数字核电功能规划与架构设计

伍吉泽

（中核核电运行管理有限公司 浙江 嘉兴 314300）

数字核电功能规划与架构设计

伍吉泽

（中核核电运行管理有限公司 浙江 嘉兴 314300）

打造 “数字核电”是当前各核电集团发展的重要目标之一，是贯彻国家 “互联网＋”战略的举措，已成为核电企业信息化建设的核心内容。本文从核电企业业务需求出发，从顶层对数字核电的功能与应用目标进行规划，提出数字核电的顶层架构，并对数字核电的应用效果与价值进行探讨，为有效推进数字核电项目提供支持。

数字核电；智能核电；智慧核电；架构；三维；仿真；大数据；人工智能

党中央、国务院高度重视信息化工作，党的十八大之后，成立了中央网络安全和信息化领导小组，通过完善顶层设计和决策体系，加强统筹协调。做出了实施网络强国战略、大数据战略、“互联网＋”行动等一系列重大决策，陆续发布了 《国家信息化发展战略纲要》《“十三五”国家信息化规划》《大数据产业发展规划》等重要指导文件，开启了我国信息化发展的新征程。

当今世界，信息技术创新日新月异，以数字化、网络化、智能化为特征的信息化浪潮蓬勃兴起。没有信息化就没有现代化。“十三五”国家信息化规划指出：信息通信技术变革实现新突破的发轫阶段，是数字红利充分释放的扩展阶段。信息化代表新的生产力和新的发展方向，已经成为引领创新和驱动转型的先导力量。加快信息化发展，增强国家文化软实力和国际竞争力，已成为国家践行新发展理念、破解发展难题、增强发展动力、厚植发展优势的战略举措和必然选择。

当前数字化技术已作为国家实现创新发展的动力，大数据成为二十一世纪的工业的基础，数字化将主导经济的各个领域，数字化将渗透到万事万物，带来无处不在、前所未有的改变，企业的数字化转型成为企业生死存亡的关键变更。

1 数字核电建设的意义

数字核电是基于三十多年来数字化、信息化建设的成果，以生产数字化为基础，以管理信息化为支撑，积极推进智能化应用，高度集成核电全生命周期的业务、数据和资源，高效管理设备资产和数据资产，有效支撑核电安全、高效、经济运营。

1）通过数字化、信息化技术与工业化的融合应用，建立 “覆盖面广、管控度深、预警性高、响应快速”的核安全主动防御与保障体系，确保核电厂的安全、可靠运行。

2）通过生产、经营、管理领域信息系统的全面覆盖，实现核电公司生产、经营管控的业务协作、直观可视、统筹分析，保障公司整体资源共享与高效运营。

3）通过核电厂运维，经营、决策的良性互动，核电行业价值链及全产业的信息共享、互联发展，实现核电全寿期资源的充分利用和各相关行业的优势互补，利于核电规模化发展与经济运营。

2 数字核电总体架构设计

2．1 数字核电厂建设的目标

通过研究，我们将数字核电厂定义为：在实体的物理电厂之外，通过数字化技术，建立一套与物理电厂对应的、一致的数字化虚拟电厂，能够从工艺原理上对电厂的运行、生产工作进行仿真与模拟，并能够与电厂生产活动相结合，从 “更高的思维维度”对核电厂的设计、建造及生产运营实时、透明地进行360°全范围管控与分析，从而提升核电厂的安全管理水平、降低核电厂建设与运维成本。数字核电厂建设目标见图1。

图1 数字核电厂建设目标Fig．1 Goal of digital nuclear power

2．2 数字核电业务架构

数字核电在运营领域的建设方向定义为：通过对知识的准确、高效、深度利用，提升电厂智慧化运营水平，通过数字核电项目建设与运行，利用数字技术、人工智能技术，让核电厂运营管理过程更简单、更安全。

从电厂生产运营业务出发，参照SNPM模型将数字核电业务功能分为：电厂生产运行、工作管理、设备可靠性、配置管理、安全应急、群堆管理、集团经营等几个核心业务，从而进行架构设计及能力提升规划 （见图2）。

（1）提高生产智能化与数字化水平

图2 数字核电业务框架Fig．2 Business structure of digital nuclear power

广泛采用智能化设备，建立DCS控制系统提升电厂工艺系统与设计的智能化控制水平；采用物联网技术，建立电厂系统与设备数据采集网络系统，提升对电厂状态的数字化监控水平；建立电厂无线网络覆盖，为运行维修过程数字化、移动化及全过程跟踪提供基础。

通过数字化技术可以对核燃料组件在电厂全过程进行跟踪，并对燃耗进行精确管理，提升核燃料使用效率；对备件的需求进行精确分析与预测，并与供应商信息互通，对备件使用进行精细化管理，降低电厂运行成本。

（2）提升运行操作精准性与人员培养效率

建立与物理电厂一致的模拟仿真预警系统、运行决策辅助支持系统，让电厂运行操作行为精准化，保障电厂运行更安全；通过系统主动向运行人员推送准确、完善的知识与经验，让运行问题能快速、正确、及时解决；通过仿真根据技术及知识管理，提建立高效的运行人员培养能力，加快人员培养。

（3）提升设备可靠性与电厂配置掌控能力

设备的可靠性是核电厂安全稳定运行的基础，核电整个安全运行是围绕系统和设备的可靠运转来开展，确保设备的运行状态可知、可控、可靠是核电最核心的能力。

核电厂配置管理是电站运行的基础，确保电厂在安全限制范围内运行，保证电厂实际物理电站与配置文件一致，并同步修改是核电厂确保长期、稳定、安全运行的基础。

（4）提升电厂工作管理效率及工作质量

以电厂工作为核心，建立数字化、移动化的工作控制过程，对核电厂工作过程进行全过程管控，对电厂所有工作计划进行整体安排，并对工作风险进行数字化跟踪与控制。

高质量的设备维护与维修不但是电厂安全稳定运行的重要手段，也是电厂生产成本最主要的组成部分，对于数字核电建设必须从支持电厂维护的有效性、降低电厂维修成本。

在维修准备过程中，利用三维仿真技术，对关键设备进行模拟，提高维修准备的有效性；建立关键设备维修远程支持系统提升维修工作质量；利用数据分析对比技术，对大修全过程进行跟踪与分析，提升大修管理水平。

（5）建立精细化安全管理与可视化风险管理

核电厂的安全分为核安全、工业安全、辐射、消防、保卫、危化品、信息安全等众多要素，管理的内容十分零散，通过数字化与可视化技术，可以以电厂SSC为主线通过信息聚合，同时开发安全要素的据模型和可视化展示平台，实现安全管理要素相关信息、问题实时获取和主动推送，通过智能核电统一规划的核电厂三维可视化平台，满足安全信息检索、安全风险推演的需求。

（6）提升业务标准化复制与精益化成本控制能力

当前核电企业都将标准化、规划化、国际化作为战略手段，未来一段时间将有大量核电机组会建造投产，利用数字核电建设，形成统一的管理体系，实现业务管控标准的统一，是推进核电管理快速复制的重要手段，促进核电企业战略规划目标的实现。

核电厂是资金密集型企业，运行期电厂运维管理费用、备件费用、技改费用资金量都非常高，随着供电竞争加剧，运行成本精益化、合理化控制是核电运行的重要核心能力。

（7）电厂间对标与资源共享能力

利用群堆方法，建立电厂运营基线为各机组提供运营标尺，促进各电厂总结经验，提高运营质量。以电厂运营基线为基础，实现电厂间所有机组指标的对标，提升电站运营绩效，如非停、能力因子等指标的对标。

通过电厂之间统一的经验反馈体系，提升机组的安全性、可靠性、经济性。

通过统一的物料编码，建立电厂间备件集中采购、联储、共享机制，从整体上降低电厂备件成本，实现资源共享。

2．3 数字核电系统功能架构

根据数字核电业务目标需求，将数字核电按三维可视化管理平台、全寿期信息与配置管理平台、数字化维修支持平台、大数据分析平台、数字化仿真推演平台、智能设备诊断平台、智能工具应用平台进行规划，同时按统一标准体系进行建设与管控，确保数字核电的整体，系统功能架构如图3所示。

图3 数字核电系统功能架构Fig．3 Functional architecture of digital nuclear power system

（1）全寿期信息集成与配置管理平台

核电厂全寿期信息系统是生产管理平台的重要组成。系统以数据标准为基础，以信息系统为平台，以数据内容为目标作为建设原则。建立生命周期各个阶段数据之间的集成关联，建立核电上下游互通的集成架构，为电站全寿期绩效分析与决策提供信息支持。全期信息系统从运行核电机组的管理需求出发，提出对核电工程建设期、核电运行期的数据需求，在工程建设期将数据的格式、质量、移交进度要求纳入工程建造合同，并将此数据要求作为核电工程建设标准，工程建设结束后，按要求将数据移交到业主的全寿期信息系统。

全寿期信息系统另一重要功能是支撑核电配置管理，全寿期信息系统为配置管理提供数据源，接收电厂设计阶段配置项数据成果，为电站运行期全面实施配置管理提供保障。

（2）核电厂三维可视化管理平台

核电厂的工艺系统与设备非常复杂，电厂运行过程中还存在辐射、高温、危化等众多工作风险，用户通过图纸、文字信息等二维平台的信息对电厂系统与设备的状态难以准确、及时把握，更难以第一时间做出正确的工作响应。

三维及VR／AR技术的出现，让我们找到改善用户与系统交互的工具，通过三维与仿真技术，可以将电厂构筑物、系统、设备以直观的三维形式展示给电厂工作人员，让他们能更直观、准确了解电厂现场的情况及相关信息。通过仿真模拟技术，可以对工作进行根据与预演，计算工作的风险、注意事项，制订更好、更准确的工作方案，减少工作风险。

（3）大数据智能分析平台

在核电厂的设计、建造、生产、运行过程中将产生大量的数据或信息，这些信息以关系型数据、时间序列数据、音频、视频、文档、图片等型式存在，数字核电将聚合上述海量的结构化、非结构化信息，综合运用大数据、云计算等技术，打造核电全产业大数据管理平台，存储核电的各类数据资产，积累核电建设与运行经验，对电厂生产、运行数据进行分析，降低电厂运行成本，建设核电的数据金矿，提升知识的复用能力，发挥数据的潜在价值。

（4）数字化维修支持平台

核电厂系统与设备维修是电厂生产成本的主要组成部门，设备维修质量同时与核电厂安全运行业绩紧密关联，通过数字化技术，对设备维护方式、管理模式进行智能化升级，是数字核电核心价值之一。

数字化维修支持平台以设备全寿期信息为基础，同时对电厂SSC进行精细化三维建模，支持设备维修模拟与仿真，利用远程检测与监控支持，综合大数据分析技术，对核电厂设备维修的工艺过程进行数字化转型，全面支持电厂维修活动。

数字维修支持平台主要实现3D虚拟仿真推演、3D数字化检修规程、设备4D检修、移动电子工作包 （eWP）、远程维修支持、卓越大修中心等功能。

（5）数字化仿真与安全评价平台

电厂运行与维护期的虚拟仿真推演是以核电厂三维数字化模型为载体，让工程师可交互式地浏览、体验逼真的三维可视化工厂模型（厂房、房间、系统、设备等），更容易理解现场的环境、系统组成与设备布置、设备结构。

通过对系统原理进行建模，结合局部实验，对核电厂各类系统特性进行综合评估验证测试与验证设备运行状态的正确性、稳定性，对极端事故的实验模拟、性能评价，确保核电厂在各事故下能更安全运行。

（6）设备智能诊断与可靠性管理平台

在设备层数字化基础设施建设或改造的基础上，应用云计算、大数据等新技术，核电板块聚合多电厂典型设备监测信息、状态报告、经验反馈数据，建设远程数字化生产集中监测机制及经验反馈共享机制，促进各成员单位间设备故障信息、检修信息、安全、质量等信息的共享，从核电板块层面协同提升各成员单位的生产安全与运行稳定。

基于多来源的设备大数据 （监控、巡检、历史记录等），建立基于预测性设备维护的设备可靠性管理机制，通过对设备运行数据的跟踪、分析，能够发现潜在的设备运行风险，优化设备的运维计划和提高设备的运行效率（见图4）。

图4 设备智能诊断系统示意图Fig．4 Illustration of equipment intelligent diagnosis system

（7）智能工具应用平台

机器智能能力包含两个方面：应用大数据建模预测、人工智能、认知计算技术对海量生产、运营、设计等数据及操作规程、法律法规、员工知识、行业经验等文档进行自然语言处理与人机交互学习，给出更优化的建议措施，助力生产人员、管理人员做出正确的决策；工业机器人的智能化应用，智能机器人工作时通过传感器获得外部环境信息的变化，可自主规划行动路线，在适应环境的情况下完成既定工作目标。

3 数字核电应用价值分析

（1）全面推进业务能力提升

数字核电是基于三十多年来数字化、信息化建设的成果，以生产数字化为基础，以管理信息化为支撑，积极推进智能化应用，高度集成核电全生命周期的业务、数据和资源，高效管理设备资产和数据资产，通过核电管理数字化转型与升级，有效支撑核电安全、高效、经济运营。

通过数字化、信息化技术与工业化的融合应用，建立 “覆盖面广、管控度深、预警性高、响应快速”的核安全主动防御与保障体系，确保核电厂的安全、可靠运行。

（2）全面提升企业数字化能力

数字核电包括生产数字化、精细化管理、可视化交互、智慧化运营、全寿期管控、全产业互联这六个主要的业务特征，参考不同类型企业开展数字化建设需要具备的数字化能力，我们将数字核电需要具备数据感知、信息整合、信息可视、分析决策、三维仿真、机器智能、协同互联这七个数字化能力，通过数字化能力的持续建设，推动数字核电的不断完善。

（3）全面提升信息化水平

通过研究分析，我们认为核电企业目前普遍处于基本实现 “电子化”、部分实现 “数字化”的阶段，通过数字核电的持续建设，能够推动中国核电迈向基本实现 “数字化”、部分达到 “智能化”的发展阶段，全面提升核电信息化水平。

4 结束语

核电数字化、智能化是大势所趋，是核电未来参与市场竞争的基础和前提。核电数字化、智能化既是挑战也是机遇，是创造更多业务价值，进行管理提升的必由之路。

利用数字化技术实现核电运行维护的智能化，是进一步确保和提升核电安全、高效、经济、稳定运行的有效途径。核电企业通过积极筹划，加强顶层设计，制定科学合理的推进策略、建设规划，明确实施路径，集中核电板块的智慧和资源，统筹推进，则有望形成领先优势，有望成为核电 “走出去” “国际化”战略落地的核心竞争力。

数字化不是终点，是企业走向智能化并获取更多业务价值的必经之路。以促进核电安全、高效、经济运营为目标，在核电企业规模化、标准化、国际化的战略引领下，结合自身的业务特点与数字化、信息化的需求，通过多种能力的持续建设，实现价值提升，推动核电企业由 “数字化感知”阶段向 “智能化仿真与预测”阶段迈进。

（责任编辑：白佳）

《中国核电》“创刊10周年”征文启事

为纪念 《中国核电》杂志创刊10周年，杂志社现开展论文、照片、视频征集活动，有关事宜如下：

一、征文范围

参考选题如下 （下述选题仅供参考，作者可根据自己的研究范围另行拟定）：

（1）中国核电产业发展规划：核电政策、核电规划、核电建设与发展；

（2）中国核电产业科技创新：核电研发和设计、核电运营与管理、核电设备制造；

（3）核燃料循环：铀资源、核燃料元件制造、核燃料后处理

（4）核电安全：核电厂安全文化、辐射防护

（5）其他选题

二、论文要求

论文内容应具有科学性、先进性和实用性，能反映出近年来中国核电产业发展的新成果，文字通顺、逻辑严谨，未公开发表过，无政治性、保密性问题。具体要求见附件。

三、论文发表

所征集的论文通过 《中国核电》杂志编委会审评后，评选出的优秀论文将在 《中国核电》正刊上 （免发表费）发表。其他文章经审查录用后，可以 《中国核电》增刊 （2018年版）形式正式出版，论文审理费、发表费按 《中国核电》标准收取。相关费用待作者收到稿件录用通知后再一并汇寄至 《中国核电》杂志社。

所征集的照片经筛选后择优随刊发表，视频将刻录至 “创刊10周年”纪念光盘中。

欢迎相关企事业、科研单位的专家、学者、科研人员以及大专院校的师生踊跃投稿。

四、征文截止时间：2017年11月15日

五、投稿邮箱：zghd10zhounian＠sina．com

六、联系人：白佳 010－88828674，18811361993

Function Planning and Architecture Design of Digital Nuclear Power

WU Ji－ze
（Nuclear Power Operations Management Co．，Ltd．，CNNP，Jiaxing，Zhejiang Prov．314300，China）

“Digital nuclear power”is one of the key parts of the strategic development plans of nuclear power groups，and is also one of the core content of informatization．This paper first analyzes the business requirements，and then proposes the top－level architecture of digital nuclear power，and explores the effects of application so as to provide effective support to the implementation of digital nuclear power project．

digital nuclear power；intelligent nuclear power；wisdom nuclear power；architecture；3D；simulation；big data；artificial intelligence

TM623．1 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0348－07

TM623．1

A

1674－1617 （2017）03－0348－07

10．12058／zghd．2017．03．348

2017－06－25

伍吉泽 （1972—），男，四川人寿人，硕士，高级工程师，现主要从事企业信息化管理工作 （E－mail：wujize＠cnnp．com．cn）。