憑借出色的運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)，我國(guó)嶺澳核電站1號(hào)機(jī)組安全運(yùn)行天數(shù)創(chuàng)世界新紀(jì)錄——人工智能將為核電提供更多助力。這是嶺澳核電站1號(hào)機(jī)組外景。 (新華社發(fā))
大亞灣核電基地展廳內(nèi)展示的大亞灣核電反應(yīng)堆三重安全屏障，前沿科技助力核電為深圳貢獻(xiàn)碧海藍(lán)天。 (新華社發(fā))
人工智能已成為勢(shì)不可擋的科技潮流。核工業(yè)作為我國(guó)高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，正積極迎接新一輪科技變革，抓住人工智能向工業(yè)滲透融合的戰(zhàn)略機(jī)遇期，積極推進(jìn)智能化技術(shù)的研究和創(chuàng)新應(yīng)用。
人工智能概念的提出和基礎(chǔ)理論研究已有半個(gè)多世紀(jì)。近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，人工智能進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，特別是以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的人工智能技術(shù)跨越了科學(xué)與應(yīng)用的鴻溝，在圖像分類、語(yǔ)音識(shí)別、人機(jī)對(duì)弈、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異。
核科學(xué)與核技術(shù)誕生于上世紀(jì)物理學(xué)的黃金年代，并作為引領(lǐng)第三次科技革命的核心學(xué)科，為人類科技的整體進(jìn)步提供了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。例如，芯片半導(dǎo)體的高純度材料制備工藝，最早建立在核材料工藝基礎(chǔ)上;World Wide Web，即我們用的www互聯(lián)網(wǎng)，誕生于歐洲核子中心;各國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)，主要是出于核軍工的需求;人工智能計(jì)算所依賴的底層數(shù)值求解庫(kù)，大都由核相關(guān)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)……
核工業(yè)作為戰(zhàn)略基石行業(yè)，擁有大量頂尖科學(xué)家和實(shí)力雄厚的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室。在此輪人工智能熱潮中，各大核相關(guān)實(shí)驗(yàn)室憑借其人才、計(jì)算資源、實(shí)驗(yàn)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)開(kāi)展了很多人工智能方面的研究。例如美國(guó)的阿貢、橡樹(shù)嶺、愛(ài)達(dá)荷等核領(lǐng)域國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，正在使用人工智能方法開(kāi)展新型核材料研發(fā)、分子尺度物理現(xiàn)象模擬等工作。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)在核電廠狀態(tài)智能診斷算法方面，也已經(jīng)開(kāi)展了多年研究。除基礎(chǔ)研究外，國(guó)內(nèi)核工業(yè)界也開(kāi)展了一些智能應(yīng)用研發(fā)工作，部分產(chǎn)品已基本成熟，具備工程應(yīng)用的能力。
為核設(shè)施安全保駕
2018年，國(guó)家多個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)核電運(yùn)行安全管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確要求“推進(jìn)信息化、智能化、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)在核電運(yùn)行安全管理中的應(yīng)用”。國(guó)內(nèi)各核電集團(tuán)均已全面啟動(dòng)數(shù)字核電、智慧核電建設(shè)，國(guó)際上各核電強(qiáng)國(guó)也紛紛布局發(fā)力，智慧核電已成為世界各核電國(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)奪的新高地。國(guó)家核電重大專項(xiàng)戰(zhàn)略咨詢專家組組長(zhǎng)、國(guó)際核能院院士張勤表示，核電站故障多數(shù)由小的常規(guī)故障引起，因操作人員不能在復(fù)雜工況下及時(shí)做出正確判斷、采取正確措施，往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生。采用人工智能技術(shù)，可在復(fù)雜環(huán)境下及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障工況，提前預(yù)報(bào)故障，及時(shí)診斷故障原因并預(yù)測(cè)故障發(fā)展，同時(shí)提供精準(zhǔn)的應(yīng)對(duì)措施建議，顯著提高所有核電站的安全性和可用度。
在核電廠設(shè)備運(yùn)行維護(hù)上，人工智能表現(xiàn)出色。核電廠有數(shù)十個(gè)系統(tǒng)，囊括上百個(gè)專業(yè)，設(shè)備眾多，傳統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)及檢修需要耗費(fèi)大量人力、物力。隨著智能儀表廣泛應(yīng)用，大量設(shè)備狀態(tài)信號(hào)被監(jiān)測(cè)，形成核電運(yùn)行大數(shù)據(jù)，配合智能算法，能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行快速預(yù)測(cè)和診斷。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)院和業(yè)主都加大了核電智能運(yùn)維方面的研發(fā)投入，并取得了一定進(jìn)展。在核電關(guān)鍵設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)方面，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研發(fā)的反應(yīng)堆遠(yuǎn)程智能診斷平臺(tái)PRID，使用自主開(kāi)發(fā)的智能診斷分析算法，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備準(zhǔn)確、及時(shí)開(kāi)展智能診斷分析，提出運(yùn)維策略，開(kāi)創(chuàng)了信息化、一體化、智能化的核電關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)維新模式，可實(shí)現(xiàn)群堆狀態(tài)下的反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備智能診斷的可視化展示，對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備診斷分析的質(zhì)量和效率具有顯著提高作用。
2018年11月，中國(guó)核能電力股份有限公司對(duì)外發(fā)布設(shè)備可靠性管理系統(tǒng)ERDB。大數(shù)據(jù)壽命預(yù)測(cè)是ERDB的亮點(diǎn)功能之一，通過(guò)對(duì)電廠設(shè)備各類數(shù)據(jù)的智能分析，數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，可科學(xué)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)備的劣化趨勢(shì)，及時(shí)合理地為后續(xù)維修策略提供依據(jù)。ERDB系統(tǒng)集設(shè)備管理的數(shù)據(jù)、管理、經(jīng)驗(yàn)為一體，不僅幫助電廠實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化健康管理，更為電廠提供長(zhǎng)期的可靠性提升方法與經(jīng)驗(yàn)。
此外，智能人因工程表現(xiàn)可圈可點(diǎn)。安全是核工業(yè)的生命線。在引發(fā)核電各種事故的諸多因素中，人因失效是重要方面。考慮到人因的特點(diǎn)，將智能技術(shù)引入核電人因工程，可以有效提升核電安全運(yùn)行水平。例如，核電廠先進(jìn)控制室智能化人機(jī)接口系統(tǒng)，可使操作員快速準(zhǔn)確獲取信息，盡快排除故障，避免事故擴(kuò)大，降低核電站風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)可以降低操作員診斷失誤率，防止由于人因失誤而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)升級(jí)，使我國(guó)核安全管理水平與核電廠的安全水平有所提高。
以上所述應(yīng)用大都是使用智能算法診斷或預(yù)測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出較多統(tǒng)計(jì)學(xué)特點(diǎn)。目前，智能方法正在與先進(jìn)仿真技術(shù)相融合，即將統(tǒng)計(jì)模型與物理仿真結(jié)合。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域也開(kāi)展了一定工作。例如在研究堆領(lǐng)域，中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究發(fā)布了數(shù)字微堆系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)虛擬數(shù)字反應(yīng)堆集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)安裝、首次臨界、運(yùn)行、應(yīng)用、退役和安全等開(kāi)展全方位模擬仿真。據(jù)介紹，采用數(shù)字微堆系統(tǒng)后，新設(shè)計(jì)和建造一個(gè)微堆將顯著縮短建設(shè)周期，節(jié)省建設(shè)投資，并可為用戶提供數(shù)字化運(yùn)行和維修培訓(xùn)及教學(xué)系統(tǒng)。
核科技應(yīng)用走向智能化
核燃料元件既是核電站的能量源泉，又是保護(hù)核電安全的第一道屏障。智能制造可以有效避免和消除人因?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量造成的直接和間接影響，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。例如，僅生產(chǎn)線端塞焊崗位中的上管、焊接、再上管動(dòng)作，工人一天下來(lái)要重復(fù)3000多次，勞動(dòng)強(qiáng)度大，極易出現(xiàn)失誤。而智能制造不僅節(jié)省大量人力，更保障了產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。中核集團(tuán)原子能公司通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)裝備和技術(shù)，在消化吸收基礎(chǔ)上堅(jiān)持自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了芯塊制備、燃料棒制造及組件生產(chǎn)線主要工序的自動(dòng)化生產(chǎn)、物料的自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)和數(shù)據(jù)采集，正在重點(diǎn)推進(jìn)智能化核燃料產(chǎn)業(yè)建設(shè)。
近年來(lái)，中核集團(tuán)核四院與天山鈾業(yè)致力于數(shù)字礦山探索，瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)礦山技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，不斷提升自動(dòng)化、信息化水平，初步建成了集工藝過(guò)程控制、生產(chǎn)場(chǎng)所實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)流程統(tǒng)一調(diào)度、應(yīng)急管理綜合指揮為一體的智能管理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。特別是地浸采鈾生產(chǎn)及管理過(guò)程中的礦山資源已實(shí)現(xiàn)四維動(dòng)態(tài)管控，管理者可實(shí)時(shí)掌握資源狀況，消除信息“孤島”，實(shí)現(xiàn)了地浸礦山的可視化和數(shù)字化。目前，天山鈾業(yè)的關(guān)鍵工藝數(shù)控化率已經(jīng)達(dá)到80%以上，改善了資源利用率，降低了生產(chǎn)成本，提高了安全環(huán)保水平。
機(jī)器人與智能裝備也是核工業(yè)智能化的重要方向。核電機(jī)器人可替代人潛入核電站拍攝傳遞圖像，讓人們更真切了解核電站內(nèi)部真實(shí)狀況，也可在高輻射區(qū)域代替人工開(kāi)展一些特殊操作。例如，中國(guó)科學(xué)院自行研制的多功能水下智能檢查機(jī)器人已先后為中核、中廣核等多家單位提供支持。國(guó)家863計(jì)劃“核反應(yīng)堆專用機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”課題在廣西防城港核電基地通過(guò)驗(yàn)收，研發(fā)出6款核電智能機(jī)器人。隨著我國(guó)具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)“華龍一號(hào)”落地，將推動(dòng)更多核電相關(guān)自主智能裝備技術(shù)不斷涌現(xiàn)。
深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別技術(shù)在本輪人工智能熱潮中取得了較大突破，已趨于成熟并得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。例如人臉識(shí)別、智能安防等。核領(lǐng)域也開(kāi)展了一系列與深度圖像識(shí)別技術(shù)相關(guān)的交叉研究。在醫(yī)療影像診斷方面，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了核磁共振醫(yī)學(xué)影像智能分析系統(tǒng)“阿爾法醫(yī)生”，取得了比擬人類醫(yī)生的診斷準(zhǔn)確率，并大幅提升了診斷速度。在工業(yè)影像診斷領(lǐng)域，使用智能算法可以實(shí)現(xiàn)全天候、快速、高于人類準(zhǔn)確率的核級(jí)焊縫X射線探傷識(shí)別應(yīng)用。美國(guó)普渡大學(xué)采用深度圖像智能識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)了堆內(nèi)金屬構(gòu)件裂縫圖像識(shí)別模塊，能夠?qū)φ障鄼C(jī)拍攝的堆內(nèi)構(gòu)件照片進(jìn)行分析，自動(dòng)尋找裂縫，可有效減輕檢測(cè)人員工作量，避免人因失誤，保證核反應(yīng)堆運(yùn)行安全。
新技術(shù)值得期待
人工智能在核領(lǐng)域的一個(gè)新技術(shù)方向，是基礎(chǔ)物理現(xiàn)象建模。核反應(yīng)堆工程涉及多個(gè)學(xué)科，其中一些物理現(xiàn)象比較復(fù)雜，難以通過(guò)理論推導(dǎo)得到準(zhǔn)確的通用基礎(chǔ)模型。由此導(dǎo)致新型反應(yīng)堆或換熱器的設(shè)計(jì)仍然離不開(kāi)熱工實(shí)驗(yàn)，需要花費(fèi)大量資金搭建實(shí)驗(yàn)裝置。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，目前對(duì)于沸騰、流動(dòng)等復(fù)雜現(xiàn)象能夠開(kāi)展更加精細(xì)的測(cè)量，得到大量數(shù)據(jù)。美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)正研究采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)分析海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以建立適用性更廣的熱工水力學(xué)基礎(chǔ)模型，從而減少新設(shè)計(jì)對(duì)于大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施的依賴。
核反應(yīng)堆的少人或無(wú)人值守智能運(yùn)行也前景看好。目前，通過(guò)使用智能化技術(shù)，一些常規(guī)發(fā)電廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了少人值守，并在探索無(wú)人值守，這將有利于避免人因失誤。與火電廠相比，核電廠的安全標(biāo)準(zhǔn)和要求非常高，進(jìn)一步研究打造以無(wú)人監(jiān)測(cè)、少人值守為目標(biāo)的智慧核電運(yùn)營(yíng)模式，可有效提升核電運(yùn)行安全水平。此外，對(duì)于未來(lái)太空、深海區(qū)域的核反應(yīng)堆，因環(huán)境特殊性需要實(shí)現(xiàn)無(wú)人智能運(yùn)行。目前，美國(guó)正在開(kāi)發(fā)適用于火星等太空環(huán)境的核反應(yīng)堆，智能運(yùn)行是其中的關(guān)鍵技術(shù)。
對(duì)于人類而言，人工智能仍有很多需要探索的領(lǐng)域。由于安全是核工業(yè)的生命線，核領(lǐng)域通常會(huì)采用成熟可靠的技術(shù)，并且需要嚴(yán)格管理，這在一定程度上限制了人工智能在核領(lǐng)域的深度應(yīng)用，更無(wú)法替代人類。但人工智能能夠起到良好的輔助、支持作用，減少人因失誤。隨著人工智能研究的深入，相信核領(lǐng)域的智能化程度會(huì)越來(lái)越高，核工業(yè)的安全將更加有保障。
(中國(guó)核科技信息與經(jīng)濟(jì)研究院 郝 強(qiáng) 童 樸)
