工业互联网平台在核电应用的模式分析与场景研究

2021-11-19秦绪涛张钧鸣景应刚李荣君

中国核电 2021年6期

杨强，秦绪涛，张钧鸣，景应刚，李荣君，徐奎，兰洋

(1.江苏核电有限公司，江苏连云港 222000；2.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉 430000)

当前，新一轮科技革命和产业变革正蓬勃兴起，制造业加速向数字化、网络化、智能化方向延伸拓展，软件定义、数据驱动、平台支撑、服务增值、智能主导的特征日趋明显，加快发展工业互联网平台，不仅是各国顺应产业发展大势，抢占产业未来制高点的战略选择，也是我国加快制造强国和网络强国建设，推动制造业质量变革、效率变革和动力变革，实现经济高质量发展的客观要求。

工业互联网是工业云平台的延伸发展，其本质是在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术，构建更精准、实时、高效的数据采集体系。包括存储、集成、访问、分析、管理等功能性平台，实现工业技术、经验、知识的模型化、复用化，最终形成资源富集、协同参与的制造业生态[1-4]。

党中央、国务院高度重视互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术和实体经济融合发展。习近平总书记强调，要深入实施工业互联网创新发展战略。李克强总理在今年政府工作报告中提出发展工业互联网平台。2017年11月，国务院印发了《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，提出着力建设网络、平台、安全三大功能体系，实施工业互联网平台建设及推广工程，形成多层次、系统化的平台发展体系。随着国家层面对产业升级、创新、经济新动能的进一步强调，工业互联网作为智能制造的基础平台，将会在整个制造业发展过程中起到越来越关键的作用[5，6]。

随着电力市场的不断变化以及应对当前电价工作面临的严峻形势的需要，核电企业需要通过提质增效来提升成本管理核心能力，依托信息化管理，全面提升管理水平，深化对标创优，精细化管理，实现企业质量效益双提升。核电厂作为传统制造企业，如能将大数据、人工智能、工业互联网等新兴技术应用到实际的业务场景中，发挥新技术对于生产运营和经营管理等相关领域的支持，能够有效提升核电企业的核心竞争力[7-9]。

1 建设意义

加快建设和发展工业互联网，推动互联网、大数据、云计算、人工智能和实体经济深度融合，对于核电企业而言具有重要意义。

一方面，工业互联网是以数字化、网络化、智能化为主要特征的新工业革命的关键基础设施，加快其发展有利于加速核电行业智能制造发展，更大范围、更高效率、更加精准地优化核电企业生产和服务资源配置，促进产业转型升级，催生新技术、新业态、新模式，为制造强国建设提供新动能。工业互联网还具有较强的渗透性，可从核电行业扩展成为产业上下游的产业领域网络化、智能化升级必不可少的基础设施，实现核电产业上下游、跨领域的广泛互联互通，打破“信息孤岛”，促进集成共享。

另一方面，建设工业互联网，有利于促进以云计算技术为基础的网络和计算基础设施的演进升级，锻炼一支掌握云计算数据中心建设涉及各技术领域核心能力的团队，拥有面向外部市场提供从业务咨询、平台建设到应用推广等多方面服务的能力。促进围绕ERP、EAM、ECM、ERDB等核心业务系统的大数据、人工智能、物联网等先进技术的应用。通过加强顶层设计、统筹部署，扬长避短、分步实施，能够开创核电行业工业互联网发展新局面，为企业发展赋予新的动能。

2 问题和应对

2.1 问题1：工业互联网的选型与建设问题

工业互联网是众多工业技术和互联网技术的集合，选择一个合适的平台对于后续基于平台开展企业的设备上云和云上应用开发至关重要。既要避免被商业软硬件平台绑架，也要避免企业级产品的开发利用受制于人。工业互联网的项目复杂度高，按照传统的集成实施项目进行监理工作，难以把握项目的整体完成度和应用效果，必须对项目所采用的技术全面了解，才能达到实质性监理的目的。有鉴于此，核电企业可以通过与外界具有产业基金资助的成熟商业企业合作，建立产学研联合的合作模式，明确双方的职责划分，将不可控的风险合理转移给外部单位，确保企业项目落地的可控性。按照“保证为我所用、尽量为我所有”的原则最大程度保证项目成果的知识产权归属，确保核电企业掌握工业互联网平台的核心技术能力，合作形成的成果能够在行业内得到积累与保留，拥有对同行核电厂的推广应用权利。

2.2 问题2：工业互联网的安全问题

对于核电这种工业控制系统的安全直接影响到核安全的企业而言，必须将工业互联网的安全放在第一位，当前国内的工业互联网安全保障能力相对薄弱，工业核心设备及系统自主研发能力不足，安全技术和产品相对匮乏，产业支撑效应不明显，难以满足当前工业信息安全发展的现实需求。基于此，提升工业控制系统信息安全能力、加强工业互联网安全保障成为核电企业工业信息安全工作的重中之重。工业互联网的信息安全需要国家、行业、企业不同层面共同努力，通过加强统筹协调规划、加大资金保障力度、加快人才队伍建设、加深合作交流推广四个方面来保障工业互联网信息安全体系的建设，共建工业信息安全生态圈，提升工业安全的核心技术能力，确保工业互联网平台的安全落地。

3 核电企业建设工业互联网的客观条件

3.1 核电厂开展工业互联网建设的基础设施较好

以田湾核电厂为例，仪控系统采用当今世界的先进的西门子数字化分散控制系统(DCS)；扩建工程5、6号机组全厂数字化仪控系统采用自主知识产权的核电DCS“和睦系统”；扩建厂房无线网络已经投用。这些都为工业互联网平台的边缘计算建立了良好的技术基础。在IaaS层，田湾核电厂拥有独立的数据中心，能够提供稳定可靠的计算存储、网络服务、安全服务，提供高可用的数据服务，且制定了完备的业务连续性保障措施，能够作为工业互联网平台应用的基础架构资源。在PaaS层，田湾核电厂深入研究和探索云数据库、各类服务中间件以及微服务架构等技术产品的应用，融合大数据、移动互联网、机器学习等技术组件，形成一套以开源产品为基础依托的应用开发框架，能够支撑工业互联网平台的应用开发需要。

3.2 核电厂信息化管理基础较好

核电厂在参照国际标准的基础上，建立起涵盖项目管理、运维、信息安全、数据及企业架构等领域的IT管理体系。信息化在做好“高效、可预测的运营服务提供者”的同时，逐步向“信息资源整合及灵敏方案提供者”扩展，致力于在洞察用户需求的基础上提供信息化服务和数字化工具，努力打造创新型IT职能部门。信息化工作坚持与领先的数字化转型的推动者们加强创新合作，提升自身技术能力，为企业的数字化转型奠定基础。这些管理能力的积累为引入工业互联网提供了可靠的管理支撑。

3.3 核电厂设备管理提升需求强烈

设备管理的安全性和可靠性不仅关系到核电机组的安全可靠，还影响着核电的经济效益。根据历史数据统计分析，发现由于设备问题引起的停堆停机事件占到总事件的87%，人因和外部事件占13%。因此，有必要加强设备的可靠性管理，从而提高机组的安全性和可靠性，减少非停和维修工作，增加经济效益。核电厂通过成立专责的设备管理部门，与维修工作的具体执行部门一起研究设备管理的效益提升。工业互联网作为提高设备监测和分析能力的利器，引入与应用已经迫在眉睫。

3.4 核电厂类似工作已开展良久

工业互联网平台中一项重要技术就是数字孪生，通过物理实体和数字孪生状态的连续同步而实现数字孪生与物理实体集成，将模型与物理实体的当前以及历史的数据交互中，不断得到改进、更新、修正。数字孪生可直接比对和分析物理实体的期望值和测量值，在此基础上实施更优化的控制。数字孪生可用于物理世界全生命周期的仿真、监测、优化和验证。这项技术与核电厂开展数字化模拟机管理工作类似，将真实工况数据与模拟机进行结合就是数字孪生的雏形。可以说，工业互联网的技术并不新鲜，得益于技术的发展能够更为广泛地得到应用。

4 核电企业建设工业互联网的切入点

设备是核电厂固定资产的重要组成部分，设备管理水平的提升，是保证核电厂安全稳定持续运行的基础，是构建设备互联智能的基础，是实现“发展提速、经营提质、运作提效”的重要支撑。当下，无论是“中国制造2025”还是“互联网+”，本质都是工业化和信息化相互融合的不断深化。为深化“两化”融合，有必要通过工业互联网平台实现设备运行状态的智能监测，实现设备的智能运营，从而持续推动管理体制创新，增强企业经营活力，打造核电行业设备智能运营标杆。

设备工业互联网平台以设备的机械故障、电气故障、仪表故障在线监测为基础，通过连续监测设备运行数据，详细记录设备运行、维护、检修状态，实现以故障预判结论触发运维检修工作流程，从而全面推动设备状态检修在核电企业的落地实现。通过设备智能运维检修管理，可以掌握设备的生命周期，合理安排运维检修工作，并可对存在故障隐患的设备进行重点排查，实现减少设备非正常下线次数，防止设备带病运行，降低设备大修频率，节省设备运维费用，并切实降低非计划停机事故发生次数。

在技术上，设备工业互联网平台将实现对企业内的稳态和非稳态设备状态的全面监测，包括对电机转速、电流、电压、温度等工艺量信号接入和设备运行振动数据及客体表面温度的采集，通过对设备自带工艺量信号的提取和振动传感器部署实现对设备状态完整的监测。通入设备智能运维检修管理功能，利用系统内的机械故障诊断模型、电气故障诊断模型和仪表故障诊断模型对异常数据进行深度挖掘，能够准确实现故障判断和定位，利用系统的报表功能，为设备运维和检修管理决策提供支撑。为检修作业流程和标准提供建议，同时实现现场知识经验的积累和沉淀，促进整体管理水平的提升。

借助设备工业互联网平台，实现连续在线监测监控设备运行数据、缩短设备定期检测周期，细致记录总结设备运行状态，掌握设备生命周期，对存在故障隐患重点检测；实现减少在线运行设备非正常下线次数，降低设备大修频率，节省设备修理费用成本，严防设备带病作业，明确设备事故责任等工作目标，从而降低设备维修故障率，力争将非计划停堆事件降为0。

5 核电企业建设工业互联网的应用场景

5.1 核电全寿期实体对象知识图谱

知识图谱是以语义网络为骨架构建起来的巨型、网络化的知识系统，能捕捉并呈现领域概念之间的语义关系，使琐碎、零散的知识相互连接，支持综合性知识检索以及问答、决策支持等智能应用。核电厂实体对象知识图谱主要是以核电厂实体对象为骨架构建的知识图谱体系，以现有的数据库资源为知识图谱填充内容。可视化的语义图可以形象地表达领域概念之间的关联，用户可通过交互的方式来浏览领域概念，选择其中的某个概念开始构造查询或搜索。核电厂实体对象知识图谱能增强核电厂实体对象知识资源的联通性，支持用户在概念层次上浏览领域知识资源，发现核电厂实体对象概念或知识资源之间的潜在联系。

基于核电厂实体对象知识图谱在传统的检索系统中嵌人“知识图谱卡片”，系统会根据用户的输入识别出概念，列出概念的核心信息和相关信息。用户可根据不同需求了解概念及其相关知识，在相关概念之间进行跳转，从而对检索点进行全方面的了解。这种基于知识图谱的检索系统不仅直接提供给用户输入的知识，而且提供了相关的信息，方便检索。

基于核电厂实体对象知识图谱实现核电厂实体对象知识地图系统，知识地图以可视化概念图的方式形象地表达领域概念之间的关联，用户可通过交互式的方式来浏览核电厂实体对象相关概念，选择感兴趣的概念查询浏览。知识地图能够实现对核电厂实体对象知识的有效组织和导航，协助用户快速找到所关注的知识点，有可能帮助用户发现潜在的知识等。

基于知识图谱搭建核电厂实体对象维基百科系统，面向核电厂实体对象工作者和用户提供百科全书式的知识服务。核电厂实体对象维基百科系统按概念实体对知识和文献进行组织，将知识图谱中关于某个概念实体的知识以百科形式综合呈现出来，包括该概念的名称、类型、简介、文字信息以及语义关系等，列出与该实体相关的文献题录。相较于传统的维基百科，基于核电厂实体对象知识图谱的维基百科是利用知识图谱将已有的核电厂实体对象信息资源有序组织起来，提供知识点的关联性，具有自动提供知识并能追溯知识源的特点。

5.2 设备故障智能诊断与预测性维修

传统的设备状态监测主要依靠人工定期采集设备的振动参数和油质参数来实现有限的状态监测。随着传感技术与计算机技术的发展，设备状态监测技术开始朝着自动化、智能化的方向发展。通过在设备上增加振动、温度、噪声等传感器，并与实时数据系统进行集成，能够将设备物理模型与数理模型进行同步对照，形成多维度诊断分析的依据。实现的典型功能目标包括：

实现多源异构参数的同步与融合。融合核电厂实时数据系统抽取的标准格式化数据、就地振动传感器上传的高频振动数据、油质传感器通过RS485通信接口上传的厂家自定义格式数据以及声学传感器通过PCI接口上传的文本数据，实现不同来源数据的解析、同步与融合。

实现基于多元状态评估的异常判断。数据经过同步和融合后不能直接用来进行设备状态评估，必须经过一定的预处理。在进行设备状态评估时，单个或少量参数很难达到预期效果，必须是多元的。通过计算多元参数之间的耦合关系，然后与大量历史记录进行比较，从而对设备状态进行评估。

实现设备参数变化趋势的自动识别、分析和预测。核心参数变化趋势能在一定程度上反映设备的健康状态变化趋势，建立参数变化趋势的自动识别、分析和预测有助于更好地实现设备状态监测。

实现设备状态提前预警。设备状态变化效应从时效性来说是噪声分析>振动频谱分析>振动幅值监测>温度监测>油质监测。通过加装声学传感器并引入振动频谱分析和声学分析能够较早地检测到设备状态的轻微变化，从而实现提前预警。采用多元状态估计方法，通过比较当前健康数据和历史健康矩阵的相似度，然后与设定门限进行比较，也能达到发现设备轻微异常提前进行状态预警的目的。最后通过对核心参数趋势预测，然后比较预测结果与设定门限的差值距离，也能实现一定程度的提前预警。

实现基于数据模型和机理模型相融合的设备故障智能诊断。在实际应用中仅实现异常检测与判断往往是不够的，工程师希望能够有一种手段帮助其定位问题发生的部位和原因。系统将用数据模型和机理模型两种方法来进行故障定位和分析。数据模型通过借助大数据分析技术，以异常测点预警的形式粗略定位异常指标和故障部位。机理模型则是借助振动频谱分析和声学分析的手段精准定位故障发生的部件和位置。

5.3 大修模拟仿真平台

核电厂大修存在工期短、项目多、工作量大、工作接口多等特点，有大量交叉作业任务，且工作环境复杂，存在很高的人因风险和辐照风险。为了提高工作效率，优化和减少大修工期，合理调配大修支持资源，需要采用模拟仿真技术对大修过程进行模拟操作，以实现和降低大修不可预期事件发生，合理安排大修工期和提前做好维修预案。

大修模拟仿真平台实现现场与设备三维视图，融合大修进度计划、维修项目任务、资源调配、成本控制、安全监督、辐射防护、质量控制等维度，实现大修实景模拟仿真，用以预测风险，调控任务及资源，有效优化大修计划安排，管控实施进度，保证大修实际有序开展。比如，构建三维模型，可查看设备任意剖面、设备内部和零部件结构，三维模型与设备属性参数、相关图纸关联，细化到检修中需要拆卸回装的所有部件；检修工艺三维仿真，主要包括检修过程中的工艺步骤三维动画，展示设备拆装过程，关键步骤含有放大细节展示场景；检修路径三维仿真，主要包括大修检修路径实施步骤三维动画，模拟检修工作进程，检验检修进程、步骤适宜性和可行性，模拟排程实现检修路径优化；检修经验反馈事件三维仿真，根据典型事件报告对事件进行细致深入的模拟仿真分析，明确事件原因，制定防止事故发生的纠正措施并进行模拟仿真验证。

5.4 移动维修操作及业务管控平台

针对移动终端应用特点，为提高移动终端系统运行速度与效率，尽可能减少PC端因移动终端取数影响，以及移动端应用数据对PC端数据的改变，建立移动维修操作及业务管控平台，作为PC端与移动终端中间联络平台，实现数据交互记录移动端业务操作过程数据。

移动维修操作及业务管控平台采用基于角色的工作流模型和浏览器/服务器模式的三层体系架构，实现不同角色用户按照维修管理流程处理不同的节点任务，用户在个人电脑用浏览器或智能手机端用报修管理应用APP，均可方便灵活地登录平台进行任务处理。系统基本功能模块包括基础数据管理、维修流程管理、备件库存管理和统计报表管理。

准确的基础数据是信息系统顺畅运行的支撑和前提。移动维修操作及业务管控平台需从PC端获取大量基础数据并及时进行更新，以保证数据库的准确性，如维修服务收费标准，备件信息关联备件名称、规格、型号和价格，常见维修事件分类设置默认维修要求完成时间，办公区域设置关联座机号码及其安装地址、归属科室等信息，员工编号关联员工姓名、手机虚拟网短号和科室信息等，这些数据在系统运行过程中经常需要自动关联引用，以提高使用人员工作效率。

维修流程设计采用基于工作流的角色模型，每个流程节点的处理人都可以在PC端或手机端接收诉求单的任务消息，执行处理后提交给后续节点处理人，或回退给上一节点处理人。用户通过系统平台提出维修申请，生产计划人员根据报修紧急程度进行任务流转，将维修申请指派给相关职能班组，班组进行工作准备并开展维修，维修完成后由运行人员结票验证，通过后维修人员填写完工报告并提交关闭申请。

备件库存管理模块包括备件入库、出库、退库、调拨、报损和备件查询等功能，能够规范和简化维修人员在手机端办理相关领用及退库业务，提高工作效率。具体使用场景包括，维修人员接到诉求单派工任务后，根据报修信息预判故障原因，并预估维修所需的材料备件，到备件仓库领用备件。仓库管理人员使用扫码设备扫描工单的二维码，读取对应的诉求单编号，再扫描备件上的条形码，将诉求单和备件出库记录建立对应联系，出库的备件自动关联到维修单中的材料费中。维修师傅完成维修之后只需要输入对应的使用数量即可，不需要再填写材料名称和规格型号。维修完成时备件如有剩余，可以前往备件仓库进行退库操作。此外，备件清查模块可以进行库存盘点，查询维修人员领用和使用量，避免材料浪费。

报修管理平台的应用积累了大量与维修管理相关的知识和信息，记录所有设施设备的故障现象、故障原因及其解决方案。通过整理和分析这些数据信息建立维修知识库，可以为后续维修节省时间和成本。系统提供多样化的统计报表，通过信息化平台规范数据输入，可以进行多维度的信息检索和统计分析，如按报修科室、受理职能部门、紧急程度、报修地址、常见报修事件分类，维修人员统计诉求单数量和维修费用信息。