè)過程中設(shè)計、采購、施工核調(diào)試各階段數(shù)據(jù)進行分類、收集、整理、審批，最終移交給業(yè)主，信息以KKS 碼為索引實現(xiàn)以三維模型對象為核心的數(shù)據(jù)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效利用。數(shù)字化移交是“數(shù)字化核電廠”的基礎(chǔ)。借助于數(shù)字化移交平臺，可以全面控制和優(yōu)化電廠建設(shè)期的數(shù)據(jù)移交過程，提高數(shù)據(jù)移交質(zhì)量，使業(yè)主及時獲取可靠的核電廠建設(shè)期信息，了解核電廠設(shè)計、建設(shè)進度，提升電廠建設(shè)期的管理能力。

1.2 數(shù)字化控制系統(tǒng)

數(shù)字化核電廠控制系統(tǒng)是采用以分散式計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的壓水堆核電廠一體化控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)大體可分為四個層次：（1）數(shù)據(jù)采集及指令執(zhí)行層；（2）直接控制層；（3）協(xié)調(diào)控制層；（4）人機接口和信息管理層。協(xié)調(diào)控制層用以在各個直接控制器之間傳遞控制參數(shù)，借以確定各直接控制器的控制策略。上述信息的傳遞通過高速數(shù)據(jù)總線進行，為了提高可靠性，采用冗余的結(jié)構(gòu)。數(shù)字化控制極大提高了核電站控制的透明化、自動化、并具有較強的自動測試和自診斷能力、數(shù)據(jù)處理能力。壓水堆數(shù)字化控制系統(tǒng)按照功能系統(tǒng)又可分為八個主要部分，包括：（1）計算機信息處理系統(tǒng)、（2）主控制室人機接口裝置、（3）反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、（4）反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、（5）堆芯中子注量率測量系統(tǒng)、（6）控制棒控制及位置指示系統(tǒng)、（7）汽輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)和（8）非安全級核電廠控制系統(tǒng)等。

1.3 數(shù)字化管理

在整個底層數(shù)字化基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有高級優(yōu)化、預(yù)測、維護和決策支持功能的管理系統(tǒng)為數(shù)字化管理系統(tǒng)。數(shù)字化管理系統(tǒng)主要由4 個部分組成：（1） 生產(chǎn)運營管理；（2）財物資產(chǎn)管理；（3）優(yōu)化控制；（4）決策支持。

與常規(guī)的電廠管理系統(tǒng)（由廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS 和管理信息系統(tǒng)MIS 組成）不同，數(shù)字化核電廠管理系統(tǒng)首先基于同一設(shè)置和規(guī)劃的企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫，針對同一對象的數(shù)據(jù)具有唯一性和準(zhǔn)確性；其次，引入先進的設(shè)備管理、安全管理、優(yōu)化控制、生產(chǎn)運營管理、資產(chǎn)管理以及最先進的企業(yè)決策支持等技術(shù)，在數(shù)字化控制系統(tǒng)和數(shù)字化工程系統(tǒng)的支撐下，對核電廠進行全方位的數(shù)字化管理；同時，依據(jù)先進的優(yōu)化管理模型對重要設(shè)備進行早期預(yù)警、故障診斷和分析等實質(zhì)性的可靠性管理，從而通過對發(fā)電設(shè)備的預(yù)測性維護達到降低成本、提高效益的目的。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)企業(yè)的決策支持系統(tǒng)，為核電電企業(yè)的各級管理者和決策者提供對企業(yè)進行高效管理的技術(shù)支撐，使其通過數(shù)字化管理系統(tǒng)提供的及時、有效的生產(chǎn)經(jīng)營決策信息和各類財務(wù)指標(biāo)來積極地影響企業(yè)的盈利水平。此外，數(shù)字化管理系統(tǒng)將三維可視化技術(shù)引入管理系統(tǒng)中，將管理系統(tǒng)中一些重要信息和數(shù)據(jù)以三維可視化形式形象、直觀地展現(xiàn)出來，進一步提高管理的效率和質(zhì)量。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

本文在深入分析數(shù)字化核電廠構(gòu)成及其特性的基礎(chǔ)上，基于云平臺對數(shù)字化核電廠幾項關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，包括三維可視化技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)、4D 施工進度模擬和數(shù)字化安全管理。

2.1 三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)是數(shù)字化核電廠的核心顯示技術(shù)，是數(shù)字化核電廠的重要基礎(chǔ)之一。三維可視化主要包括兩類：（1）三維設(shè)計模型可視化，即將核電廠的三維設(shè)計模型三維可視化顯示；（2）科學(xué)計算結(jié)果可視化：將核電廠各種科學(xué)計算結(jié)果數(shù)據(jù)，包括溫度場、輻射劑量和力等數(shù)據(jù)三維可視化顯示。由于核電廠三維設(shè)計模型非常復(fù)雜，模型和科學(xué)計算數(shù)結(jié)果數(shù)據(jù)量大，數(shù)字化核電廠三維可視化技術(shù)的難點在三維可視化顯示精細度、清晰度和展示流暢性。本文基于云平臺，成功構(gòu)建數(shù)字化核電廠三維可視化功能。圖2 為核電廠全廠三維設(shè)計模型展示，全廠模型數(shù)據(jù)量達到7G，模型顆粒度達部件級、部件萬個以上，可在中端配置機型中達到加載速度秒級，并可流暢無卡頓瀏覽全場各個部件清晰模型。圖3 為核島一屏蔽廠房三維輻射劑量場展示（數(shù)據(jù)點達到2 000 萬個），并可流暢的實現(xiàn)模型選轉(zhuǎn)、特定查看、迫切各種操作以及設(shè)設(shè)置透明度、剖面方式查看不同視角科學(xué)計算結(jié)果。

圖2 數(shù)字核電廠三維設(shè)計模型可視化顯示

2.2 數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計技術(shù)中一個非常重要的關(guān)鍵技術(shù)，并且涉及的內(nèi)容非常多，覆蓋核電廠設(shè)計各個過程，對提高設(shè)計效率和質(zhì)量具有非常重要的作用。數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)根據(jù)設(shè)計協(xié)同是否跨專業(yè)分為兩類：（1）專業(yè)內(nèi)部設(shè)計協(xié)同；（2）專業(yè)之間設(shè)計設(shè)計協(xié)同。本文基于云平臺有效實現(xiàn)一系列數(shù)字化設(shè)計協(xié)同，包括布置設(shè)計內(nèi)部協(xié)同、二維系統(tǒng)設(shè)計和三維布置設(shè)計協(xié)同、布置設(shè)計與仿真分析協(xié)同等，分別如圖4-圖7 所示，提高布置設(shè)計、管道力學(xué)分析和通風(fēng)等設(shè)計效率和質(zhì)量。

圖3 輻射屏蔽劑量場三維可視化顯示

圖4 三維設(shè)計模型碰撞檢查

圖5 二三維設(shè)計聯(lián)動

2.3 4D 施工進度管理

4D 施工進度管理是核電站數(shù)字化施工一個重要組成部分。如圖8 所示，4D 施工模擬將核電廠三維模型和施工進度結(jié)合起來，利用三維可視化技術(shù)，通過三維模型的變化動態(tài)模擬實際施工進展情況，并通過顏色對比等手段展示施工進度各種信息，從而非常直觀、形象地展示施工進展情況，給管理人員更好的參考。

2.4 數(shù)字化移交

數(shù)字化移交是數(shù)字化核電廠的重要一項，其將設(shè)計建造期的數(shù)字化工程的所有數(shù)據(jù)移交給業(yè)主。本文基于T-Plant 平臺建立了數(shù)字化移交平臺，將設(shè)計期三維設(shè)計模型、屬性、圖檔和設(shè)計成果等各項數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)移交系統(tǒng)管理系統(tǒng)進行集成管理，根據(jù)核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定制移交標(biāo)準(zhǔn)，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，并以三維可視化顯示方式展示移交成果，移交到業(yè)主手中，如圖9 所示。

2.5 數(shù)字化安全生產(chǎn)管理

由于核電廠的獨特性，安全生產(chǎn)管理一直是核電廠生產(chǎn)運營管理的重要組成部分。本文基于云平臺，發(fā)展了數(shù)字化安全生產(chǎn)管理技術(shù)，將三維數(shù)字化模型、虛擬現(xiàn)實和現(xiàn)場監(jiān)控技術(shù)結(jié)合起來用于安全生產(chǎn)管理，提高安全生產(chǎn)管理效率和質(zhì)量，如圖10 所示。首先，數(shù)字化安全生產(chǎn)管理可以實時、直觀地監(jiān)控全廠人員分布情況、生產(chǎn)區(qū)進出情況和人員到崗情況。其次，數(shù)字化安全生產(chǎn)管理，可以進行運動路線（包括常規(guī)巡檢路線、臨時進場路線和非法路徑等）記錄及回放。此外，數(shù)字化安全生產(chǎn)管理通過實現(xiàn)人員快速調(diào)度，多系統(tǒng)聯(lián)動監(jiān)控，以及對危險區(qū)域、違章作業(yè)和長期停留預(yù)警等方式，提高安全生產(chǎn)管理的效率和質(zhì)量。

圖6 三維布置設(shè)計與管道力學(xué)分析設(shè)計協(xié)同

3 結(jié)論

數(shù)字化核電廠實施將促進核電廠企業(yè)全新的變革，顯著提高新時代核電廠的設(shè)計、采購、施工、調(diào)試和生產(chǎn)管理的效率和質(zhì)量，降低成本，提高核電廠的安全性。同時，數(shù)字化核電廠是一個十分龐大的工程，目前仍然處于局部領(lǐng)域發(fā)展和實施階段，許多領(lǐng)域發(fā)展仍處于空白或起步階段，如數(shù)字化核電廠調(diào)試和數(shù)字化施工。

本文提出了數(shù)字化核電廠概念，并基于云平臺對數(shù)字化核電廠中三維可視化技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計協(xié)同技術(shù)、4D 施工進度管理、數(shù)字化移交和數(shù)字化安全生產(chǎn)管理等關(guān)鍵技術(shù)進行研究和探索，取得了很好的效果，為整體數(shù)字化核電廠建設(shè)提供了很好的支撐。

圖7 三維布置設(shè)計與通風(fēng)計算協(xié)同

圖8 RRI 系統(tǒng)施工進度對比和模擬

圖9 數(shù)字化核電廠數(shù)據(jù)移交平臺

圖10 數(shù)字化安全生產(chǎn)管理示意圖