核电厂全生命周期数字化转型研究与设计

徐建军，王 浩，张 翼

（中广核工程有限公司 核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518172）

0 引言

传统核电厂向数字化核电厂转型是大势所趋，国内核电厂普遍已将数字化转型作为企业战略转型升级的重要方向，传统的核电厂正面临着数字化转型带来的新挑战、新机遇，越来越多的核电厂走上了数字化转型之路。根据国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，简称IAEA）发布的最新数据，截至2021年年底，全球在运核电机组439台，其中中国在运53台，仅次于美国的93台和法国的56台，在运机组数量位居全球第三。在数字化转型的新时代背景下，中国核电企业普遍认识到数字化转型的重要性，均提出以提升核电厂安全质量和核电经济性指标为导向，利用新一代5G、人工智能、大数据分析、虚拟仿真等先进数字化技术，在核电厂数字化设计、数字化工程、数字化移交、数字化运行和退役等阶段，分阶段推进核电厂数字化转型，逐步实现核电厂全生命周期数字化转型的目标。

1 核电厂数字化转型目标

1.1 实现全范围全生命周期数字化

数字化核电厂建设是一个非常庞大的复杂系统工程，是以贯穿核电厂设计、建造、运维、退役等全生命周期为特征，采用先进的设计、建造、管理和控制手段，建设具有信息化、数字化和智能化特征的新一代核电厂。数字化核电厂建设范畴，不只是停留在核电厂管理信息化、状态可视化的初级阶段，而是逐步向电厂监控系统化、运维智能化方向转变，从核电厂运行监控、维护检修、安全应急等生产运行领域，逐步扩大到核电设计、施工管理、退役等其它应用领域。随着信息化、数字化的普及与快速发展和核电产业链协作的不断深化，数字化核电厂建设已从早期局部领域的数字化，扩大到设计、施工、移交、运维和管理、退役的核电厂全生命周期、全过程领域的数字化。

1.2 提升核电厂广泛智能互联水平

物联网、5G等新一代信息通信技术开启了万物互联的新时代，同样也为核电厂重要设备的在线检测、远程诊断与集约控制等提供了必要的技术保障。通过对关键设备实时数据的采集与分析，再借助大数据、人工智能等前沿技术，构建广覆盖、低时延、高可靠性的核电厂互联互通集成体系，实现厂区内外部各个控制和管理单元的无缝链接，进而实现电厂生产场景、生产方式和管理模式的颠覆性变革，甚至重构整个核电厂的时空体系。

1.3 促进核电产业链更为紧密合作

随着信息技术快速发展和数字化应用逐渐普及，基于数字化的业务协作和信息共享将更为普遍，核电厂各建设方和电厂运行单位间合作变得更加紧密，协作方式也将发生根本性改变。随着核电产业链协作的不断深化，相关企业间的数据流和信息流交换也越加频繁，核电产业的设计、制造、采购、施工、运行以及将来退役等各领域互有数据信息提资和交换，大量信息通过有效组织、挖掘和利用，最终将形成覆盖核电产业各领域的全周期大数据体系，将不断产生新的应用价值，反过来更加促进核电产业链的紧密合作。

2 核电厂数字化转型关键技术

2.1 智能设计

设计是核电产业的龙头，不仅影响着核电产业的方向和行业水平，而且直接决定着核电工程建造效率、质量及其经济性。由于核电厂系统复杂、布局紧凑，一台百万千瓦级核电机组拥有300多个系统，近10万台套设备装置，且核电设计参与专业多、约束条件多、迭代过程复杂。而基于云架构三维数字化协同设计体系，可以有效提高核电厂设计质量和效率，主要体现在两个方面：首先是云设计的协同设计能力，将设计流程、平台、资源整合到云端数据库，实现按核电厂系统、功能及方案开展协同设计，通过资源整合、流程优化和协同创新，驱动设计业务流程创新、模式创新和功能创新，让设备供应商、制造厂家和设计单位同步参与到前端设计中，颠覆传统的设计模式。其次是设计平台工具智能化，可以在较短时间内完成大量复杂运算，实现快速建模，生成三维模型数据的目标，提供模型数据自动校验、电缆自动敷设、智能出图等能力，甚至具备人工智能设计评价体系，利用大数据和人工智能学习算法，实现设计成果智能检查、优化和发布。

2.2 数字孪生

数字孪生技术是联系实体世界和数字世界的一种映射技术，近年来在核电领域应用迅速，正加快推动核电厂的数字化转型。数字孪生技术融合了边缘计算、智能互联、人工智能等技术，利用智能在线检测和快速建模仿真技术，实现对智能传感数据实测、运维历史数据分析，集成核电厂电、辐射、热、振动、流体、压力等多物理量的仿真过程，在虚拟空间中实现对实体核电厂机组、系统、设备的真实映射，并进行实时更新与动态演化。数字孪生模型能直观、高效地洞悉核电厂系统数字孪生体之间共享智慧、共同进化的孪生共智状态，数字孪生技术可应用到核电厂设备实体从早期概念设计到运维，再到退役拆解回收的全生命周期过程中。

2.3 虚拟仿真

虚拟仿真是利用虚拟现实、增强现实和混合现实的3R技术，将虚拟世界和现实世界信息融为一体的一种仿真技术，在核电厂数字化和智能化应用中发挥着重要作用。虚拟仿真技术利用计算机生成视、听、嗅等感官信号，提供用户丰富的沉浸式体验，包括环境模拟、人的感知、设备操作等体验，甚至可以达到超越现实的感官体验。在核电设计阶段，虚拟仿真技术实现了“所见即所得，所得即数据”的设计理念，对核电厂汽轮机、反应堆等厂房及设备进行虚拟布置和优化，对核电厂设施进行动态建模、优化设计和验证；在核电厂施工、运行和退役阶段，虚拟仿真技术能对传统核电工程的操作工艺、逻辑和方案进行推演论证、风险评估、迭代优化。在核电厂全寿命周期数字化升级和服务中，虚拟仿真技术正发挥着其强大的直观性、多样性、实时性、交互性等数据交互和虚实联动的优势。

2.4 人工智能

人工智能是核电厂数字化转型的关键应用技术，融合了云计算、大数据等前沿技术，利用数据、算力、算法三要素，快速提升核电厂智能化水平。人工智能可利用自然语言处理、智能语音、语义分析等先进技术，发挥在核电厂特殊场景环境应用上的独特优势，能够极大提高核电厂运作效率和智能化水平。在核电安全领域，通过自动获取设备运行数据，动态分析设备性能，预警潜在风险源，降低设备故障率。在安全生产领域，结合三维环境重建、视觉识别、运动控制等技术，实现各类机器人在特殊环境下的自动巡视、作业、处置等现场安全智能服务，提升核电厂人工智能技术应用水平。

3 核电厂数字化转型思路

3.1 数字化设计

3.1.1 总体思路

核电厂数字化设计是核电厂数字化的第一步。数字化设计包括设计过程三维协同、设计成果数字化等要素，其内涵非常丰富，设计思路总体上须遵循如下原则[1]：①统一平台。鉴于核电设计多专业、多用户端点的特点，需考虑在统一工作流程和程序体系的基础上，架构一套统一的跨专业的三维协同设计平台，以实现各专业实时协同，实现三维数字化设计的策划、组织、内容等要素的校审、接口、评审、发布等活动过程。②“两化”融合。实现核电厂信息化和工业化高层次深度结合，开展工程设计和信息化技术的融合与延伸应用，有效推动核电厂内部纵向集成和产业链上下游的横向集成，带来企业生产场景、生产方式和管理模式等颠覆性变化。③板块协同。以核电设计板块为牵引，充分利用数字三维模型、后台数据及可视化工具，为设计、设备采购、工程施工、调试四大板块联动并在应用上实现突破，如穹顶吊装模拟、大型设备引入、大宗材料精细化管理等应用。④全方位管控。在数字化协同设计平台基础上，在安全、质量、环境、进度、技术、成本六大控制方面实施全方位管控。数字化三维协同设计总体思路如图1。

图1 数字化三维协同设计总体思路Fig.1 General idea of digital 3D collaborative design

3.1.2 架构设计

在遵循三维协同设计体系总体思路框架下，设计平台应用架构设计的关键是要解决不同专业间的信息数据交换问题，以实现系统设计、布置设计、电仪设计、设备设计和力学计算等不同专业间的数据交换，包括设备建模设计、设备结构力学仿真分析协同、布置设计各专业协同、碰撞检查、管道应力计算、力学计算、灾害分析等功能。设计数据交换效率的高低，直接决定了核电工程设计工作的效率。数字化三维协同设计平台架构设计如图2。

图2 核电厂数字化三维协同设计平台架构设计Fig.2 Architecture design of digital 3D collaborative design platform for nuclear power plant

3.2 数字化工程

3.2.1 总体思路

数字化工程是在完成核电厂设计的基础上，通过数字化采购、施工、调试和移交，与建成后的数字化核电厂有机相连，以支撑通过数字化转型，实现对全核电厂全生命周期管理。数字化工程利用BIM、GIS、虚拟仿真、物联网等新一代信息技术与核电工程相结合，以解决核电工程采购、施工、安装、调试、移交等关键路径上的主要问题，提升核电工程的质量和效率。总体看，数字化工程具有如下特征要素：①三维可视化应用。将传统基于二维图纸平面表达方式，转为符合人体大脑感知的三维模式在平台上直观展示出来，提升沟通和施工效果，强化决策支持。②虚拟建造。利用虚拟仿真技术，对传统核电工程的施工工艺、施工逻辑、施工方案进行推演论证化，对核电厂汽轮机、反应堆等厂房及设备进行虚拟布置和优化，对热力管道、蒸汽管道、冷水管道、电力桥架等进行动态仿真、碰撞实验和优化设计。③数据集成。实现将施工全过程中的三维模型、技术信息、安全质量、进度计划等信息集成在一起，开展数字化施工、数字化调试，优化施工进度，确保施工逻辑科学合理，积累核电厂共模施工经验反馈，进而有效提升核电工程质量和效率。

3.2.2 架构设计

数字化工程的核心是数字化施工，包括全过程施工进度管理、施工现场监测和控制的数字化、施工方案虚拟仿真验证等。数字化采购是数字化施工的基本输入，主要目标是实现采购的全生命周期数字化管理，包括立项和合同的数字化管理，以及运输、仓储、设备、大宗材料的数字化管理等。数字化调试是核电厂施工后期，利用数字化技术对核电厂各个设备及系统进行调试，包括数字化调试预演等重要任务，实现数字化监测调试和控制[2]。数字化工程架构设计如图3。

图3 核电厂数字化工程架构设计Fig.3 Architecture design of digital engineering for nuclear power plant

3.3 数字化移交

3.3.1 总体思路

数字化移交是将核电厂设计、工程建设、设备安装调试过程中产生的各种施工、采购、安装、调试等工程信息和数据，利用数字化移交平台实现统一移交，为电厂后续运营提供数据保障，从而实现核电厂全生命周期的数字化管理[3]。数字化移交需具备如下特征要素：①有确定的数字移交范围和内容，包括设备数据、土建数据、结构数据（SSC）、文件模型数据、调试数据、竣工数据等基础数据信息。②具备移交管理规范，主要包括数字化移交策略的制定，移交格式的约定，移交流程和移交质保大纲编制。③具备移交技术规范，重点包括三维模型数据规范，包括模型的集合信息和非几何信息，确定公共定义与值列表数据规范，包括厂房和构筑物及设备编码、核安全等级定义值、文档类工程文件移交技术规范。

3.3.2 平台架构设计

数字化移交平台是核电工程和运营两大板块之间信息和数据的通道，能够实现把设计、工程过程的关键数据和模型移交至运行阶段，为核电厂数字化转型打下数据基础。平台连接工程数据移交双方，实现从移交方向接收方工程数据的单向传递，按照平台和工程数字化移交规范的要求，移交全套工程阶段基础数据。数字化移交平台还需具备数据校验功能，对移交数据的质量进行分析和监控，同时还可以导出必要数据至相关生产平台的信息系统[3]。数字化移交管理平台的架构设计如图4。

图4 核电厂数字化移交平台架构设计Fig.4 Architecture design of digital handover platform for nuclear power plant

3.4 数字化运行

3.4.1 总体思路

核电厂数字化运营不同于核电厂的传统运营，前者能在核电厂运行、监控、检修、应急等各个环节进行数字技术的引入，带来管控流程和工作效能的显著转变。总体思路上，需要从防人因和设备安全两个维度，先应用于人员，再应用于设备，最后整合全厂的数字化运行。数字化运行具有如下特征要素：①移动办公。可为现场作业提供多维支持，包括文件查询、工单查询，采用电子工作票，离线作业转为在线作业。②定位感知。实现对核电厂人员与装置的定位，为运维工作提供识别、导航、统计服务。③状态监控。提供丰富的传感视频等监控手段，新增不易达区域、重要敏感区域、特殊设备，实时获取各类测量数据，如RCP主泵、CRF泵高耗能设备无线监测。④智能运维。借助人工智能（AI）、专家系统技术完成各种维修和管理操作，远程诊断操作，信息采集与数据分析全厂融合，全面实现在线检测与智能控制。

3.4.2 架构设计

核电厂数字化运行平台架构设计，主要是基于边缘层的基本数据输入和基于安全考虑的云基础设施，实现过程控制的数字化和智能化。运行过程中的数字信息技术应用，不仅停留在核电厂运营管理方面，也广泛应用在核电厂配置管理、运行监控、维护检修、安全应急等生产运行过程中，最终实现核电厂自动化运行、智能化诊断、高效化检修与快速化应急响应，大大提升核电厂的生产、管理和服务的智能化水平。核电厂数字化运行平台架构设计如图5。

图5 核电厂数字化运行平台架构设计Fig.5 Architecture design of digital operation platform for nuclear power plant

3.5 数字化退役

3.5.1 总体思路

退役是核电厂全生命周期中的最后一个阶段。整体而言，核电厂退役工作复杂度高，挑战性较大，主要体现在作业环境有一定辐射水平，操作技术具有较强的专业性，局部工程实施难度大。因此，从安全、经济、合理角度出发，必须在实施退役工作前、实施过程中，借助仿真等数字化退役技术开展相关工作，实现对核电厂场景构造、设备虚拟拆除、虚拟去污、虚拟操作和虚拟计量显示，以及退役工程量评估等重要作业，完成对核电厂退役工作的指导和实施。数字化退役技术研发需遵循如下原则：①放射性废物处理最小化；②辐射防护与安全最优化；③保护退役工程人员及环境安全；④减少退役成本，施工周期尽量短。为此，核电厂需要提前做好退役技术和平台研究，提升核电产业整体技术水平[4]。核电厂退役总体技术路线图如图6。

图6 核电厂退役总体技术路线图Fig.6 Overall technical route of nuclear power plant decommissioning

3.5.2 架构设计

基于虚拟现实技术的核电厂退役仿真软件平台，实现在核电厂虚拟的放射性环境下进行各种仿真操作，包括核设施的切割和拆除，放射性废物的收集管理，辐射剂量场的计算及可视化，操作人员所接受计量的测算等，完成指导和实施退役。核电厂数字化退役仿真平台架构设计主要考虑如下要素：①快速建模。通过三维模型数据输入实现智能化建模，包括退役厂房设备等核实施建模、工具设备建模、相关辐射场建模等。建模内容主要包括：三维几何模型输入，放射性数据输入与模型体素化，柔体、流体等二次建模。②功能仿真。仿真模块是虚拟仿真平台的核心，仿真被拆除物的各项工艺过程，如表面除污清洗、切割、爆破、收集、运输等，其次是退役工程实施过程中大量动态过程仿真，包括大型工具的安装、调试及拆解操作，以及可能使用的机械手臂的仿真等。③数值分析。实现对柔体、流体以及爆破的数值计算与仿真。④虚拟场景。主要实现退役场景显示与交互操作的相关内容，如辐射场的可视化，渲染辐射场空间，以及不同场景的选择和编辑，仿真数据和过程管理等。⑤评估。实现任务工作量、吸收计量、废物产生量、耗时、工程量及计算、退役活动实施规划等的估算及评价工作[5]。核电厂数字化退役仿真平台架构设计如图7。

图7 核电厂数字化退役仿真平台架构设计Fig.7 Architecture design of digital decommissioning simulation platform for nuclear power plant

4 结论

核电厂数字化转型是一个长周期的系统工程，转型将整体促进核电产业的迅速变革，加快提高新一代核电厂的设计、施工、调试、移交、运行和退役等全生命周期内总体的管理效率和质量水平，提升核电厂的安全性和经济性，促进核电产业价值链相互融合，优化核电产业模式。从发展路径看，核电厂数字化转型实施路径大体可分为3个阶段[6]：第一步是实现核电产业各个领域信息的互通互享，为核电厂提供数字化工程交付，构建核电厂运行成果数字化体系，核电大数据初步建成并见成效；第二阶段是持续拓展数字化在核电厂全生命周期中的应用，加大核电全产业链数字化协作与对接。大数据的充分挖掘利用，促使整个核电产业绩效显著提高；第三阶段是实现核电产业价值链深化融合，大数据驱动核电产业技术与服务水平不断创新，核电产业数字化高度发达，最终实现中国核电产业高质量发展。