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王奔腾等:核能5.0——智能期间的核电产业新形状与体系架构
日期:2019年09月28日 来路: 点击量:342 分享:

择要:本文旨在讨论核能5.0(Nuclear Energy 5.0) 的根本观点、体系架谈判要害平台技能等题目. 起首讨论了核能5.0呈现的新智能期间根底, 论述了假造数字产业崛起的技能配景. 细致叙说了核电产业新形状与体系构造, 即平行核能的界说、意义、研讨内容、体系架构以及使用范畴. 接上去讨论了核能5.0中新一代中心技能, 包罗核能物联网、知识主动化、开展性人工智能、大范围协同演进技能、核能区块链等. 最初讨论了核能5.0中在核电条理的详细使用场景与案例, 重点是核电工控条理平安评价与核电站数字化仪控条理.


要害词:核能;智联网;知识主动化;平行条理;ACP办法; 区块链;假造数字产业


1 弁言


我国社会和经济的开展, 将会对社会供能提出严厉而又相互抵牾的应战. 一方面, 要求动力供应继续而疾速地增长, 不然将会制约经济的开展; 另一方面, 在十九大陈诉中提出的“放慢生态文明体制变革, 建立优美中国”的肉体指引下, 动力行业积极支持国际情况维护和减排, 必需大范围增加碳、煤油等化石动力的耗费. 核能是干净、低碳、供能波动、高能量密度的新动力, 因而开展和运用核能是构建我国以后动力平安、经济平安、情况平安的可继续动力体系的紧张支柱之一.


《中国核能开展陈诉》(2018) 蓝皮书表现, 停止2017年年末, 我国在运核电机组曾经到达37台, 装机范围3581万千瓦, 位列环球第四; 发电量2474.69亿千瓦时, 占天下总发电量3.94%, 位列环球第三. 机组运转平安波动, 总体运转业绩目标优秀. 陈诉表现, 核电发电量占环球发电量的10.6%,而我国仅为总发电量的3.94%,《电力开展十三五计划》提出, 到2020年我国核电运转和在建装机将到达8800万千瓦. 以现在国际状况看, 要想完成计划目的, 将来几年我国每年将新增建立6~8台百万千瓦核电机组. 因而, 中国核能和核电奇迹拥有宏大的开展空间[1].


要完成《电力开展十三五计划》提出的雄伟目的, 完成中国核能的阶跃性开展, 在核能财产引入智能技能的支持, 极大地提拔核能财产的效能与平安性, 成为一项必需停止而又紧急的义务. 2017年7月20日, 国务院正式印发《新一代人工智能战略计划》, 为我国的人工智能技能和财产开展设立了目的和蓝图, 人工智能的开展曾经上升到国度战略层面,也预示着在中国智能期间行将降临, 智能技能会在各个方面和层面上对社会经济和财产停止打击和改动, 核电产业也不破例. 本文要讨论的内容, 便是在智能期间中, 核电产业的形状将会发作什么变革, 随同着这种变革的后果, 又将发生什么样的核电产业体系架构.


1.1 新智能期间及其特性


卡尔波普尔, 古代东方最有影响的迷信哲学家,以为理想是由三个天下构成的: 物理、心思和假造天下[2]. 卡尔雅思贝斯在《汗青的来源与目的》[3] 一书中道出了第一物理天下的“轴心期间”: 公元前800到200年, 以中东、印度、中国、希腊、罗马为中央的兽性与哲学性的大觉悟期间. 我们以为, 第一心理天下的“轴心期间”, 便是从文艺再起开端到爱因斯坦为代表的迷信期间; 第三假造天下的“轴心期间”源自哥德尔的不齐备定理[4], 激起了维纳、图灵和冯诺依曼等对智能和盘算的新看法, 从而有了明天的人工智能和智能技能. 三个天下的三个“轴心期间”,辨别代表着人类在兽性、感性和智性上的大觉悟, 以及随之而来的在哲学、迷信和技能上的大打破.


在正在片面离开的第三轴心期间, 我们行将面对第五次产业反动, 我们以为第五次产业反动的中心——智能科技, 将会出现以下特性.


IT 的交融与重界说, 新智能期间的IT, 是产业科技(Industrial technology), 信息科技(Infor-mation technology) 和智能科技(Intelligent tech-nology) 的交融, 因而, 我们又将其定名为“新IT”(New IT).


对物理、心思、假造三个天下的结合探究, 新一代人工智能技能的开展, 为探究和开掘心思、假造天下提供了能够性. 而关于这三个天下的结合探究, 必将使得科技形状, 以致社会形状, 发作反动性的基本变革[5].


ICT 与CPS 的重界说, 在产业4.0中, ICT 界说为Information and communication technology,CPS 界说为Cyber-physical systems; 而在智能期间, 产业4.0将会演化成产业5.0新范式, 相应地,ICT 会演化为Intelligent connection technology,CPS 则界说成Cyber-physical-social systems[6].


智能社会根底设备的退化, 社会根底设备在交通网、动力网、信息网或互联网、物联网之后, 如今曾经开端了第五张网: 智联网[7]. 这五张网, 把三个天下整合在一同, 并完成物理和假造天下的数字信息协同、感知控制协同以及知识智能协同.


1.2 假造数字产业的崛起


随着新智能期间的到来, 随同而来的是各个社会财产的新形状, 产业也不破例. 智能技能终极将招致产业4.0期间向产业5.0期间的转换. 我们将产业5.0期间的社会产业新形状归纳综合为: 实体物理产业和假造数字产业一体的, 并以人工假造的数字产业为主导的新形状. 简而言之, 将来的产业拥有真假一体的, 却又是真假分工的新形状, 而“假造” 产业会逐步从“实体"”产业手中获得产业运营和开展主导权.



这种向产业新形状的退化并非一夜之间发作的,而是会逐渐停止, 而且在以后曾经开端. 从上世纪中期开端, 网络化产业控制及其主动化阅历了20世纪60~70年月的模仿仪表控制条理、80~90年月的集散控制条理、21世纪初的占主导位置的现场总线控制条理, 以及以后正在遍及使用中的产业物联网.网络化工控条理总体趋向是从复杂的当地仪控, 渐渐演化到近程智能的庞大条理管控. 以后的产业物联网的留意力次要放在产业网络的准确性、确定性、自顺应性、平安性等以产业通讯为主导中央的研发和使用上.


但是随着产业智能技能在广度和深度上的进一步开展, 行将呈现“类产业范畴”、“狭义产业”、“社会制造”、“社会产业”、“软件界说产业” 等智能大产业新形状, 而这些新形状都因此平行的物理和假造产业为最大的特性, 并且终极假造数字产业会占据这个平行条理的主导位置[8-9].


假造数字产业降生, 将会是产业5.0期间的最大特性, 将会以极高的服从整合种种产业资源、极大减小产业进程中的糜费和耗费、极大地束缚产业消费力, 并促进智能大产业的呈现和高速开展[10]. 依照假造数字产业的崛起途径, 我们将其分别为四个开展阶段:


使能与辅佐, 以今世种种工控条理为代表的条理, 以产业总线、产业控制、运转技能(Operationaltechnology) 为要害技能, 在今世产业中起偏重要的使能与辅佐作用.


支持与效劳, 随着产业控制技能的退化, 其作用的空间范畴和逻辑范畴越来越宽, 演化出如产业物联网等观点, 为整个产业体系提供紧张的业务运转和运营的支持和效劳作用.


管控与主导, 随着假造数字产业技能的进一步开展, 以平行实际为代表的庞大条理管控科技开端发扬作用, 从而使假造数字产业内生出基于人工智能技能的管控手腕, 同时开端对实体产业的运营停止微观与微观层面上的主导作用.


支配与统治, 假造数字产业技能的终极开展目的, 是使得每一个产业体都拥有本人的伴生软件界说的人工产业体, 并且其产业气力, 很大水平上取决于其对真假互动的看法、理论和服从, 取决于与其伴生的软件界说的人工构造之范围. 而运转在信息空间的数字产业体, 运用智联网技能, 当它们相互在智能和知识层面上联合后, 无疑终极会占据实体产业体的统治位置, 并支配种种财产经济的运转.


1.3 对中国核电产业的开辟与考虑


新智能期间向产业5.0新形状演进的历程曾经片面启动.


2004年, 平行条理实际与办法正式提出[11]. 平行条理(Parallel systems) 是指由某一个天然的理想条理和对应的一个或多个假造或抱负的人工条理所构成的配合条理, 是控制条理、盘算机仿真随着条理庞大水平的添加、盘算技能和剖析办法的进一步开展的必定后果, 是补偿很难乃至无法对庞大条理停止准确建模和实行之缺乏的一种无效手腕, 也是对庞大条理停止办理和控制的一种可行方法, 比方数字双胞胎可以视为平行条理的一种特例或子集,为特定的条理提供及时监测、调解和优化效劳.


美国国防部、PTC公司、西门子公司、达索公司、GE等产业巨擘在2014年前后以产业互联网、数字双胞胎为要害技能动手, 构建数字产业体系. 数字产业具有更高的科技含量、更高的附加值利润和更宽广深奥的开展空间[12]. 以真假产业体系构建的产业体, 将具有传统产业形状难以企及的高效运转形式, 因而传统产业形状的镌汰是将来的必定后果,比方GE 更是提出向数字产业形状片面变化, 而终极到达 “真假别离” 的数字产业形状[13]. 到2020年,估计将有10000台燃气轮机, 68000架飞机引擎, 1亿支照明灯胆和1.52亿台汽车连入产业互联网.


不只云云, 假造数字产业体系也将彻底改动其贸易形式, 比方传统产业制造商向同行效劳商的变化, 便是假造数字产业体系的一个紧张特性: 经过对假造产业体的学习与实行, 便可提供围绕该产业体的各种需求, 如计划、制造、运维、运营提供种种精准效劳业务. 估计到2020年, GE数字部分发明的支出将从2016年的50亿上升到150亿元, GE也将由此跻身环球10大软件公司之列. 更高的利润空间与科技含量, 这也正是假造数字产业得以支配和统治实体产业的基本缘由.


但是, 在行将到来的假造数字产业期间, 我们也应该有充沛的危急感. 虽然以后数字产业还在起步阶段, 但是其初期中心技能却完全掌握在泰西产业科技巨擘公司的手中, 国际产业界对这些中心技能的存眷和研发根本还未呈现, 也根本没无意识到这些****性变革的能够性. 如今假造数字产业处于“支持与效劳” 的开展阶段, “管控与主导” 阶段行将开端, 而当 “管控与主导” 阶段降临时, 假如中国还没有树立起自主研发的假造数字产业技能, 则中国产业又将落伍于天下先辈程度, 受制于天下产业巨擘所掌控的假造产业技能. 更有甚者, 假如在 “支配与统治” 阶段, 还没有本人的中心假造产业体系和技能, 中国实体产业将彻底沦为天下化假造数字产业的附庸与殖民产业, 成为依托各种财产链的卑鄙产业实体.


假如说普通性的产业门类的假造数字化另有引进、学习、晋级的日期、时机和转圜余地, 作为国度动力命根子和需求高度自主化的核电产业却没有如许的时机. 假如不开展自主的假造数字产业体系, 其后果要么是在将来的国际竞争中得到竞争力而逐渐被市场边沿化, 要么必需和国际产业巨擘协作而丧失自主权. 这两种后果显然都不是中国核电产业的选项. 因而, 研发和建立具有自主性的假造产业体系,是一项紧张并且紧急的战略性义务. 本文所述的基于平行实际的核电产业新形状和体系架构, 正是为这一战略性义务提供了顶层设计头脑、体系构造实际以及要害技能途径.


2 核电产业新形状与体系构造


核能产业包括核能资源、核能燃料转换、核反响堆设计、核电站、辐射技能、核平安、核废物处置与环保、核辐射防护等多个构成局部. 其各个组件之间相互联系关系和交互, 构成一个庞大条理. 本节讨论的是, 在核能财产中占据紧张地位的核电产业, 以平行条理实际为根底, 其开展态势会呈现何种新形状与体系架构, 如图1所示.


2.1 新形状: 平行核电


核电条理是一个极端庞大的人机巨条理, 其研发、制作、运转等方面体现出了充沛的庞大性. 在工程制作阶段, 其庞大性体现在核电工程制作为一个开放的条理, 在设计、设置装备摆设制造、建安、调试进程当中与整个核能产业链构成互动. 在运转阶段, 其庞大性一方面为核平安静态组成要素的庞大, 详细体现在条理庞大、范围巨大、信息量宏大、疏散, 人作为核电平安紧张能动主体但技艺与本质差异大; 别的一方面体现在核电平安动向庞大参数变革构成的条理形态组合十分庞大、人机交互场景难以预期, 招致条理呈现能够的不波动形态. 为进一步进步核电条理的平安运转程度, 低落变乱发作率, 处理核电庞大条理难以树立准确数学模子的困难, 需求接纳新的办法实际体系.


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图1  核电产业体系


平行条理 (Parallel Systems), 是指由某一个天然的理想条理和对应的一个或多个假造或抱负的人工条理所构成的配合条理, 是控制条理、盘算机仿真随着条理庞大水平的添加、盘算技能和剖析办法的进一步开展的必定后果, 是补偿很难乃至无法对庞大条理停止准确建模和实行之缺乏的一种无效手腕也是对庞大条理停止办理和控制的一种可行方法平行条理实际的中心使用办法为ACP办法, 是指人工条理 (Artificial system)、盘算实行 (Computational experiments)、平行实行 (Parallel execution之间的无机联合. 人工条理可以了解为传统的数学或剖析建模的扩展, 盘算实行是仿真模仿的升华, 而平行实行便是自顺应控制 (包罗内模控制、预测控制、自顺应动向计划 (Adaptive dynamic programming, ADP) 等) 的进一步推进升华[14].


平行条理是仿真条理的高阶开展, 其区别次要有以下几点:


(1)条理的仿真需求以理想条理为版本对条理停止模仿与剖析, 精度有限; 而平行条理以理想条理为根底, 应用神经网络等署理模子树立与实践条理对应的假造条理, 处理庞大条理难以建模的困难.


(2)平行条理与实践条理之间存在交互, 不时调解模子构造.


(3)平行条理可对条理形态停止在线推演, 将将来形态反应给以后操纵.


(4)平行条理中包括署理模子和智能算法如ADP(自顺应动向计划), 可完成对差别方案的主动盘算 同时可评价最优设计方案.


2.2 平行核电条理的研讨意义


平行核电条理涵盖核电行业中运转、应急、设计、培训等各个方面. 平行核电条理的研讨, 充沛发扬盘算机弱小的数据处置和推理才能, 以及人的发明力和在告急变乱状况下的事情的处置才能, 有助于实时发明核电庞大条理中存在的平安隐患, 保证人民群众的生命财富平安, 完成核电设计改良、变乱规程优化、运转推演、并发变乱情形模仿、学习培训、职员应急疏散演练、应急方案优化与验证等功用, 进步核电产业平安牢靠性, 对整个核电条理具有紧张意义[15−17].


(1) 展开核电设计的改良, 包罗工艺参数、变乱规程的优化设计, 提拔设计质量, 可对差别的设计方案停止盘算实行, 对实行结果停止动向评价, 并在指定的最优目的函数界限下, 主动盘算最优设计方案.


(2)展开核电已知情形的综合模仿, 如变乱并发模仿技能研讨、设置装备摆设不测生效情形模仿, 有助于查找核电平安隐患, 进步核电平安程度.


(3) 展开智能应急办理技能研讨, 可最大水平模仿真实应急场景, 包管应急最优方案的制定, 及应急状况下各项任务的顺遂展开.


(4)展开操纵运转在线推演与智能决议计划技能研讨, 能精确、及时地评价出核电平安形态, 并与运转职员完成智能人机交互与智能决议计划, 低落核电厂巨庞大条理运转平安存在的不确定性危害.


2.3 平行核电条理的研讨内容


基于平行条理理念, 联合核电消费的实践特点,平行核电条理包罗根底构建层、数据和知识层、盘算实行层战争行实行层等, 如图2所示. 该条理可动向模仿核电真实条理庞大运转进程, 完成对核电消费进程的形态监测、核电条理未知情形的智能模仿盘算、核电应急方案的转动优化剖析及核电运转进程的在线推演评价与优化、人机交互高危害地区剖析等, 加强核电平安固有属性, 提拔核电全体平安性与竞争力. 其中心头脑为, 经过神经网络、举动剖析模子等署理建模办法, 对电厂条理、设置装备摆设、职员树立模子, 构成同实践条理等价的人工条理. 在人工条理上, 经过盘算实行或实验来看法实践条理各要素间正常和非正常形态下的演化纪律和互相作用干系,经过两者的互相衔接, 对两者之间的举动停止比照和剖析, 研讨对各自将来形态的自创和预估, 相应调理各自的控制与办理方法, 最初应用所看法的纪律,经过平行控制完成正常状况下优化实践条理的控制和较少不测的发作, 非正常状况下找到让条理敏捷规复正常的办法, 进步应急控制程度[18−22].


根底构件: 构建具有大范围数据散布式存储与海量数据散布式盘算才能的基于SOA (Serviceoriented architecture) (或云盘算) 平台. 遵照FIPA(The Foundation for Intelligent Physical Agents)标准树立多智能体情况, 并开辟署理办理条理、散布式目次效劳器和署理通讯通道等多署理平台组件,完成平台外部的署理生命周期效劳、音讯通讯效劳;最初, 联合实行平台的详细使用, 构建使用领体, 以完成平台外部署理间的语义互操纵性.


数据和知识: 运用基于署理建模办法对详细使用树模范畴中的到场者、情况、规矩和机制建模并构建各自的模子库; 其次, 联合各使用范畴的开展近况, 基于及时监测数据构建场景库. 基于XML言语设计一套方式化表现办法来一致描绘实行平台中的范畴知识, 并运用呆板学习和天然言语处置技能半主动地构建范畴知识库, 完成平台外部范畴知识的存储、表达与推理.


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图2 平行核电条理的次要研讨内容


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图3 平行核电能条理运转流程图


盘算实行: 设计同时支持真实与假造实行场景的场景天生器. 场景天生器可以承受终极用户输出的场景或主动提取场景库中的特定实行场景, 实例化实行场景中的交互机制与办理规矩, 并通报给事情驱动引擎完成盘算实行仿真; 基于团圆事情仿真技能完成事情驱动引擎, 并动向模仿实行场景中各署理的交互与通讯进程. 事情驱动引擎接纳仿真时钟模仿实行平台运转时的特定时辰和日期变革, 定时间次序存储、剖析和确定实行进程中团圆事情及事情间的引发干系. 经过仿真时钟的推进和团圆事情的处置来驱动和模仿盘算实行的进程; 最初, 研制实用于盘算实行平台的算法剖析东西, 并以模块和组件的方式使用于实行平台中. 重点开辟各种群体战略学习与优化算法、定性与定量盘算实行研讨算法以及对各使用范畴提供特定支持的公用算法模块.这些东西将动向地剖析、研讨和优化盘算实行进程及其后果, 并及时更新知识库.


平行控制: 基于智能探测、传感网络与多源信息交融技能及时地监测、搜集与交融互联网开源数据和各使用范畴的构造化数据, 并基于及时监测数据天生或调解实行场景; 其次, 设计一套完好的软件库和高层使用顺序协议, 效劳于实行平台与终端用户之间的接口, 使得终端用户可以方便地办理和设置装备摆设实行平台以及实行平台外部署理的运转; 及时监控和研讨实行场景中的不平安要素, 完成事情平安的主动式盘问与自动式危害研讨及预警; 同时经过盘算实行和反应调控完成半主动化盘算研讨和优化,天生及时最优决议计划. 最初, 设计动向可视化的人机交互界面, 以文本、图、表等方式全方位地出现盘算实行模仿及其交互控制进程[23−25], 如图3所示.


2.4 平行核电体系架构


为完成真假联合的平行控制, 平行核电管控条理如图4所示.


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图4 平行核电管控条理


图4中左侧为现在传统的核电产业主动化范畴,包罗底层进程控制条理 (Distributed control system, DCS)、消费实行条理 (Manufacturing execution system, MES) 及企业资源计划办理条理 (Enterprise resource planning, ERP). 右侧为本文提出的假造人工核电条理, 对应的知识主动化范畴. 接纳构建人工条理、盘算实行战争行实行 (ACP), 完成对核电产业主动化条理的建模、盘算和控制; 基于ACP 的假造人工核电条理和核电产业主动化条理构成核电社会物理信息条理(Cyber-physical-socialsystems, CPSS); 接纳 ACP 重复察看评价后, 经过真假平行互动, 构成描绘、预测和引导 (Description,prediction, prescription, DPP) 的剖析、决议计划和实行进程, 终极应用假造核电条理对实践核电条理施行闭环无效的控制与办理.


假造人工核电条理从产业主动化范畴经过大反应取得核电条理的物理、现场运转及社会信息等大数据, 经过呆板学习、数据驱动和言语建模, 进入知识主动化范畴. 知识主动化基于ACP、CPSS 及DPP等建模、盘算和控制进程, 构成优化的控制决议计划、经过大闭环引导实践核电条理优化运转.


以核电相干群体为社会办理的观察、建模、盘算及运营工具, 知识主动化可完成对网络信息的捕获、辨认、追踪、剖析及预测. 其实质内容在于以用户为中央, 经过接纳面向根底设备的架构、面向平台的架构、面向软件的架构, 运用 Web 发掘等技能对互联网、挪动互联网及智联网的文本、视频等数据停止收罗; 同时借助呆板学习及云盘算等技能完成数据的过滤、剖析和构造化, 获取信息特性; 经过特定的建模手腕及办法完成知识的分解, 联合举动动力学特性, 针对核电相干群体停止群体涌现举动盘算与微观社会景象预测, 进而自动提供基于知识的智能引荐与基于决议计划的伶俐效劳, 完成核电办理主动化的全进程[26−28].


基于以上阐述条理架构分为六层, 如图5所示.


工具层: 对应物理核电条理, 包罗核电产业全财产链, 席卷了核质料消费、加工、应用、废物处置等关键, 核电站设计、制作、发电运维、改革、撤除等全生命周期关键, 核电研讨相干财产以及核电周边财产; 同时包括人、财、物及社会等对核电产业条理的影响.


数据收罗与信息构成层: 分红两个局部, 一是现在已有的产业主动化条理及信息条理. 次要包罗DCS 条理、MES条理及企业级ERP条理. 二是在互联网和多种通讯形式下, 人与社会对核电产业的互动, 将愈加便捷和亲密, 经过Internet等渠道搜集少量的信息, 并作用于物理核电条理, 称为感知和实行, 这一进程发生的信息将包括少量的人与社会要素. 最初经过大数据、形式辨认、区块链、云盘算和社管帐算等手腕, 聚集以上一切数据信息, 构成无效的信息层.


存储层: 将数据收罗和信息构成层构成的数据分门别类存入核电站运维数据库、产业主动化数据库、专家知识库、政策数据库、核电相干职员数据库等种种数据库.


特性抽取及知识分解层: 接纳天然言语处置、呆板学习、智能控制等人工智能技能, 完成特性抽取和知识分解.


剖析层: 基于特性抽取及知识分解层取得的知识和特性, 经过人机联合、知行合一、真假交融等手腕, 树立假造人工核电条理各关键模子和条理模子,完成假造人工核电条理的构建, 完成物理天下、肉体天下、人工天下的三一致. 同时对平行核电财产停止平行条理建模, 完玉成财产链平行化的目的.


平行控制层: 基于假造人工核电条理模子, 接纳盘算实行, 取得优化控制战略, 接纳平行实行形式,完成对假造人工核电条理和实践核电条理的同步反应. 平行实行对实践核电条理, 引导人与社会的运动; 接纳软件界说呆板形式, 与物理界说呆板停止控制互动. 平行实行可以调解假造人工核电条理的模子、参数、运转方法, 使假造人工条理与实践条理分歧, 为下一步引导实践条理做预备. 最初, 完成物理、社会、赛博空间的互联互通, 配合交融, 完成默顿牛顿条理的大一致. 同时, 在实行进程中, 运用动向闭环的办理方法停止平行控制与办理[29−33].


2.5 平行核电条理的使用


平行核电条理的研讨, 可使用在核电条理设计改良、变乱规程优化、运转推演、并发变乱情形模仿、学习培训、职员应急疏散演练、应急方案优化与验证等多个偏向[34−41], 如图6所示: 


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图5 平行核电框架


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图6 平行核电条理的次要使用


对运转部分, 提供核电条理的在线推演平台, 可以评价运转职员的操纵危害, 以及对危害事情提供智能决议计划;


对应急部分, 模仿真实变乱场景、同时思索社会和人的心思举动客观能动影响等缺陷, 包管在应急状况下职员的疾速疏散及救济任务的顺遂展开;


对设计部分, 可由变乱后缘由剖析变化为事前设计防备, 改良设计方案, 避免此类变乱的发作, 为在最大水平上防止严重核变乱的发作;


对培训部分, 可以作为核电操纵的辅佐讲授平台, 以直观的方式表现核电的运转机理, 同时, 可模仿更多毛病事情, 进步操纵职员处置事情才能.


3 核能5.0支持平台新技能


3.1 智联网


智联网的界说为以互联网、物联网技能为前序根底科技, 在此之上以知识主动化为中心条理, 以知识盘算为中心技能, 以获取知识、表达知识、交流知识、联系关系知识为要害义务, 从而树立智能实体之间语义条理的联合、完成各智能体所拥有的知识的互联互通; 智联网的终极目标是支持需求大范围社会化协作的、特殊是在庞大条理中的知识功用和知识效劳. 智联网的本质即以某种协同的方法停止从原始经历数据的自动收罗、获取知识、交流知识、联系关系知识, 到知识功用, 如推理、决议计划、计划、管控等的全主动化进程, 因而智联网的本质是一种全新的、间接面向智能的庞大、协同知识主动化条理, 如图7所示.


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图7  智联网的根本观点表示图


研讨和建立产业智联网, 为产业开展剖析与评价智能条理提供社会化根底设备和支持平台; 经过该支持平台, 基于平行条理实际的剖析管控、基于产业 CPSS 的条理架构以及财产开展剖析的种种社管帐算中心技能得以完成. 产业智联网并非海市蜃楼,是树立在互联网 (数据信息互联) 和物联网 (感知控制互联) 根底上的. 智联网的协同知识主动化条理架构, 为树立庞大而高效的多条理社会化的传感、通讯和盘算条理计划和设计提供了逻辑构造和全体系化建立蓝图.



产业智联网最紧张的使用之一, 便是使能软件界说的产业体系. 在工程范畴, 越来越多的条理冲破惯例, 并经过开放的软件界说的条理接话柄现条理功用的灵敏重构, 使得将来工程条理成为智能实体的结合体, 极大地改进了条理的扩展才能和灵敏性. 今世软件界说条理前沿的代表为软件界说网络 (Software defined network, SDN), 灵捷假造企业 (Agile virtual enterprise, AVE) 和社会制造 (众包). 知识主动化和智联网, 是软件界说流程与条理的中心: 联合知识表现和知识工程, 联合智能实体,结构和支持各种针对特定范畴和题目的软件界说的流程 (Software-defined processes, SDP) 和软件界说的条理 (Software-defined systems, SDS). 经过SDP 和 SDS, 使知识、经历、猜想、假定、盼望、创新、想象等方式化和本质化, 并使其构造、进程、功用等软件化, 变为可操纵、可盘算、可实验的流程和条理, 从而进一步深化庞大知识主动化条理的设想、设计、施行、运营、办理与控制[42].



3.2 知识主动化办法体系的研发



许多状况下, 产业条理的浩繁进程出现深度耦合、交互影响的特点, 可应用知识主动化的手腕对产业进程办理的景象停止捕获、辨认、追踪、剖析、预测及诱导. 更进一步来讲, 针对详细的研讨工具,经过普遍的感知、丈量、收罗和通报信息的设置装备摆设或条理, 对信息停止疾速获取并剖析, 完成社会和技能信号的及时收罗、数据交融和剖析处置; 然后, 基于ACP办法, 借助网络数据发掘、天然言语处置及呆板学习等技能, 经过构造剖析、语义剖析等手腕对产业运动、构造、构造和功用等停止深化剖析, 以获取及时、条理且片面的知识来处理特定的题目[43].


3.3 开展性人工智能署理条理


多智能体条理的自治性、交互性、协异性、学习与推理等特点是研讨庞大条理题目无可替换的绝佳手腕. 针对社管帐算中多智能体条理的需求和开展偏向, 我们提出了一个新观点, 即 “开展性人工智能署理条理”[44]. 开展性人工智能署理的中心特性是“终生学习” 和 “永继学习”. “终生学习” 的观点指的是, 一个开展性人工智能署理针对一个条理到场者 (人、构造等社会实体), 树立与之对应的终生学习和交互机制, 终生获取、认知并管控到场者的数据和知识, 从而做到智能署理的知识, 随着到场者本身的变革及内部情况的变革而改动. “永继学习” 的观点指的是, 由于基于呆板的人工智能署理的知识是可以作为数据间接通报的, 因而在应用新的人工智能署理处理新一阶段呈现的新条理题目的时分, 可以间接应用前序阶段的人工智能署理知识而不必重新训练学习. 基于这两个特性, 开展性智能体具有的认知、计划、推理、学习、辅佐和引导功用, 是经过其与对应到场者的临时知识交互而构成, 因而具有了深度认知才能, 以及对到场者改动的顺应性.


我们以为, 针对目的产业的剖析、决议计划、管控场景, 开展性人工智能署理条理将是下一代多智能体条理的新范式, 可以做到对庞大条理及条理中各到场者更准确的模仿, 从而树立真假条理智能体和人之间愈加准确的互动机制, 为剖析庞大产业条理打下更坚固的根底.


3.4 大型平行协同演化技能


平行办理与控制的办法为无效树立混淆加强智能的框架提供了实际体系与平台. 由于条理的庞大性的存在, 少数条理实质上不克不及剖析建模. 基于平行条理的实际, 接纳 ACP 办法可以对庞大条理停止双闭环办理与控制. 在实践条理的根底上, 经过多智能体技能树立一个或多个假造的人工条理; 以盘算设备为实行室, 经过对人工条理的盘算实行, 来处理实践条理中难以实行以及反复实行的困难; 经过对实践条理与人工条理组成的平行条理停止真假互动、平行实行来完成条理的办理和控制.


在平行实行的进程中, 需求树立基于条理协同演化机制的场景推演模子. 把实践条理与人工条理相交互, 树立协同演化的机制, 经过真假互动进步各自的功能并停止优化. 在实践条理与人工条理协同演化的进程中, 需求运用演化博弈头脑对协同演化机制停止条理的剖析. 同时, 把演化算法与博弈论实际、多智能体条理实际相联合, 并引入散布式盘算技能, 树立功能更高效的散布式条理演化算法, 并将协同演化头脑与人工神经网络算法、人工免疫算法、模仿退火算法等联合, 集成现有智能算法中的差别搜刮技能, 树立功用弱小的平行协同演化算法, 与平行办理与控制相联合, 完成人工条理与理想条理的真假互动战争行实行.


3.5 大范围混淆加强智能盘算验证平台


联合典范产业使用, 搭建面向差别构造、差别范例、疾速多样的大数据盘算实行平台, 树立实践条理的散布式、自顺应、动向感知机制, 及时精确感知实践条理的多样化信息. 以人工条理为根底, 以目的产业管控条理传感与感知数据为输出, 研讨人工条理智能体的动向标定办法, 将智能体的微观推理决议计划参数与条理微观运转演化特性相联合, 完成婚配条理全体运转散布的智能体参数标定. 在智能体参数标定的根底上, 设计各参数迷信公道的散布范畴, 完成单要素到多要素的多智能体协同、博弈、对立等盘算实行, 剖析影响产业运转的正负变量因子、主次变量因子, 并接纳统计评优的办法评价以后情况参数下产业运转的危害点和管控手腕.



3.6 核能财产区块链


区块链是一种全网共鸣配合维护且保有一切汗青买卖数据的散布式数据库. 其所接纳的日期戳、非对称加密、散布式共鸣、可灵敏编程等技能使其具有了去中央化、日期可追溯性、自治性、开放性以及信息不行窜改等特性. 区块链技能的根本构架大抵可以分为六层, 即涵括一切下层信息数据和加密技能等的数据层、衔接一切节点完成数据传达以及验证的网络层、涵括种种共鸣算法与机制的共鸣层、订定嘉奖与惩办的鼓励层、封装算法和智能合约的合约层、以及详细化区块链使用场景的使用层.


区块链的智能合约技能可以真正做到在无内部监视的状况下, 以极小的运营本钱支持大型智能实体网络的运转, 即 “散布式自治构造” (DistributedAutonomous Organization, DAO).DAO运用智能合约实行一系列地下公平的条理运转规矩, 在无人办理和监视的状况下完成自构造和自主运转. 联合前文提到的智联网知识的协同运转方法 (条理型、会合型、散布型、混淆型), 基于区块链的DAO为物联网的运营提供了抱负的平台, 从而完成依照肯定构造规矩来主动构造智能体和展开协同知识主动化.更进一步, 经过出售或收买DAO的股权, 提供或许购置DAO的知识效劳, 开放智联网DAO知识效劳API等种种贸易和技能创新, 智联网可以成为一种社会化的技能生态条理, 旨在为全社会提供全方位的知识效劳.


关于区块链的了解分为三种: “加密数字钱币”、“散布式记账本技能” 和 “通证”. “通证” 的观念是可以依据种种完成场景, 构建一个基于区块链的条理, 它是有真实使用的条理, 且与很多传统的产业条理对接. “通证” 可以把任何有代价的权柄“通证化”, 通证化联合区块链技能之后, 就可以间接共享运用 “通证权” 融资, 且通明可信, 可疾速流转,构成市场价钱. 以是, 通证产业链便是真正的数字产业链, 可以大幅提拔产业经济的服从, 激起出史无前例的创新和生机.


核能区块链的中心头脑是提供一个可信底层平台, 种种财产单位可以基于此底层构建种种智能合约, 构建通证, 完成链式协作. 现在种种区块链平台的功能还达不到商用要求, 区块链技能需求停止功能的优化提拔, 但是研发界抱悲观态度.


完成核能区块链和通证财产条理的根底是智能合约. 规范化的智能合约可以由财产区块链官方订定, 比方核能财产各个业务研发支持一个区块链条,刊行通证作为业务的一个记账单元, 一切的长处相干部分运用这个底层根底设备, 从而在核才能消费网络中逐渐完成通证财产条理. 在构成通证经济条理雏形后, 智能核能财产网络即构成.


基于区块链技能的智能核能财产网络, 每一个财产单位都经过智能合约规范, 将本人的连入差别的财产链当中, 或许说每一个财产单位经过种种智能合约范式与本人的财产链上卑鄙相连, 给本人的业务和整个财产链都在假造天下里构建出一个 “真假平行财产链”, 这些 “真假平行财产链”, 经过智能合约范式, 接入电力财产体系中. 核能财产运作时,整个财产链条的相干智能合约被不时触发, 完成自主高效的运转, 智能核能财产得以完成.


核能财产区块链技能, 将从基本上革新核能产业消费方法, 重塑整个产业的形状. 整个核才能消费都市运转在散布式的智能财产网络上, 在区块链上监督和管控每一个财产单位的运转情况, 剖析财产的微观数据和消费微观数据, 真正完成假造数字核能财产的数据化、知识化、智能化[45−47].


4 核能5.0运用场景实例


在本节, 我们以核能财产的紧张构成局部, 核电产业为配景, 以核电站工控条理平安评价和核电站数字化仪控条理为使用场景来剖析相应的业务新技能与条理新形状.


4.1 核电工控条理平安评价


基于平行核电条理, 可停止基于盘算实行的核电工控平安条理信息平安要挟防护战略剖析与研讨[48]. 应用核电工控条理信息平安保证方案的及时信息, 设计差别的实行情形, 把盘算机作为实行室, 停止林林总总的盘算 “软” 实行, 针对差别平安防护使用设计多种盘算实行场景, 研讨网络平安打击演化纪律及其常态和十分态办理战略. 在实践网络打击场景和假造网络打击场景平行实行的根底上, 应用盘算实行办法在平行平安防护演练平台上停止种种实验, 对核电工控平安条理的防护举动停止预测和剖析. 实践平安防备条理中的算法剖析东西以模块和组件的方式使用于平行条理实行平台中, 此中包罗各种学习战略与优化算法、定性与定量盘算实行研讨算法以及对各平安要挟场景 (包罗惯例平安要挟场景、加强平安要挟场景和突发平安要挟场景) 提供特定支持的公用算法模块, 这些东西将动向地剖析、研讨和优化平安要挟盘算实行进程及其后果, 并联合评价目标体系更新评价后果[49−51].次要步调如下, 如图 8 所示.


第一阶段: 资产辨认与评定


步调 1. 界说业务或运营目的


辨认和理解业务或运营目的关于真正了解危害能够对业务带来的结果和影响至关紧张. 因而, 这一步调也是订定合适本人的危害器量规范并对辨认出的危害停止评分的根底. 关于核电站工控条理来说,控制条理运转和完成主动化的进程都有哪些?在进程中或主动化步调中都摆设了哪些条理来支持这一进程?经过理解这些目的, 就可以晓得哪些条理关于完成目的更为要害.


步调 2. 条理评定与分类


赐与前一步调中所辨认的业务与运营目的以及与之联系关系的条理. 起首对完成上述目的所需求的各个条理停止辨认和评定, 然后找出能够与条理相干联的潜伏事情和结果, 最初树立所招致的结果与业务目的之间的联系关系, 以便依据条理要害性停止分类与优先级排序.


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图8  核电工控条理信息平安保证方案平台评价流程


步调 3. 资产辨认


尽能够片面的辨认出一切资产无疑是至关紧张的. 但是, 资产清单以及文件的搜集比拟困难, 并且每每会有所脱漏. 资产清单的搜集与验证可以经过以下方法来停止: 与最新的、精确的网络拓扑图停止穿插验证.


步调 4. 网络拓扑与数据流检察


网络拓扑图不只关于准确辨认资产十分紧张,关于辨认通讯途径和数据流异样紧张, 从而有助于打击向量辨认. 数据流剖析另有助于发明网络中曾经存在的题目.


步调 5. 危害预算


危害挑选有助于完成各种评价, 依据事前确定的评级可以对每项条理停止优先级排序和评价. 评级方法接纳高、中、低的定性评级.


第二阶段: 软弱性辨认与要挟建模 


步调 6. 平安战略检察


网络平安战略是包管平安形态的基线. 通常平安战略都市存在单薄关键. 以是应该对作为平安情况基本的平安战略和顺序停止检察和验证, 假如平安战略存在单薄关键, 那么核电站的中心将面对宏大的危害.


步调 7. 控制危害 (规范检察、差距剖析)


控制危害步调是针对某一规范或许战略所展开的差距剖析或审计任务, 也是大少数传统危害评价的中央任务. 控制危害以行业规范和要求为基线, 能对平安、整改、缓解等进程的聚焦提供指点.


步调 8. 网络软弱性评价


本步调通常仅触及已知的且曾经地下马虎的破绽. 次要触及如下办法:


映射破绽, 将已知破绽与现有条理停止手动婚配操纵;


设置装备摆设检察, 对条理设置装备摆设寻觅错误设置装备摆设;


破绽扫描, 对破绽运用扫描东西停止搜索;


及时网络流量剖析, 检测流量并停止剖析;


控制剖析, 针对种种规范中的软弱性停止排查.


步调 9. 盘算实行


经过平行条理, 对评价完成仿真建模, 停止盘算实行. 经过海量自我博弈提拔本身才能, 完成真假联合的自我探究学习, 条理智能程度将继续提拔. 实际上终极逾越理想天下, 到达人工天下为主导的目标,完成智能条理工程适用化 如图9所示.


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图9 核电工控条理信息平安盘算实行图例


4.2 智能平行核电站数字化仪控条理: 下一代核电仪控范式


核电站数字化仪控条理 (Digital Control System, DCS), 控制着整个核电站从惯例岛到核岛简直一切的阀门、开关、继电器等, 数据在条理中停止会合表现、盘算处置并主动驱动实行机构, 具有高牢靠性、开放性、灵敏性、和谐性、易于维护、控制功用完全等特点. 它是核电站的大脑、神经中枢、运转中央和平安屏蔽, 是核电站四大要害性成套设置装备摆设之一,是整个核电站最要害、最中心技能的会合表现, 也是大型核电配备古代化水平的紧张标记[52−55], 基于平行实际的研讨架构如图 10 所示.


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图10 基于平行实际的核电仪控技能研讨架构


作为核电机组如许一个以核反响堆为一次动力的高科技严重配备, 其控制条理与核反响进程亲密相干, 控制条理的平安性、牢靠性、准确度和完好性等各方面的功用和功能都间接影响到整个核电站运转的平安性和经济性, 因而在思索核电机组配备自身的自主化时, 就必需同时思索其控制条理的自主化. 只要掌握了主动化成套控制条理的要害技能, 我国核电站的平安、经济运转才干有真正的保证.


中国广核团体 (简称中广核) 为引领核电智能化技能的开展, 设立了 “十三五” 智能核电科技战略专项 (Smart Nuclear Power, SNP), 提出了在全生命周期内构建 “智能办理、协同设计、智能制作、伶俐运营” 的四大开展范畴. 北京广利核条理工程有限公司是中广核旗下从事核电DCS设计、制造和工程效劳的专业化企业, 正在从核电工程DCS条理供给商向核电DCS“工程、运维、改革、效劳” 供给商转型, 从单一核电范畴向高牢靠控制范畴转型, 从国际核电DCS设置装备摆设供给商向环球核电DCS设置装备摆设供给商转型, 并努力于在主动化、智能化、可视化偏向获得技能打破. 作为专业的核电 DCS供给商, 广利核公司可为种种差别堆型的核电站提供端对端、全生命周期的DCS 处理方案, 完成高精度、疾速及高波动运转的目的, 如图11所示.


核电站的办理与控制题目, 不只触及到核电站的计划、设计、选址、建立等工程题目, 更触及到办理、人为等社会要素, 以及地动、火警等天然要素,传统的实际建模办法难以对其停止研讨, 需求新的实际办法来处理上述题目. 因而, 为了完成更优化、更有条理性的控制目的, 处理核电 DCS 条理中的庞大控制题目, 广利核公司基于平行智能实际办法及其技能道路 , 接纳大运维理念 , 努力完成DCS全寿命周期的智能化.


该条理接纳基于ACP办法的平行智能实际, 以假造化、云盘算、大数据为数据根底 , 树立细粒度仿真、具有弹性、按需分派、灵敏扩展的平行核电站数字化仪控条理, 以满意核电条理信息平安对立演练、技战术训练及实行、产业控制紧张根底设备与信息条理的平安测评、平安预警的需求[56], 如图12所示.


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图11  DCS 运维改革平台


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图12  中广核 DCS 数据中央平台



5 结论与瞻望


本文起首讨论了核能5.0呈现的新智能期间根底, 论述了假造数字产业崛起的技能配景. 厥后细致叙说了核能5.0及核电产业新形状与体系构造, 即平行核电的界说、意义、研讨内容、体系架构以及使用范畴, 并讨论了核能5.0中新一代中心技能, 包罗智联网、知识主动化、开展性人工智能、大范围协同演进技能、产业区块链等. 最初讨论了核电产业中详细的使用场景与案例, 核电工控条理平安评价与核电站数字化仪控条理.


在新智能期间离开的时分, 以假造数字产业崛起为特性的产业转型正在逐渐发作. 中国产业必需认清这一严重趋向, 尽早开端这一转型进程, 以防止在下一轮的环球产业竞争中处于优势和卑鄙位置.中国核能产业, 无论在国度动力平安与经济命根子的层面上思索, 照旧在坚持核电产业技能活着界上的竞争力的层面上思索, 都更应该尽早认识到产业假造数字化的须要性与紧急性, 并尽早开端其历程. 因而, 本文论述了核能 5.0, 以平行核电为中心理念的真假一体的核电产业新形状与条理架构, 提出了天下抢先的理念、参考模子和技能框架, 为中国核能财产将来的自主开展描画了远景、路途与希冀.


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