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人工智能助核科技安全高效

资料来源:《经济日报》

凭借卓越的运行管理技术,中国岭澳核电站1号机组的安全运行天数创下了新的世界纪录——人工智能将为核电提供更多的帮助。这是岭澳核电站1号机组的位置。(新华社)

大亚湾核电基地展厅展示的大亚湾核反应堆三重安全屏障有助于核电为深圳的碧海蓝天做出贡献。(新华社)

人工智能已经成为不可阻挡的科学技术趋势。作为中国的高技术战略产业,核工业正积极迎接新一轮技术变革,抓住人工智能渗透和融入产业的战略机遇期,积极推动智能技术的研究和创新应用。

人工智能的概念提出和基础理论研究已经有半个多世纪了。近年来,随着大数据、互联网和物联网等信息技术的发展,人工智能进入了蓬勃发展的阶段。特别是以深度神经网络为代表的人工智能技术跨越了科学与应用的鸿沟,在图像分类、语音识别、人机游戏、无人驾驶等领域表现良好。

核科学和技术在上个世纪诞生于物理学的黄金时代。作为领导第三次科技革命的核心学科,它们为人类科技的全面进步提供了强大的推动力。例如,用于芯片半导体的高纯度材料的制备过程首先建立在核材料过程的基础上。我们使用的万维网诞生于欧洲核子研究中心。各国超级计算机的研发主要是基于核工业和军事工业的需要。人工智能计算所依赖的底层数值解库主要由核相关实验室开发。

核工业作为战略基石产业,拥有大量顶尖科学家和强大的国家实验室。在这一轮人工智能热潮中,各种核相关实验室凭借其人才、计算资源和实验设施的优势,开展了大量的人工智能研究。例如,氩、橡树岭和爱达荷等核领域的美国国家实验室正在使用人工智能方法进行新核材料的研发和分子尺度物理现象的模拟。国内清华大学也对核电站工况智能诊断算法进行了多年的研究。除基础研究外,国内核工业也开展了一些智能应用的研发工作。有些产品基本成熟,具有工程应用能力。

核设施的安全驾驶

2018年,国家多个部门联合发布了《关于进一步加强核电运行安全管理的指导意见》,明确要求“推进信息化、智能化、大数据等新技术在核电运行安全管理中的应用”。中国所有核电集团已全面启动数字核电和智能核电建设。世界上所有的核大国也相继部署了它们的力量。智能核能已经成为世界上所有核能国家竞争的新的制高点。国家核电重大特别战略咨询专家组组长、国际核能研究所院士张勤表示,核电厂故障大多是由轻微的日常故障造成的,这往往会导致严重事故,因为在复杂的工作条件下,操作人员无法做出及时正确的判断并采取正确的措施。人工智能技术的应用可以在复杂环境中及时发现故障情况,提前预测故障,及时诊断故障原因,预测故障发展,同时提供准确的对策和建议,显著提高所有核电站的安全性和可用性。

人工智能在核电站设备的运行和维护中表现良好。核电站有几十个系统,包括数百个专业设备和众多设备。传统的操作、维护和修理需要大量的人力和物力。随着智能仪器的广泛应用,大量的设备状态信号被监测,形成大量的核电运行数据。结合智能算法,可以快速预测和诊断设备状态。目前,国内相关设计院和业主加大了对核电智能运行和维护的研发投入,并取得了一定进展。在核电关键设备的故障诊断和预测方面,中国核电研究设计院开发的反应堆远程智能诊断平台prid采用自主开发的智能诊断分析算法,准确、及时地对关键设备进行智能诊断分析,提出运行维护策略,创建信息化、集成化、智能化的核电关键设备运行和改造模式。它可以实现群反应堆状态下反应堆关键设备智能诊断的可视化显示,对提高关键设备诊断分析的质量和效率具有重要作用。

2018年11月,中国核电公司发布了设备可靠性管理系统erdb。大数据寿命预测是erdb的亮点之一。通过对电厂设备各种数据的智能分析和数据的深入研究,可以科学准确地预测设备的劣化趋势,及时合理地为后续维护策略提供依据。Erdb系统集数据、管理和设备管理经验于一体。它不仅有助于电厂实现设备的智能健康管理,而且为电厂提供了长期的可靠性改进方法和经验。

此外,聪明的人以他们的工程表现而著称。安全是核工业的生命线。在导致核电事故的诸多因素中,人为失误是一个重要方面。考虑到人为因素的特点,将智能技术引入核电人为因素工程可以有效提高核电的安全运行水平。例如,核电站高级控制室的智能人机界面系统可以使操作人员快速准确地获取信息,尽快排除故障,避免事故扩大,降低核电站风险。同时,可以降低操作者诊断的错误率,防止人为失误造成的风险升级,提高我国核电厂的核安全管理水平和安全水平。

上述大多数应用使用智能算法来诊断或预测测量数据,显示出更多的统计特征。目前,智能方法正与先进的模拟技术相结合,即统计模型与物理模拟相结合。中国也在这一领域开展了一些工作。例如,在研究反应堆领域,中国原子能科学研究院发布了数字微反应堆系统,构建了数字反应堆虚拟集成开发环境,对安装、首次临界、运行、应用、退役和安全进行了全面模拟。据介绍,采用数字化微反应器系统后,微反应器的新设计和建设将大大缩短建设周期,节约建设投资,并为用户提供数字化运维培训和教学系统。

核科技在智能化中的应用

核燃料元件不仅是核电厂的能源,也是保护核电安全的第一道屏障。智能制造可以有效避免和消除人为因素对产品质量的直接和间接影响,保证产品质量的稳定性。例如,在生产线末端的塞焊柱中,只有送管、焊接和送管动作每天重复3000次以上,劳动强度高,容易出错。智能制造不仅节省了大量人力,而且保证了产品质量的可靠性。核电集团核能公司通过引进国外先进设备和技术,在消化吸收的基础上,坚持自主创新。实现了堆芯准备、燃料棒制造和装配生产线、材料自动转移和数据采集等主要流程的自动化生产,重点推进智能核燃料产业建设。

近年来,CNNC核四院和天山铀矿工业致力于数字矿山的探索,针对国际先进的采矿技术和管理经验,不断提高自动化和信息化水平,初步构建了集过程控制、生产现场实时监控、生产过程统一调度和应急管理综合指挥于一体的智能管理网络平台。特别是原地浸出采铀生产和管理过程中的矿产资源受到了四维动态控制。管理者可以实时掌握资源状况,消除信息的“孤岛”,实现原地浸矿可视化和数字化。目前,天山铀矿工业关键工序的数控率已达到80%以上,提高了资源利用率,降低了生产成本,提高了安全环保水平。

机器人和智能设备也是核工业智能的重要方向。核动力机器人可以代替人们偷偷潜入核电站拍摄和传输图像,使人们能够更真实地了解核电站内部的真实情况,也可以代替人们在高辐射地区进行一些特殊的操作。例如,中国科学院开发的多功能水下智能巡检机器人先后为CNNC、中广核等多个单位提供了支持。国家863计划“核反应堆专用机器人技术及应用”已通过广西防城港核电基地的验收,开发了6种智能核电机器人。随着拥有完全自主知识产权的中国三代核电技术“华龙一号”的登陆,更多与核电相关的自主智能设备技术将不断涌现。

深度学习图像识别技术在当前人工智能的热潮中取得了重大突破,已经成熟并得到广泛认可和应用。例如,人脸识别、智能安全等。在核领域也进行了一系列与深度图像识别技术相关的交叉研究。在医学影像诊断方面,我们的研究团队开发了核磁共振医学影像智能分析系统“阿尔法医生”(alpha doctor),达到了与人类医生相当的诊断精度,大大提高了诊断速度。在工业图像诊断领域,采用智能算法可以实现全天候、快速、比人类精度更高的核焊缝x光探伤识别应用。美国普渡大学(Purdue University)利用深度图像智能识别技术,开发了反应堆内金属部件裂纹图像识别模块。该模块可以对摄像机拍摄的反应堆内部件照片进行分析,并自动发现裂纹,有效减少检查员的工作量,避免人为失误,保证核反应堆的安全运行。

值得期待的新技术

人工智能在核领域的一个新技术方向是基本物理现象的建模。核反应堆工程涉及多个学科,一些物理现象相对复杂,很难通过理论推导得到准确的通用基本模型。因此,新反应器或热交换器的设计仍然离不开热实验,热实验需要大量资金来建造实验设备。随着实验技术的进步,可以对沸腾和流动等复杂现象进行更精确的测量,并获得大量数据。美国研究小组正在研究使用深度神经网络技术来分析大量实验数据,以便建立更适用的热力学和水力学基本模型,从而减少新设计对大型实验设施的依赖。

核反应堆的智能运行也有很好的前景,只有很少或没有人员值班。目前,通过智能技术的使用,一些常规发电厂已经实现了少人值守,并正在探索无人值守的运行方式,这将有助于避免人为失误。与火电厂相比,核电厂有很高的安全标准和要求。针对无人监控、无人值守的智能核电运行模式的进一步研究和开发,可以有效提高核电运行的安全水平。此外,由于环境的特殊性,未来空间和深海地区的核反应堆需要无人智能操作。目前,美国正在开发适合火星等太空环境的核反应堆,智能操作是关键技术之一。

对人类来说,人工智能仍有许多领域有待探索。由于安全是核工业的生命线,核领域通常采用成熟可靠的技术,需要严格的管理,这在一定程度上限制了人工智能在核领域的深度应用,不能替代人类。然而,人工智能可以起到很好的辅助和支撑作用,减少人为失误。随着人工智能研究的深入,我相信核领域的智能水平会越来越高,核工业的安全会得到更大的保障。(资料来源:经济日报,作者:郝强、汤普,作者:中国核科技信息与经济研究所)