憑借出色的運營管理技術(shù)，我國嶺澳核電站1號機組安全運行天數(shù)創(chuàng)世界新紀錄——人工智能將為核電提供更多助力。這是嶺澳核電站1號機組外景。 (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堆三重安全屏障，前沿科技助力核電為深圳貢獻碧海藍天。 (新華社發(fā))
人工智能已成為勢不可擋的科技潮流。核工業(yè)作為我國高科技戰(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)略機遇期，積極推進智能化技術(shù)的研究和創(chuàng)新應用。
人工智能概念的提出和基礎理論研究已有半個多世紀。近年來，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，人工智能進入蓬勃發(fā)展階段，特別是以深度神經(jīng)網(wǎng)絡為代表的人工智能技術(shù)跨越了科學與應用的鴻溝，在圖像分類、語音識別、人機對弈、無人駕駛等領域表現(xiàn)優(yōu)異。
核科學與核技術(shù)誕生于上世紀物理學的黃金年代，并作為引領第三次科技革命的核心學科，為人類科技的整體進步提供了強大的驅(qū)動力。例如，芯片半導體的高純度材料制備工藝，最早建立在核材料工藝基礎上;World Wide Web，即我們用的www互聯(lián)網(wǎng)，誕生于歐洲核子中心;各國超級計算機的研發(fā)，主要是出于核軍工的需求;人工智能計算所依賴的底層數(shù)值求解庫，大都由核相關實驗室開發(fā)……
核工業(yè)作為戰(zhàn)略基石行業(yè)，擁有大量頂尖科學家和實力雄厚的國家級實驗室。在此輪人工智能熱潮中，各大核相關實驗室憑借其人才、計算資源、實驗設施的優(yōu)勢，已經(jīng)開展了很多人工智能方面的研究。例如美國的阿貢、橡樹嶺、愛達荷等核領域國家實驗室，正在使用人工智能方法開展新型核材料研發(fā)、分子尺度物理現(xiàn)象模擬等工作。國內(nèi)清華大學在核電廠狀態(tài)智能診斷算法方面，也已經(jīng)開展了多年研究。除基礎研究外，國內(nèi)核工業(yè)界也開展了一些智能應用研發(fā)工作，部分產(chǎn)品已基本成熟，具備工程應用的能力。
為核設施安全保駕
2018年，國家多個部門聯(lián)合發(fā)布了《關于進一步加強核電運行安全管理的指導意見》，明確要求“推進信息化、智能化、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)在核電運行安全管理中的應用”。國內(nèi)各核電集團均已全面啟動數(shù)字核電、智慧核電建設，國際上各核電強國也紛紛布局發(fā)力，智慧核電已成為世界各核電國家競相爭奪的新高地。國家核電重大專項戰(zhàn)略咨詢專家組組長、國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雜工況下及時做出正確判斷、采取正確措施，往往會導致嚴重事故發(fā)生。采用人工智能技術(shù)，可在復雜環(huán)境下及時發(fā)現(xiàn)故障工況，提前預報故障，及時診斷故障原因并預測故障發(fā)展，同時提供精準的應對措施建議，顯著提高所有核電站的安全性和可用度。
在核電廠設備運行維護上，人工智能表現(xiàn)出色。核電廠有數(shù)十個系統(tǒng)，囊括上百個專業(yè)，設備眾多，傳統(tǒng)運行維護及檢修需要耗費大量人力、物力。隨著智能儀表廣泛應用，大量設備狀態(tài)信號被監(jiān)測，形成核電運行大數(shù)據(jù)，配合智能算法，能夠?qū)υO備狀態(tài)進行快速預測和診斷。目前，國內(nèi)相關設計院和業(yè)主都加大了核電智能運維方面的研發(fā)投入，并取得了一定進展。在核電關鍵設備故障診斷與預測方面，中國核動力研究設計院研發(fā)的反應堆遠程智能診斷平臺PRID，使用自主開發(fā)的智能診斷分析算法，對關鍵設備準確、及時開展智能診斷分析，提出運維策略，開創(chuàng)了信息化、一體化、智能化的核電關鍵設備運維新模式，可實現(xiàn)群堆狀態(tài)下的反應堆關鍵設備智能診斷的可視化展示，對于關鍵設備診斷分析的質(zhì)量和效率具有顯著提高作用。
2018年11月，中國核能電力股份有限公司對外發(fā)布設備可靠性管理系統(tǒng)ERDB。大數(shù)據(jù)壽命預測是ERDB的亮點功能之一，通過對電廠設備各類數(shù)據(jù)的智能分析，數(shù)據(jù)的深度學習，可科學準確預測設備的劣化趨勢，及時合理地為后續(xù)維修策略提供依據(jù)。ERDB系統(tǒng)集設備管理的數(shù)據(jù)、管理、經(jīng)驗為一體，不僅幫助電廠實現(xiàn)設備的智能化健康管理，更為電廠提供長期的可靠性提升方法與經(jīng)驗。
此外，智能人因工程表現(xiàn)可圈可點。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?？紤]到人因的特點，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行水平。例如，核電廠先進控制室智能化人機接口系統(tǒng)，可使操作員快速準確獲取信息，盡快排除故障，避免事故擴大，降低核電站風險;同時可以降低操作員診斷失誤率，防止由于人因失誤而帶來的風險升級，使我國核安全管理水平與核電廠的安全水平有所提高。
以上所述應用大都是使用智能算法診斷或預測測量數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出較多統(tǒng)計學特點。目前，智能方法正在與先進仿真技術(shù)相融合，即將統(tǒng)計模型與物理仿真結(jié)合。國內(nèi)在該領域也開展了一定工作。例如在研究堆領域，中國原子能科學研究院研究發(fā)布了數(shù)字微堆系統(tǒng)，構(gòu)建了一個虛擬數(shù)字反應堆集成開發(fā)環(huán)境，對安裝、首次臨界、運行、應用、退役和安全等開展全方位模擬仿真。據(jù)介紹，采用數(shù)字微堆系統(tǒng)后，新設計和建造一個微堆將顯著縮短建設周期，節(jié)省建設投資，并可為用戶提供數(shù)字化運行和維修培訓及教學系統(tǒng)。
核科技應用走向智能化
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、再上管動作，工人一天下來要重復3000多次，勞動強度大，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。中核集團原子能公司通過引進國外先進裝備和技術(shù)，在消化吸收基礎上堅持自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了芯塊制備、燃料棒制造及組件生產(chǎn)線主要工序的自動化生產(chǎn)、物料的自動化轉(zhuǎn)運和數(shù)據(jù)采集，正在重點推進智能化核燃料產(chǎn)業(yè)建設。
近年來，中核集團核四院與天山鈾業(yè)致力于數(shù)字礦山探索，瞄準國際先進礦山技術(shù)和管理經(jīng)驗，不斷提升自動化、信息化水平，初步建成了集工藝過程控制、生產(chǎn)場所實時監(jiān)控、生產(chǎn)流程統(tǒng)一調(diào)度、應急管理綜合指揮為一體的智能管理網(wǎng)絡平臺。特別是地浸采鈾生產(chǎn)及管理過程中的礦山資源已實現(xiàn)四維動態(tài)管控，管理者可實時掌握資源狀況，消除信息“孤島”，實現(xiàn)了地浸礦山的可視化和數(shù)字化。目前，天山鈾業(yè)的關鍵工藝數(shù)控化率已經(jīng)達到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。
機器人與智能裝備也是核工業(yè)智能化的重要方向。核電機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)部真實狀況，也可在高輻射區(qū)域代替人工開展一些特殊操作。例如，中國科學院自行研制的多功能水下智能檢查機器人已先后為中核、中廣核等多家單位提供支持。國家863計劃“核反應堆專用機器人技術(shù)與應用”課題在廣西防城港核電基地通過驗收，研發(fā)出6款核電智能機器人。隨著我國具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)“華龍一號”落地，將推動更多核電相關自主智能裝備技術(shù)不斷涌現(xiàn)。
深度學習圖像識別技術(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可和應用。例如人臉識別、智能安防等。核領域也開展了一系列與深度圖像識別技術(shù)相關的交叉研究。在醫(yī)療影像診斷方面，我國科研團隊研發(fā)了核磁共振醫(yī)學影像智能分析系統(tǒng)“阿爾法醫(yī)生”，取得了比擬人類醫(yī)生的診斷準確率，并大幅提升了診斷速度。在工業(yè)影像診斷領域，使用智能算法可以實現(xiàn)全天候、快速、高于人類準確率的核級焊縫X射線探傷識別應用。美國普渡大學采用深度圖像智能識別技術(shù)，開發(fā)了堆內(nèi)金屬構(gòu)件裂縫圖像識別模塊，能夠?qū)φ障鄼C拍攝的堆內(nèi)構(gòu)件照片進行分析，自動尋找裂縫，可有效減輕檢測人員工作量，避免人因失誤，保證核反應堆運行安全。
新技術(shù)值得期待
人工智能在核領域的一個新技術(shù)方向，是基礎物理現(xiàn)象建模。核反應堆工程涉及多個學科，其中一些物理現(xiàn)象比較復雜，難以通過理論推導得到準確的通用基礎模型。由此導致新型反應堆或換熱器的設計仍然離不開熱工實驗，需要花費大量資金搭建實驗裝置。隨著實驗技術(shù)的進步，目前對于沸騰、流動等復雜現(xiàn)象能夠開展更加精細的測量，得到大量數(shù)據(jù)。美國的科研團隊正研究采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡的技術(shù)分析海量實驗數(shù)據(jù)，以建立適用性更廣的熱工水力學基礎模型，從而減少新設計對于大型實驗設施的依賴。
核反應堆的少人或無人值守智能運行也前景看好。目前，通過使用智能化技術(shù)，一些常規(guī)發(fā)電廠已經(jīng)實現(xiàn)了少人值守，并在探索無人值守，這將有利于避免人因失誤。與火電廠相比，核電廠的安全標準和要求非常高，進一步研究打造以無人監(jiān)測、少人值守為目標的智慧核電運營模式，可有效提升核電運行安全水平。此外，對于未來太空、深海區(qū)域的核反應堆，因環(huán)境特殊性需要實現(xiàn)無人智能運行。目前，美國正在開發(fā)適用于火星等太空環(huán)境的核反應堆，智能運行是其中的關鍵技術(shù)。
對于人類而言，人工智能仍有很多需要探索的領域。由于安全是核工業(yè)的生命線，核領域通常會采用成熟可靠的技術(shù)，并且需要嚴格管理，這在一定程度上限制了人工智能在核領域的深度應用，更無法替代人類。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，相信核領域的智能化程度會越來越高，核工業(yè)的安全將更加有保障。
(中國核科技信息與經(jīng)濟研究院 郝 強 童 樸)
