自动化先进技术在核工业领域的应用及展望

王振霖 何学寿 崔文星 张永亮

摘 要 介绍了核工业领域普遍存在的问题，分析了自动化前沿技术的发展现状及应用情况，最后指出自动化前沿技术的发展可为解决核工业当下面临的一些难题提供可能性和新思路。

关键词 自动化先进技术 核工业 工业机器人 数据挖掘 建模仿真平台

中图分类号 TP29   文献标识码 A   文章编号 1000?3932（2023）03?0277?04

作者简介：王振霖（1995-），助理工程师，从事核化工领域自动控制、数据挖掘的研究，941904686@qq.com。

引用本文：王振霖，何学寿，崔文星，等.自动化先进技术在核工业领域的应用及展望［J］.化工自动化及仪表，2023，50（3）：277-279；322.

近年来，核工业领域核技术的发展与进步，为国家安全和能源保障做出了突出贡献［1］。然而，核工业领域也面临着诸多问题，例如作业环境恶劣、精细化难度大及大规模原始数据缺少预处理和挖掘手段等。因此，如何进一步优化工艺流程，提高产能产出，激发新的高质量发展活力，是核工业持续高效发展的新途径。随着自动化技术的发展，将自动化技术与产业生产实际需求相结合，利用自动化技术解决行业技术难题，不断突破生产效率上限，提高核工业行业的自动化水平，已成为核工业发展的大趋势［2］。

自动化技术在核工业领域的应用是研究人员一直不断探索的问题。由于分布式控制系统的集中控制、分散风险特征能够很好地满足核工业的设计需求，故其逐渐被应用于核工业领域。与此同时，各种控制系统之间的协议不断完善，使得核工业领域对于各种新兴控制技术的兼容性更强。随着控制技术的发展和新技术的爆发，先进控制技术不断成熟，出现了诸多新的应用场景和结合方法，可见核工业正面临着新的转型期和机遇期。

笔者就核工业发展面临的一些共性问题，基于自动化技术发展的前沿技术提出展望，旨在将工业自动化技术应用于核工业，并针对性地提出推动核工业高质量可持续发展的措施和建议。

1 核工业领域普遍存在的问题

1.1 工作环境对员工的影响

核工业大多是精细化工生产，操作流程比较复杂，精细化程度要求较高，这对于操作人员的技能水平和熟练程度都具有较高要求。同时，在生产过程中不可避免地会接触到易燃易爆、腐蚀性强的材料或试剂，有的原材料和试剂还具有较大的毒性，威胁着操作人员的人身安全。此外，核工业流程中还存在长时间运行不间断的操作单元，这就要求操作人员连续工作，劳动强度极大，虽然很多单位采用较为科学的倒班方式，避免了员工长时间高负荷劳动，但仍然无法避免干扰员工的正常生活节奏，打破生物钟规律，影响员工的身体健康和生活品质，所以工作环境对员工的影响不容忽视。

1.2 故障感知及精细化操作难度大

核工业发展至今，很多流程和工艺已趋于成熟，但是由于大部分流程都是不间断作业，导致设备运行压力大，在这种情况下就不可避免地会出现异常现象，如果故障在萌芽阶段不被察觉，就会蔓延成大问题，严重危及企业的经济效益、财产安全和员工的人身安全。与此同时，很多操作流程对于精度、速度等的要求较高，如果仅依靠人工操作来完成，是一项非常艰巨的任务，而且在很多情况下几乎是不可能完成的；还有一部分流程需要各环节之间配合协作，人工操作总会存在一定误差，这在一定程度上制约了核工业技术的精细化程度。

1.3 过程数据中隐藏了特征数据

在生产操作过程中，由于很多环节的关键参数和重要数据都需要进行记录，以便于进一步处理，如此一来就会产生大批量的数据，这些被记录下来的数据大部分都是在工艺运行过程中产生的重复、无效数据，只有其中一部分是有效数据，由于缺少对原始数据的预处理手段，导致原始数据被全盘接受，给操作控制系统带来了极大的运行压力。同时，为了进一步挖掘数据中的潜在特征，还需要人为进行数据记录、存储、处理。无论是时间成本还是人力资源成本都会造成较大的浪费。数据总量庞大，计算复杂，步骤繁多，人工处理难度大，极大地制约了数据特征的提取，妨碍了利用数据特征对工艺流程的进一步优化升级。

1.4 辐射危害及核材料稀缺

经过多年的探索研究，目前的辐射防护技术已经趋于成熟，无论是采取屏蔽辐射源项、增大作业距离的策略，还是减少作业时间，都可以减少工作人员对辐照材料的直接接触。虽然各种屏蔽手段层出不穷，但是避免操作人员对辐照材料的接触仍然是减少辐射伤害的有效策略。此外，由于核工业领域研究的对象都是稀有材料，原料的存有量较少，在使用过程中需要尽量避免对原材料的滥用和浪费，将核材料物尽其用。

2 自动化前沿技术发展现状及应用

2.1 工业机器人技术

机器人可以代替人类执行一些危险、复杂的任务，因此被研究人员广泛关注。目前，工业机器人市场基本被国外高端机器人制造厂商垄断，国外机器人在国际市场上占有较大份额［3］。我国的工业机器人起步相对较晚，1980年左右才开始拥有第一批工业机器人，随后我国工业机器人快速发展，与工业机器人相关的一些核心部件逐渐国产化，一些重要零件逐渐打上“中国制造”的标签。目前，工业机器人在电子电气、金属成形及玻璃制造等行业都颇受欢迎，但在航天、汽车智能制造及精细核工业领域等的应用却受限于一些现有的不足，如精度低、控制性能差等［4］。随着研究的不断深入，一些现有问题一旦实现突破，机器人的应用范围将更加广阔，国产工业机器人也会受到各行业的青睐，在核工业领域的应用也值得期待。

2.2 计算机集成制造系统及多智能体协同控制技术

为了提高企业竞争力，很多流程工业开始着手研究计算机集成制造系统，以提高产品质量，缩减生产和运转成本并提高交货效率。目前，关于计算机集成制造系統的研究较为广泛，很多研究人员提出了不同的集成制造系统体系结构，其中先进制造研究中心的三层企业结构是当下自动化系统理论和产品的主流框架，并且已经很好地应用在实际工程中。

近年来，对于多智能体的研究一直是热点话题。多智能体协同控制涉及的一致性控制、集群控制、会合控制及编队控制等问题都实现了重大突破，很多研究人员都证实了相应的理论研究并进行了实际应用验证［5］。目前，多智能体协同技术已经成功应用于多种场景，如地面无人系统协同控制、地面无人火控系统、分布式无线传感器节点布置及公路无人车编队控制等。

2.3 数据挖掘技术

核工业领域的很多环节都需要利用传感器进行数据检测，这样就会产生大量的数据，因此数据的存储处理成为了促进核工业发展的重要环节。在传统的数据处理技术中，由于批量处理的速度较慢，导致工作效率大打折扣，并且很容易忽视数据中潜藏的特征数据。在数据处理技术中，近年来数据挖掘技术广泛受到学者的关注，大数据可视化、高性能计算、数据存储框架优化及云计算速度的提高都助力了数据挖掘技术在各领域的应用，如金融行业、医疗行业、电信行业及教育行业等都开始利用数据挖掘技术作为挖掘潜藏数据价值的手段［6］。

2.4 系统建模仿真技术

随着智能技术、综合集成技术和数学手段的不断进步，越来越多的系统建模仿真技术涌现出来，为解决实际工程问题提供了较大便利［7，8］。系统建模仿真技术发展至今，已经拥有成熟的体系和较为先进的方法，技术逐渐成熟，为研究一些较为复杂的系统提供了可能和便利，促进了研究人员对一些复杂、不容易实现重复实验的系统进行研究。目前，系统建模仿真技术在核工业、能源科学、航空航天及生命科学等领域都得到了成功应用，并取得了较大进展。利用系统建模仿真技术，建立基于理论知识的初始模型，不断优化升级，完成对核工业流程的全生命周期预演，对于提前发现流程中的缺陷、改良优化工艺流程具有指导性意义，同时还可以减少核材料的浪费。

3 核工业自动化技术应用展望

3.1 核工业机器人操纵系统

针对部分危险性高、放射性强、操作空間微小的场合，设计相应的固定动作微型机器人从事微小空间的危险作业，是极其必要的。微型机器人能够代替人进入各种受限空间的操作区域进行工作，其不受工作环境制约，具备更强的操作能力，适用于多种应用场景。此外，在一些简单的体力劳动中，机器人比人具有更大的优势，利用简单的机械和电气控制方法，能够事半功倍，并有效减少操作人员长期重复性体力劳动而产生的职业病问题。

核工业领域大多以连续流程作业为主，因此针对各环节设计相应的核工业机器人之后，结合多智能体协同控制技术，将各环节的工业机器人联合起来构成核工业机器人系统，再结合计算机集成制造技术，开发对应的智能操作系统，联合控制核工业机器人完成流程作业，不仅可以避免操作人员直接接触高放射性、高危险性材料，还可以解决微小空间操作不便的问题，能够有效保障生产的安全稳定连续高效运行。

3.2 大数据存储处理高新技术平台

核工业生产流程中会产生大量的工艺数据，这些数据不仅包含有效信息也包含无效信息，因此在生产运行过程中，数据存储中心压力巨大，无效信息的存在会浪费大量的存储空间。因此需要发展大数据存储处理技术，利用数据预处理技术进行筛选整合，剔除其中的非关键数据，记录保存关键工艺环节重点参数数据。处理之后的数据不仅极大地减少了存储负担，并且提高了数据质量，给后期的数据分析带来更大的便利。

为了进一步开发数据的潜在作用，利用数据采样具有时效性的特点，引入在线分析数据技术，注重关键数据的在线分析、在线诊断，将预处理后的数据存储并利用数据挖掘技术进一步处理，挖掘分析出的具有特征和预警的信息，对于核工业流程的监测和流程优化具有一定的指导性和预见性作用。

3.3 多流程复杂系统建模仿真平台

核工业工艺流程中所用的物料往往都是稀有核材料，应遵循浪费最小化原则。然而，由于很多科研生产过程缺乏先验知识，很难预料操作过程中重点参数和实验结果的走向，不可避免地会造成物料浪费，并且时间成本、人力成本和经济成本也会大幅上升。打造多流程复杂系统建模仿真平台能够提供指定系统的机理模型，针对机理模型开展预演实验，能够提前获悉科研实验的指导性结果，在很大程度上能够节约人力成本，减少稀有资源的浪费。

4 结束语

核工业在国家安全和能源保障方面发挥着越来越重要的作用，传统核工业流程逐渐趋于成熟，但是追求更高质量的发展仍然面临一部分难题，笔者就核工业领域存在的一些问题和困难进行分析，结合当前自动化领域的一些前沿技术及其应用领域，提出了打破核工业领域发展壁垒的建议和展望。在新时代的背景下，核工业领域需要从以人为本的角度出发，探索出一条更安全、稳定、高效的可持续发展道路，自动化技术的应用必然是一条有效途径。

参 考 文 献

［1］ 余剑锋.以高质量党建引领核工业高质量发展［J］.国防科技工业，2022（8）：28-30.

［2］ 王伟，安争邦.化工自动化控制系统的应用与发展［J］.化工管理，2022（20）：112-114.

［3］ 魏继添，王林，杨华清.工业机器人在自动化领域的应用路径探析［J］.产业创新研究，2022（4）：36-38.

［4］ 李力，王冬，房映彤，等.机器人技术在乏燃料后处理自动化分析中的应用［J］.化工自动化及仪表，2021，48（4）：309-312；357.

［5］ 王荣浩，邢建春，王平，等.地面无人系统的多智能体协同控制研究综述［J］.动力学与控制学报，2016，14（2）：97-108.

［6］ 刘颖.浅谈大数据背景下数据挖掘技术应用的改进［J］.科技与创新，2022（18）：176-178.

［7］ 蒋明敬，陆向东，赵众，等.工业裂解炉自动投料控制系统模拟与仿真［J］.化工自动化及仪表，2020，47（3）：201-204；259.

［8］ 刘晓平，唐益明，郑利平.复杂系统与复杂系统仿真研究综述［J］.系统仿真学报，2008，20（23）：6303-6315.

（收稿日期：2022-10-25，修回日期：2023-03-27）

Application and Prospect of Advanced Automation Technology in Nuclear Industry Field

WANG Zhen?lin1， HE Xue?shou1， CUI Wen?xing1， ZHANG Yong?liang2

（1. CNNC No. 404 Co.，Ltd.；2. China Nuclear Control System Engineering Co.， Ltd.）

Abstract   The generally?existed problems which bothering nuclear industry were described and the development and application of frontier automation technologies were analyzed to point out that the frontier automation technology developed can provide possibilities and new ideas for solving some difficulties faced by the nuclear industry.

Key words   automation technology， nuclear industry， industrial robots， data mining， modeling and simulation platform