核电厂智慧化转型的构想与构建

邹正宇

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

1 背景

近年来，信息技术、数字技术迅猛发展，一些新技术被引入到核电厂的生产或管理中，因此产生了不少关于智慧核电厂的描述和论文。主要有这么几类：一、某项信息技术或数字技术在核电厂某个领域工作中的应用，如：巡检机器人的应用，利用视频技术识别人员违章行为，三维可视化和VR技术在培训中的应用，利用电子围栏防走错间隔等。二、从设计到生产的数字移交，把设计文件用数字版或电子版移交，这在一定程度上方便了生产运行期间做好数字管理技术的应用，但这里智慧电厂还相差很远。三、一些设备监测的大数据应用，核心理论是基于模糊数学理论的计算机判断与预警，用于设备是否需要维修的自动判断。以上这些论文，重点在于某些信息技术、数字技术在核电厂的局部应用，并没有从核电厂生产运行和管理的角度全面、系统、总体的做设计，因此并不是真正意义上的智慧核电厂。核电厂要真正做到智慧化，不仅要包括核电厂智慧管理和核电厂智慧生产这两大方面，更要实现智慧管理与智慧生产的贯通与融合。

1.1 核电厂智慧管理

核电厂智慧管理，应用较早，使用也较成熟，主要表现在工作流程的电子化。核电厂智慧管理流程主要可以分成四类：主干流程，主要负责公司日常频繁执行的生产工作的控制流程，如EAM；对公司人、财、物的控制流程，如ERP；对公司文件的控制流程，如ECM等。主干流程实现公司重要工作的端到端管理。支干流程，主要包括公司日常工作的计划和管理，如，生产计划、大修管理、早会管理、晚会管理、经验反馈等。支干流程起到对公司工作的计划管控作用。功能流程，主要实现某个相对独立的功能，与其他流程接口较少、接口清晰、数据传输比较单一，如个人剂量管理、工业安全、堆芯物理、辐射防护、应急管理等流程。用户流程，工作人员需要登录不同的软件系统执行不同的工作，随着流程软件越来越多，有必要开发统一的用户流程，方便工作人员一次登录后可以处理各流程中的业务。如为工作人员开发的iTASK，为领导开发的管理驾驶舱，为维修人员开发的iWeiXiu等。

核电厂智慧管理的开发和应用，在核电厂管理的一些局部领域实现了较为高效的运作。如：状态报告管理、工作控制、预算与采购等很多流程，就单个流程而言运作顺畅、高效。但这些局部的数字流程由于缺乏总体架构设计和基础数据标准，离真正的智慧化还有较大差距，如：当现场一项预防性维修工作需要某个备件时，自动核库、自动触发立项发起采购，在工作当天备件刚好送到工作人员手中，这过程中相当多的环节都离不开人为干预。此外，一个成熟的核电厂拥有多个软件系统非常普遍，不少电厂甚至使用超过100个应用软件。这些复杂的软件系统间数据传输量多、基础数据标准不统一。要将这些彼此独立的信息孤岛贯通起来发挥协同作用，工作量不亚于重新开发一套新系统。对于一些国际大软件公司开发的巨型软件，如ERP、EAM等，想要完全满足核电生产定制的需求就更是接近不可能。因此，在缺乏总体架构设计和基础数据标准的情况下，以往核电厂智慧管理走的路是：开发、治理、再开发、再治理，不断循环。随着数字技术应用的发展，其带来的便利逐步被大家所认识，数字化转型逐步深入人心，各场景新的数字化转型需求还会不断涌现。因此，这个循环往复的过程还将长期进行下去。

1.2 核电厂智慧生产

核电厂智慧生产，是数字技术在核电生产运行、维修、设备管理的智慧化应用。这部分工作目前刚刚起步，有一些根据现有信息技术、数字技术的应用尝试。如：无人值守，巡检机器人的应用，视频监控系统的应用等等。如果不对核电厂的智慧生产从总体上做思考和设计，很容易走上智慧管理的老路，开发、治理、再开发、再治理。因此，要站在核电厂生产的全局、全过程考虑，做好核电智慧生产的总体架构设计、规范基础数据标准、做好数据传输和存储硬件基础的构建。

2 核电厂智慧生产构想

核电厂智慧生产是基于结构化的数字规程和数字图纸的智慧生产系统，其基础架构是以运行流程为骨干的实时运行数字孪生电厂。功能上具备利用智能导航、音视频图像识别、大数据分析等技术进行事前的风险识别和准备，事中的现场工作人员行为规范，事后的工作总结和记录。做到工作内容可视化、工作要求标准化和工作记录数字化。在实现大幅度减少人因失误发生可能性、大幅度提升工作质量的同时，减轻工作人员压力和减少对工作人员数量的需求。以下从智慧运行、智慧维修、智慧设备管理等三个方面具体阐述核电厂智慧运维的构想。

2.1 以数字运行流程图和数字运行规程为基础的智慧运行

以数字运行流程图和数字运行规程为基础，通过导航和智慧识别操作对象，可以防止人员走错间隔和弄错操作对象。通过使用操作对象的自动识别、音视频操作指引、数字记录、图片和视频记录等技术的应用，利用机器的高可靠性来替代运行人员的识别与判断，避免人因失误的发生。此外，数字技术用于智慧防止人因失误后，简化了工作流程，在整个操作过程中，操作人员不需要再像以前用纸质记录的方式那样画圈打勾和人工记录各种数据。通过机器确认操作对象、语音指令操作内容，在操作完成后直接点击完成，然后再出现下一步操作内容，不仅避免了跳步的可能性；同时，还可以通过拍照、视频等方式自动记录、自动判断各项参数是否合格，简化操作人员的记录要求，实现核电厂的智慧运行。

(1)数字运行流程图

数字运行流程图，基于运行流程图的电厂实时状态的数字孪生，通过电厂数据、操作记录的实时传输，准确显示每个设备的实时状态和参数，包括现场操作的手动阀门开关状态、行政隔离、设备安措等信息在内的电厂所有设备的状态，实现电厂运行状态的实时显示。

设备缺陷智慧申报。运行人员在巡检时如果发现某设备有缺陷，用智能终端扫描该设备的标牌，系统自动跳出该设备当前已经存在的缺陷。工作人员在确认这是系统中不存在的新缺陷后，选择填报新缺陷，于是系统自动显示该设备的各类常见缺陷清单，运行人员选择相应的缺陷，然后根据系统提示，拍摄照片或短视频上传，完成缺陷的申报。智能终端自动打印缺陷牌，运行人员把缺陷牌挂在设备上。

使用智能终端自动打印缺陷牌，运行人员就不需要先手写记录，然后回到办公室再去填写缺陷单，再打印缺陷单到现场挂上，免去了无价值的来回跑。因为在扫描设备标牌时，系统能显示已有缺陷，这样就不会重复填写缺陷。当现场工作人员都配备了智能终端后，挂缺陷牌也就没必要了。

每个设备的缺陷要根据它的特点事先做好常见缺陷清单，这不仅是为了方便缺陷填写，更是为了对该设备、该类设备的缺陷进行长期的跟踪和分析，以便在今后采取更有针对性的措施，消除或减少某个设备缺陷或某类缺陷的产生。

缺陷填写后，其他运行人员在主控室，技术和维修人员在自己的办公室就可以通过实时运行流程图系统看到该设备现有的缺陷，点击打开就可以看到具体的缺陷内容和图片视频。生产计划、维修、运行管理人员和设备管理人员等相关工作人员不用到现场，在办公室的计算机前就可以清楚看到电厂所有缺陷情况。

智慧隔离与安措。在数字运行流程图上，工作人员不仅可以看到系统和设备的实时状态，还可以查阅每个设备的控制逻辑、电源信息等。当维修工作需要隔离某个设备时，工作人员在自己的数字流程图上提出工作对象状态要求后，系统能自动给出安措方案，如：需要停运的设备、停电的设备、关闭的阀门、开启的疏水放气阀门清单和顺序等，并可以演示安措实施过程和实施后的系统状态。工作人员在确认该安措方案合理可行后，就可以生成安措票。这样，维修人员、生产计划人员和运行人员都可以预先知道这项维修工作对电厂和系统的影响。通过数字运行流程图与该机组的风险监视(Risk-Monitoring)、故障树分析等系统的数据贯通，自动计算隔离完成之后堆芯融化概率以及这项工作对堆芯融化概率的增量，以及因为这项隔离，产生了哪几个临时关键敏感设备(SPV)。

(2)数字运行规程

导航技术引导工作人员快速找到工作对象。根据操作内容，运行人员在智能终端的引导下，快速到达工作地点。系统根据操作对象所在位置，选择最优路径，如避开高辐射区域，引导工作人员快速到达工作地点，来到操作对象面前，并选择最佳的工作位置。在高辐射区域操作时，可以减少操作人员的个人剂量；在执行紧急操作和不经常执行操作时，可以减少工作人员寻找设备的时间。

智慧识别操作对象。操作人员来到操作对象面前后，扫描设备标牌，系统自动识别设备操作对象是否正确。如果操作对象错误，智能终端立即发出警告，语音提示操作对象错误，同时PAD屏幕发出红色闪光报警，并提示正确设备所在的位置。

智慧语音指令。如果操作对象正确，智能终端显示操作对象正确，操作人员点击操作内容，智能终端自动播报操作内容，如打开某某阀门，操作人员按指令完成自检、执行操作。在执行一些复杂的，不常见的操作，如执行某个不常见的气动阀的手动操作时，智能终端自动给出操作视频指导操作人员。智能终端还可以根据需要，在特定的操作步骤前给出相应风险提示和操作注意事项如：“快速开启阀门有水锤风险，请先缓慢打开半圈疏水，等待3分钟，待疏水完成后再缓慢全开阀门”。

智慧操作记录，设备状态智慧识别。当操作执行完成后，在数字运行流程图上，该阀门的状态自动改为开启。与此同时，在主控室的操纵员可以在数字运行流程图上看到该阀门已经开启，工程师在办公室的电脑上也可以看到该阀门已经开启。如果一项检修工作的安措要求断开某个开关并上锁，操作员在完成操作后，系统会要求操作员拍照记录，操作员根据系统提示，对相应开关进行拍照，系统能自动识别开关编号以及开关所处的状态，对开关状态的正确性做一个自动的判断，相当于完成了一个独立验证，开关状态也会立即反应到数字运行流程图中。

试验数据自动分析。当完成一项操作后，需要记录某个参数，智能终端跳出页面，要求扫描某个仪表，智能终端识别仪表编号正确、读取仪表数值，然后发出指令“主系统压力15.2 MPa，请确认”。操作员在确认正确后，按下确认键完成参数记录。录入后的参数，根据需要自动组表。如果参数异常，系统发出报警，操作人员检查是否存在问题或申报缺陷。操作人员在操作中所记录的重要参数，如阀门动作时间，将与限值和历史数据自动对比，如果发生偏差时给出报警，并根据操作人员的指令，生成缺陷单。

2.2 以数字维修规程为基础的智慧维修

以数字维修规程为基础，通过导航和工作对象的智慧识别，防止走错间隔、弄错操作对象。基于图片和视频的维修步骤，保障维修过程的规范性。基于维修过程的图片和视频记录以及智慧判断，在维修过程中及时发现异常和偏差，确保维修的高质量。解决了传统维修方式常常在设备投运后发生异常时，才知道维修过程中的可能存在异常和偏差的难题，实现智慧维修。

导航技术引导工作人员快速找到工作对象和智慧识别操作对象。根据操作内容，维修人员在智能终端的引导下，快速到达工作地点。通过智能终端对工作对象标牌的自动识别，避免工作人员弄错工作对象。由于维修人员变化频繁，这项技术对于减少维修人员寻找设备的时间，避免走错间隔和弄错工作对象，以及在高辐射区域操作时，减少操作人员的个人剂量都非常实用。

基于图片和视频的维修步骤，保障维修过程的规范性。在确认工作对象正确后，维修人员根据智能终端的指令完成现场布置和工作准备。然后根据智能终端的指令进行维修工作，如打开某容器的人孔门，智能终端用视频或图片的方式，显示如何打开人孔门，包括相关的注意事项等。维修人员在理解该步骤的内容之后，按操作要求打开人孔门。

维修记录的图片化、视频化、数字化，在人孔门打开完成后，维修人员点击操作完成。智能终端要求维修人员拍照记录设备内部状况 (修前状态As found)，如果发现缺陷，维修人员选择填写质量缺陷报告(QDR)，智能终端自动弹出缺陷类型，维修人员选择相应的缺陷类型，并根据系统要求拍照或摄像。在某维修工作完成后，智能终端可能会要求维修人员拍照或录像记录，维修人员根据要求完成拍照或录像，系统确认照片或录像合格后，智能终端显示下一步的操作内容。当需要记录某些参数时，智慧终端跳出一个数字键盘，维修人员在完成测量后，用键盘输入参数，终端会发出语音指令并显示“突台高度3.2毫米，请确认”。维修人员在确认正确后，按下确认键或通过语音确认完成参数记录。对于大部分仪表，则可以终端扫描读取。测量获得的数据，可以跟历史数据和限制自动比对，超过偏差时，智能终端会发出报警要求重新检查或维修。在维修过程中及时发现异常和偏差，确保维修的高质量，解决了设备投运后发生异常时，才知道维修过程中的异常和偏差。自动归类并生成图标，供设备工程师分析评估。

智慧QC(质量见证)，在重要的操作步骤完成后，智能终端会要求工作人员拍照或拍摄视频，以记录关键步骤的执行情况，智能终端还能智慧识别执行状况，如有偏差发出报警要求重新维修。这样实现了由机器替代人执行QC的工作。

维修记录的智慧应用，维修过程中记录的重要参数、图片和视频，会自动进入到设备管理系统，设备管理系统会协助设备工程师，分析设备的历史状况和相关参数的变化趋势，改进预防性维修措施或延长维修间隔。

2.3 以预防性维修大纲为基础的智慧设备管理

以预防性维修大纲为纲，将每一项预防性维修项目合理地规划到具体的维修规程中，并形成预防性维修工单。在完成了预防性维修项目数据标准化后，当预防性维修项目调整时，相关的维修规程和预防性维修工单能自动关联调整。针对每张预防性维修工单，梳理维修工作中所需要的必换件，通过预防性维修工单与ERP(企业资源管理)系统的数据贯通，实现根据预防性维修工单自动进行必换件核库，如果没有库存备件，则自动触发采购立项，并给出备件使用的日期，而备件相关的技术参数则在ERP数据库中已经存在。

设备工程师根据设备故障树，建立每个设备的缺陷类型清单。当运行巡检发现的缺陷时，按该设备的缺陷类型填写缺陷单；当预防性维修设备打开后发现缺陷时，按该设备的缺陷类型填写质量缺陷报告(QDR)；预防性维修时还要按要求用图片和视频记录修前状态(As found)。通过对设备缺陷数据的定期分析，可以发现哪些类型的设备经常发生缺陷、经常发生哪类缺陷，也可以发现哪类缺陷经常在哪些设备上发生；通过对修前状态(As found)的分析，也可以发现哪些设备打开后内部是全新的，或者哪些部件是全新的。设备工程师根据缺陷和修前状态，结合可靠性分析，对预防性维修内容做出双向调节，即根据需要做加法，同时对没有缺陷、内部状态良好的做减法，做到精准维修。预防性维修内容的调整必须先调整大纲，然后由大纲控制去调整相应的维修规程和预防性维修工单，实现对预防性维修工作的闭环管理。

智慧电厂，从执行人员的角度看，由于执行内容更加清楚、执行标准更加明确、过程更加受控受控，对执行时人员的主观能动性要求相对降低了。但是，要实现这些明确内容的受控执行，设计者需要事先充分考虑各种可能性、明确各种要求、对应标准、如何规范执行以确保结果是我们所期望的，这意味着整个过程的规划、设计的要求更高。

3 核电厂智慧构建：做好“两基础一架构”

核电厂智慧构建，不仅着眼于核电厂智慧生产的实现，更要做到新实现的智慧生产与已应用的智慧管理之间的融会贯通。为实现智慧构建的总体目标，则基础建设是关键，顶层设计是重点。要做好“两基础一架构”：一是数据基础，即梳理基础数据、建立基础数据标准和实现数据贯通；二是网路基础，即融合5G、视频网、物联网等技术的数据网络；一架构是做好业务流程软件的架构的顶层设计。

3.1 数据基础

数据基础是：梳理并确定基础数据，明确每个基础数据的数据标准、唯一产生点、管理责任和要求等。做好基础数据的数据标准，才能实现数据贯通，这是数字化转型能否成功的关键。梳理数据基础的工作量非常大，而且需要花费大量的人力，但又不得不做好。如果同样的事、物在不同的软件中的数字编码是不一样的，当两个软件交互数据时就需要“翻译”，就像下了数据高速公路后，需要再换一辆车才能到达现场，系统运行速度稍微慢一点。但如果几个系统、十几个系统同时且大量传输数据时，系统可能变得很慢、甚至死机，在用于指导现场操作时，则可能导致出错或失误。例如：要实现设备标牌的自动识别，就需要将运行规程、维修规程、运行流程图和现场设备标牌做到设备名称完全一致。数据标准工作完成后的好处也是很明显的，当某个设备名称修改时，可以实现所有文件自动联动修改，避免人工修改挂万漏一。

3.2 网路基础

数字化是智慧电厂的基础，网络基础就是数字的高速公路，通过建设融合5G、视频网、物联网等技术的数据网络，实现核电厂内万物互联、人机随时互联。核电厂数字化转型，带来的是超大规模的数据传输，包括：核电厂内设备运行和状态改变实时产生的数据；人机互动时各种指令及相应的文件、音视频资料；远程支持时的音视频传输等，需要快速传输大量的数据。为此，网络基础不仅要做到所有工作现场全覆盖，还要保证网络的可靠、稳定和安全。

3.3 架构设计

如果不做好业务流程软件的总体架构规划，将来实施过程中容易出现数据标准不统一、数据不贯通、软件互不兼容、甚至会发生相互冲突。核电厂的信息化一般都起步早，很多核电厂的大部分管理业务都已经信息化，但由于缺乏对业务流程软件的总体架构规划，以前各个业务流程软件经常是根据需求找不同的软件开发商开发的，单个的业务流程软件运行很快、很好，但如果需要这些业务流程软件相互配合、相互传输大量数据时，往往运行得非常慢，IT业务人员经常花费大量精力在新上软件时解决这些难题，一些核电厂的业务流程软件已经超过100个，这个问题就更加突出。

业务流程软件总体架构的规划要考虑全面、要有高度，实施的过程要根据可行性和成熟度逐步开展。首先，从整个电厂的生产考虑，全面覆盖运行、维修和设备管理等各项工作，做好整体策划。然后，从实施的角度，先易后难、先基础后综合，分阶段逐步实施。例如，从目前技术成熟度看，应用三维测量技术，记录每个房间内的设备布置，据此建立基础数据库，实现导航就可以先实施。梳理好设备名称，做到现场标牌与运行规程、维修规程中的设备名称一致，实现现场设备的智慧识别，这项工作的工作量明显要大的多，但目前的技术和投入也是可行的，可以接下来实施。维修规程的结构化、数字化，由于设备量很大且设备种类很多，有些还需要一些研究工作，当前实现难度很大，需要做好规划，挑选一些范围小、频度高、标准化程度好的相对独立的设备开展试点，等积累了足够的经验后再逐步推广。

4 结语

在过去几十年中，核电企业在信息化上走在了前列。很多核电厂在管理上从早期使用一些自主开发或委托开发的独立软件，到现在使用ERP、EAM(生产管理系统)大型专业软件与很多独立专业软件融为一体的综合信息系统，基本实现了核电厂管理的信息化。由于对核安全极端重要性的考虑，在核电厂生产数字化转型、实现智慧核电方面，各核电厂还是非常谨慎的。相比很多新兴产业和完成了数字化改造的传统产业，核电厂生产的数字化、智慧化相对落后。希望通过对核电厂智慧生产的构想，推动智慧核电厂的研究和实施，通过数字化和智慧化的转型，让核电厂在防止人因失误和提升设备可靠性方面有质的提升，让核电厂的生产变得更加简单、更加可靠、更加安全。