從先進(jìn)核電廠仿真器到數(shù)字核電廠之現(xiàn)狀與發(fā)展方向

黃建華，郭天覺

（1．廈門大學(xué)能源研究院 福建 廈門 361005；2．和昇集團(tuán) 香港）

從先進(jìn)核電廠仿真器到數(shù)字核電廠之現(xiàn)狀與發(fā)展方向

黃建華1，郭天覺2

（1．廈門大學(xué)能源研究院 福建 廈門 361005；2．和昇集團(tuán) 香港）

進(jìn)入21世紀(jì)后各種尖端科技進(jìn)展很快，例如高性能計算能力、超高速網(wǎng)絡(luò)、云平臺等。本文探討如何應(yīng)用這些尖端科技，進(jìn)行從先進(jìn)核電廠工程仿真器往上提升成為數(shù)字核電廠之初期規(guī)劃與發(fā)展方向。

建模技術(shù)；仿真技術(shù)；先進(jìn)工程仿真器；工業(yè)4．0；中國制造2025；數(shù)字核電廠

現(xiàn)在幾乎所有核電廠都使用仿真器進(jìn)行操作員培訓(xùn)。近來工程仿真器也被用于協(xié)助核電廠設(shè)計和工程。最近幾年隨著科技的發(fā)展為了使核電廠的建模和仿真能夠更準(zhǔn)確、可靠，數(shù)字核電廠的研發(fā)開始啟動。先進(jìn)核電廠仿真器平臺是成熟的商業(yè)產(chǎn)品而數(shù)字核電廠則仍是在研究發(fā)展中，它們的共同點是都是以建模和仿真技術(shù)來表現(xiàn)一個核電廠。建模技術(shù)（Modeling）就是開發(fā)以數(shù)學(xué)方程式和邏輯控制方程式來表示核電廠的行為和反應(yīng)，例如：開發(fā)以質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒偏微分方程式來表示水和水蒸氣在反應(yīng)堆芯的行為和反應(yīng)。仿真技術(shù)（Simulation）就是以數(shù)值分析方法，例如有限差方法或有限元方法來解答上述表示核電廠行為和反應(yīng)的方程式，并寫成計算器語言，使用計算器取得數(shù)值答案。

在建模和仿真的過程中都會有不確定性，包括認(rèn)知的不確定性和偶然的不確定性。認(rèn)知的不確定性是一種系統(tǒng)的不確定性，是因為我們對事物了解的不足，例如我們在建模時我們的模型忽略了某些效果，又例如我們使用的某些數(shù)據(jù)因為知識貧乏而不夠準(zhǔn)確。偶然的不確定性是一種統(tǒng)計的不確定性，是自然界中的隨機(jī)現(xiàn)象，例如同一實驗做兩次同一測量結(jié)果不會完全相同，最基本會存在一點噪聲產(chǎn)生的差異。因此在數(shù)字反應(yīng)堆和數(shù)字核電廠的研發(fā)中不確定性的量化是一項重要項目。

先進(jìn)核電廠仿真器平臺是成熟的商業(yè)產(chǎn)品，提供這種產(chǎn)品的主要歐美公司包括：美國WSC公司的3KeyMaster平臺［1］、加拿大L3－MAPPS公司的 Orchid?平臺［2］、美國GSE公司的JADETM平臺［3］。而執(zhí)行數(shù)字反應(yīng)堆核電廠平臺研發(fā)的歐美研發(fā)計劃包括：以美國ORNL國家實驗室主導(dǎo)的CASL計劃的VERA平臺［4］、美國INL國家實驗室主導(dǎo)的NEAMS計劃的 MOOSE平臺［5］、歐洲NURESIM計劃的SALOME平臺［6］。數(shù)字反應(yīng)堆再進(jìn)一步便成為數(shù)字核電廠。

進(jìn)入21世紀(jì)后各種尖端科技進(jìn)展很快，例如：高性能計算能力、超高速網(wǎng)絡(luò)、云平臺等，中國和歐美都在思考如何把這些尖端科技有效地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)上，幫助生產(chǎn)力更上一層樓，帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。故而有工業(yè)4．0［7］和中國制造2025［8］等計劃，核能工業(yè)是中國工業(yè)中重要的一環(huán)，因此數(shù)字核電廠的研發(fā)也需要把這些尖端科技的有效應(yīng)用考慮進(jìn)去。

1 核電廠仿真器和數(shù)字核電廠介紹

在20世紀(jì)70年初期以計算器為基礎(chǔ)的控制室核能仿真器開始被應(yīng)用，但一直到1979年在三哩島 （Three Mile Island，TMI）意外發(fā)生前后，全世界核能產(chǎn)業(yè)使用核電廠控制室核能仿真器的數(shù)量并不多，而受限于當(dāng)時計算器的計算能力，當(dāng)時核能界應(yīng)用的仿真器普遍存在以下的問題：

1）其控制室面板的布局和設(shè)計和被模擬的核電廠并不完全相同。

2）那些仿真器使用的核電廠中子分布和熱工水力模型并不足夠反映核電廠的真實狀況，例如中子計算一般采用反應(yīng)堆點動力學(xué)模型，而熱工水力一般采用均質(zhì)模型。

3）由于設(shè)計上和實際核電廠的差異，核電廠的實際操作程序一般不能使用在這些仿真器上，因此操作員用來培訓(xùn)的程序和核電廠使用的程序并不完全一致。

在20世紀(jì)80年代汲取了過去多年核電廠運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，核能產(chǎn)業(yè)重新再詳細(xì)評估核電廠人員特別是控制室人員的培訓(xùn)是否足夠，因此一些國家的核能產(chǎn)業(yè)針對控制室人員仿真器培訓(xùn)建立更嚴(yán)格的要求，而且對核能仿真器的研發(fā)更為重視。

在20世紀(jì)90年代開始把較能反映真正核心狀態(tài)的軟件應(yīng)用在仿真器上，這包括把三維多群組（2或4群組）中子擴(kuò)散理論軟件應(yīng)用在核心中子分布的實時模擬，以及把用作脫機(jī)瞬態(tài)和意外分析軟件應(yīng)用在核心熱工水力的實時模擬。

2000年后把三維多群組中子擴(kuò)散理論軟件和脫機(jī)瞬態(tài)和意外分析軟件應(yīng)用到實時模擬技術(shù)已經(jīng)成熟，而且實際應(yīng)用到新建核電廠的全范圍仿真器，例如：

1）福建寧德核電全范圍模擬機(jī)，堆芯中子分布的模擬采用三維少群組NESTLE軟件，堆芯熱工水力的實時模擬采用RELAP5軟件［9］。

2）臺灣龍門核電全范圍模擬機(jī)堆芯中子分布的模擬采用三維少群組NEMO軟件，堆芯熱工水力的實時模擬采用TRACS軟件［10］。

此外先進(jìn)工程仿真器也開始被應(yīng)用到新一代核電廠的設(shè)計開發(fā)和設(shè)計驗證上，并取得一定程度的效果，例如臺灣龍門核電廠數(shù)字系統(tǒng)驗證［11］和美國泰拉公司的行波堆工程仿真器［12］。

同時歐洲和美國都開始更為注重先進(jìn)建模與仿真的研究和發(fā)展而組織了一系列的會議和啟動了數(shù)字反應(yīng)堆研發(fā)計劃。所謂數(shù)字反應(yīng)堆基本上就是用先進(jìn)的建模和仿真科技執(zhí)行堆芯的仿真計算。

歐洲啟動了CRISSUE－S計劃 （CRISSUE－S Critical Issues in Nuclear Reactor Technology：A State－of－the Art Report），它的意思就是核反應(yīng)堆技術(shù)中的關(guān)鍵問題：一份尖端技術(shù)的報告。CRISSUE－S這項活動的主要討論項目是三維中子動力學(xué)和系統(tǒng)熱工水力學(xué)之間的相互作用。CRISSUE－S在2002年至2003年總共開了6次會議，于2004年發(fā)表了CRISSUE－S總結(jié)報告［13］。對核心中子計算和熱工水力計算的建模和仿真產(chǎn)生了一定的影響。

此外歐洲在2000年啟動了EUROFASTNET 計劃［14］，EUROpean project for Future Advances in Sciences and Technology for Nuclear Engineering Thermal－Hydraulics，它的意思就是歐洲核工程熱工水力學(xué)未來發(fā)展科學(xué)與技術(shù)計劃。EUROFASTNET計劃的目標(biāo)是開發(fā)新的計算機(jī)模型和開展新的實驗使得反應(yīng)堆熱工水力的物理描述能夠更詳細(xì)和更準(zhǔn)確，EUROFASTNET項目計劃于2003年結(jié)束。

經(jīng)過EUROFASTNET計劃的醞釀，歐洲各國于2005年建立了長期的先進(jìn)建模與仿真的研發(fā)計劃 NURESIM／NURISP／NURENEXT［15］。

美國對先進(jìn)建模和仿真科技在核能發(fā)展上的重視在前美國能源部部長朱棣文先生 （Steve Chu）2010年3月在華爾街日報發(fā)表以下針對美國核能業(yè)的談話再度得到證實［16］。

“正如先進(jìn)計算器模仿革命化了飛機(jī)的設(shè)計……我們將應(yīng)用建模和仿真技術(shù)加速核能的研究和發(fā)展。科學(xué)家和工程師可以站立在一臺虛擬反應(yīng)堆的中心，觀察水在核心的流程、核燃料的效能，甚至反應(yīng)堆在不同操作條件下的反應(yīng)。要達(dá)到這潛力，我們將建立一個新的研究中心叫 ‘核能建模和仿真中心’，集中我們國家一些最好的頭腦在這中心工作?！?/p>

在2009年至2010年間美國先后啟動了兩個先進(jìn)建模和仿真的科研計劃，一個叫NEAMS，另一個叫CASL。

NEAMS （Nuclear Energy Advanced Modeling and Simulation），它的意思就是核能先進(jìn)建模和仿真計劃。NEAMS的著重點是新一代反應(yīng)堆的研究開發(fā)和設(shè)計。

CASL （Consortium for Advanced Simulations of Light Water Reactors），它的意思就是輕水反應(yīng)堆先進(jìn)建模和仿真集團(tuán)。CASL的著重點是解決正在運(yùn)轉(zhuǎn)的反應(yīng)堆在延長使用壽命和功率提升所碰到的問題。

我們這里所說的數(shù)字核電廠和數(shù)字反應(yīng)堆的差異在于數(shù)字核電廠包括下列附加功能為數(shù)字反應(yīng)堆所沒有：

1）廠區(qū) （BOP，Balance of Plant）系統(tǒng)的建模和仿真。

2）數(shù)字控制和儀器儀表 （DC＆I，Digital Control and Instrumentation） 系 統(tǒng) 的 建 模 和仿真。

3）仿真功能，例如：工況 （IC）、重置（RESET）、運(yùn)行 （RUN）、停止 （STOP）、凍結(jié) （FREEZE）、 快 照 （SNAP）、 自 動 重 演（AUTO REPLAY）、故障 （Malfunction）、劇本 （Scenario）、回溯 （BACKTRACK）、步進(jìn)（STEP）等功能。

2 數(shù)字核電廠平臺特點

數(shù)字核電廠包含以下主要特點：

1）使用多種物理緊密偶合，例如在執(zhí)行核心中子計算和核心熱工水力計算時在同一時間步長互相傳送數(shù)據(jù)，因此在同一時間步長內(nèi)各自數(shù)據(jù)的變化馬上會影響對方的計算。

2）使用多層尺度計算，例如在執(zhí)行核燃料性能分析計算時所使用的材料特性是透過小尺度計算程序產(chǎn)生再送給大尺度計算程序執(zhí)行核燃料性能分析。又例如在執(zhí)行核心熱工水力計算時會結(jié)合子信道和系統(tǒng)程序。

3）使用高速計算器并采用并行計算以增加計算能力。

4）使用先進(jìn)運(yùn)算方法，在解矩陣方程時因為要解非常龐大的矩陣因此需要使用先進(jìn)的求解庫，例如Trilinos、PETSc。

5）使用先進(jìn)計算器程序語言，例如C、C＋＋、Java，以方便維護(hù)、擴(kuò)充。

6）應(yīng)用現(xiàn)有的最先進(jìn)物理程序，例如中子計算采用多群組傳輸理論程序，熱工水力計算采用子信道程序，甚至是CFD程序。

7）執(zhí)行不確定性量化。

8）包含廠區(qū) （BOP，Balance of Plant）系統(tǒng)的建模和仿真①數(shù)字反應(yīng)堆不包含這些功能。。

9）包含數(shù)字控制和儀器儀表 （DC＆I，Digital Control and Instrumentation）系統(tǒng)的建模和仿真①。

10）包含仿真功能①。

3 近代和數(shù)字核電廠相關(guān)的先進(jìn)計算機(jī)和數(shù)字科學(xué)科技的發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)以來很多方面的科學(xué)和科技都突飛猛進(jìn)，數(shù)字核電廠是屬于21世紀(jì)的核能技術(shù)應(yīng)盡量使用21世紀(jì)的科學(xué)和技術(shù)，本章將介紹一些和數(shù)字核電廠相關(guān)的先進(jìn)計算機(jī)和數(shù)字科學(xué)科技。

3．1 高性能計算能力 （High Performance Computing Capability）

從20世紀(jì)末期開始高性能計算能力繼續(xù)快速增長，而同時，高性能計算能力的成本則迅速下降。例如圖1［17］所示單從2000年到2010年計算能力從約1012FLOPS（FLoating Point Operations Per Second， 每 秒 浮 點 運(yùn) 算 ）增進(jìn)至約1015FLOPS，增長約1 000倍，就是說2 000年時需24h的計算，到2010年時只需不到2min。而同時期計算成本則下降了約350倍，如表1［18］所示。由于高性能計算能力的快速增長，建模和仿真可以做到比過去更精細(xì)、準(zhǔn)確。

圖1 高性能計算機(jī)計算性能增長的時間歷程Fig．1 Time history of computation performance of leading edge computers

表1 每單位GFLOP的處理器成本的時間歷史Table 1 Time history of processor cost per unit GFLOP of performance

3．2 超高速網(wǎng)絡(luò) （Super High Speed Network）

同時期高速網(wǎng)絡(luò)之發(fā)展也非常驚人［19］，如圖1所示從1995年的100Mb／s的Fast Ethernet，到 2000年的 10Gb／s的 Gigabit Ethernet，到2010年已經(jīng)相當(dāng)普遍的40Gb／s網(wǎng)絡(luò)，到2017年已經(jīng)有1Tb／s網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。超高速網(wǎng)絡(luò)之發(fā)展讓建模和仿真增加彈性，不需局限于單一計算機(jī)，可以用多臺計算機(jī)各自執(zhí)行不同計算，然后透過高速網(wǎng)絡(luò)相互傳輸數(shù)據(jù)。

3．3 商品集群 （Commodity Clustering）

商品集群［20］就是利用高速網(wǎng)絡(luò)整合大量在一般商店就能采購到的計算組件用于并行計算，其效果就是以低成本獲得處理和儲存龐大數(shù)據(jù)。過去如果要處理和儲存龐大數(shù)據(jù)要使用價格昂貴的超級電腦，自從商品集群出現(xiàn)后處理和儲存龐大數(shù)據(jù)的成本大為降低，現(xiàn)在商品集群已經(jīng)廣被應(yīng)用，商品集群之優(yōu)點包括。

圖2 高速網(wǎng)絡(luò)傳輸速度增長的時間歷程Fig．2 Time history of high speed network performance

1）成本低。

2）可以彈性使用，容易擴(kuò)充。

使用商品集群時應(yīng)注意的地方包括：

1）要能夠符合用戶的性能要求，例如數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸速度等。

2）要能夠持續(xù)不斷的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3）有容錯能力，不能因為部分組件故障而做成整個集群停機(jī)。

商品集群之應(yīng)用包括：內(nèi)存集群、數(shù)據(jù)庫集群。商品集群的操作系統(tǒng)一般采用Linux，因此也被稱為Linux集群。

3．4 工業(yè)4．0、中國制造2025

工業(yè)4．0和中國制造2025都是應(yīng)用現(xiàn)在最先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)投入到工廠的營運(yùn)再進(jìn)一步建造智能工廠，提升工業(yè)生產(chǎn)力，工業(yè)4．0的設(shè)計觀念包括：

（1）互操作性

能夠彼此連接和通信的機(jī)器，設(shè)備，傳感器和人員。

（2）信息透明度

通過使用傳感器數(shù)據(jù)豐富數(shù)字化工廠模型，信息系統(tǒng)能夠創(chuàng)建物理世界的虛擬副本，提升原始傳感器數(shù)據(jù)和物理模型聚合產(chǎn)生更高價值的全面信息。

（3）技術(shù)援助

系統(tǒng)提供支持人員決策和解決問題的能力，以及協(xié)助人員對過于困難或不安全的任務(wù)的執(zhí)行能力。

（4）分散決策的能力

網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)自己做出簡單決策并盡可能自主執(zhí)行任務(wù)的能力。

工業(yè)4．0、中國制造2025和數(shù)字核電廠相關(guān)的主要科技包括：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自主控制。

3．4．1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) （Industrial Internet）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)［21］是互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展把互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在工業(yè)上的技術(shù)，是工業(yè)4．0的基礎(chǔ)技術(shù)，其上層架構(gòu)如圖3所示。

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上層架構(gòu)Fig．3 Industrial internet top level structure

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心計算一般是部署在工業(yè)云，但是如果是基于網(wǎng)絡(luò)安全考慮也可以部署在內(nèi)部服務(wù)器。

3．4．2 大數(shù)據(jù) （Big Data）

隨著高性能計算能力、超高速網(wǎng)絡(luò)、商品集群、互聯(lián)網(wǎng)等科技的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來越廣泛因此大數(shù)據(jù)的研究也越來越深入，在現(xiàn)代工商業(yè)大數(shù)據(jù)的角色越來越重要，大數(shù)據(jù)可以幫助識別商機(jī)、改善生產(chǎn)流程、提升效率和效能等等。

大數(shù)據(jù)［22］的特性包括：

1）數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大 （Volume），不是一般單機(jī)計算器所能儲存、處理。

2）數(shù)據(jù)的種類繁多 （Variety），除了包括過去常見的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)外，現(xiàn)在因為互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用因此還包括非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，例如圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)等。

3）數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度以及結(jié)果響應(yīng)的速度都比過去的要求快很多 （Velocity），過去的數(shù)據(jù)處理基本上是批次作業(yè)，但是為了符合互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求大數(shù)據(jù)的處理需要是在線的、實時的，而且是連續(xù)不斷的。

4）數(shù)據(jù)的來源必須可靠，數(shù)據(jù)必須是有效而且正確的 （Veracity）。

大數(shù)據(jù)的應(yīng)用一般來說有效的數(shù)據(jù)量越大分析出來的結(jié)果越正確有用，數(shù)字核電廠就是一個虛擬核電廠，尤其是經(jīng)過驗證與確認(rèn)的數(shù)字核電廠所產(chǎn)生的虛擬數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)實際核電廠數(shù)據(jù)的不足，例如實際核電廠傳感器的數(shù)量有限，很多地方?jīng)]有傳感器的數(shù)據(jù)，又例如實際核電廠一般都是正常運(yùn)轉(zhuǎn)，非正常運(yùn)轉(zhuǎn)和事故運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)非常不足甚至很可能沒有，數(shù)字核電廠所產(chǎn)生的大量虛擬數(shù)據(jù)將是一個這類數(shù)據(jù)非常好的來源。

3．4．3 機(jī)器學(xué)習(xí) （Machine Learning）

Tom M．Mitchell在1997年提出了一個廣泛被引用的機(jī)器學(xué)習(xí)的定義［23］：

“一個計算器程序被認(rèn)為能夠從某種類別的任務(wù)T和性能度量P中學(xué)習(xí)經(jīng)驗E，就是如果其在T中的表現(xiàn)，依據(jù)P所測量，會隨經(jīng)驗E而改善?！?/p>

機(jī)器學(xué)習(xí)的一個廣泛而有代表性的描述是從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)以提高性能或做出準(zhǔn)確預(yù)測的計算方法。一些常被使用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括線性和非線性回歸、判定樹、隨機(jī)森林、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量網(wǎng)絡(luò)等。這些機(jī)器學(xué)習(xí)模型一般是通過在模型中利用大量現(xiàn)有數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，直到找到足夠的模式和規(guī)律能夠?qū)@些數(shù)據(jù)的內(nèi)涵做出準(zhǔn)確的判斷。然后利用經(jīng)過學(xué)習(xí)的模式和規(guī)律用于評定新的數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)測。

成功的機(jī)器學(xué)習(xí)其先決條件是必須要有大量完整的數(shù)據(jù)，數(shù)字核電廠所提供的大量虛擬數(shù)據(jù)將對機(jī)器學(xué)習(xí)有很大的幫助。機(jī)器學(xué)習(xí)的驚人之處是這是一個不斷向上的學(xué)習(xí)過程，它會隨著經(jīng)驗的累積而不斷改善、不斷進(jìn)步、不斷提升。

3．4．4 自主控制 （Autonomous Control）

現(xiàn)在一般傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)［24］的設(shè)計首先要建立被控制物理系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，然后在動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上應(yīng)用控制設(shè)計技術(shù)來設(shè)計適當(dāng)控制器的控制算法。再通過可編程邏輯控制器 （PLC）或分布式控制系統(tǒng) （DCS）來實現(xiàn)控制器，并用于控制該物理系統(tǒng)。自動控制器的設(shè)計目的是為滿足圍繞操作設(shè)定點的規(guī)范，然后通過調(diào)度器產(chǎn)生可以在整個操作范圍內(nèi)完成控制目標(biāo)的控制器。但自動控制的控制器只能依據(jù)固定的數(shù)學(xué)模型執(zhí)行，沒有自適應(yīng)的能力。

自主控制是自動控制的往上提升，自主控制器具有獨立運(yùn)行和持續(xù)改進(jìn)的能力，他們可以在長時間不經(jīng)外部干預(yù)的情況下執(zhí)行必要的功能。自主控制器可以處理意外的情況，新的控制任務(wù)，并可以容錯、顯示故障以及從故障中恢復(fù)［25］。

自主控制器的一些重要特征包括：它們可以緩解操作員一些耗費(fèi)時間的任務(wù)，從而提高效率。此外因為它們可以監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況，提高性能，保護(hù)系統(tǒng)免受內(nèi)部故障的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。以及他們在完成復(fù)雜任務(wù)方面的表現(xiàn)比人更可靠，更有一貫性。

自主控制器過去應(yīng)用實例例如無人航天飛行器、深水探險器。在核能應(yīng)用上自主控制能夠幫助操作員在正常狀況執(zhí)行高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)，在突發(fā)和緊急狀況幫助操作員作出正確的判斷及時反應(yīng)執(zhí)行安全地運(yùn)轉(zhuǎn)。自主控制尤其適合用在偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型核電站或水上核電站，只需少數(shù)操作員便可以維持核電站的高效率和安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

數(shù)字核電廠將是一個設(shè)計和驗證核電廠自主控制器的強(qiáng)大工具。

4 數(shù)字核電廠的發(fā)展方向

4．1 數(shù)字核電廠的發(fā)展目標(biāo)

數(shù)字核電廠的發(fā)展目標(biāo)包括：

1）支撐中國核電廠工程的分析、設(shè)計、測試、驗證、研發(fā)以及教育訓(xùn)練。

2）有效利用先進(jìn)建模和仿真技術(shù)以及先進(jìn)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)在核能領(lǐng)域，包括工業(yè)4．0和中國制造2025技術(shù)，讓中國核電廠的設(shè)計和營運(yùn)能更上一層樓，達(dá)到并超越世界最先進(jìn)工業(yè)水平。

4．2 數(shù)字核電廠的發(fā)展方向

數(shù)字核電廠的發(fā)展方向?qū)⒖嫉?章所描述的先進(jìn)計算機(jī)和數(shù)字科技，其特點包括：

1）以網(wǎng)絡(luò)為設(shè)計基礎(chǔ)，把傳統(tǒng)仿真器平臺單機(jī)作業(yè)改為分布式多機(jī)作業(yè)。數(shù)字核電廠的效率和有效性將會隨著高速網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而不斷提升。

2）把整個架構(gòu)分為集成／管理階層和計算軟件／人機(jī)接口／顯示軟件階層兩大部分。

3）集成／管理階層分為三大部分：指令服務(wù)器、內(nèi)存集群、數(shù)據(jù)庫集群。

4）指令服務(wù)器負(fù)責(zé)發(fā)出指令控制其他計算器的操作，包括：

① 啟動／卸除控制，啟動／卸除各個計算器的執(zhí)行程序；

② 順序控制，控制各個計算器執(zhí)行的先后順序；

③ 實時／非實時控制，控制各個計算器執(zhí)行的時間在實時或非實時模式；

④ 模擬運(yùn)行環(huán)境，例如：運(yùn)行、暫停／凍結(jié)、快照、回溯、步進(jìn)。

5）內(nèi)存集群負(fù)責(zé)存放計算軟件階層各種計算器的內(nèi)存，方便整個平臺的共同使用，內(nèi)存集群的優(yōu)點是能夠有效處理龐大的內(nèi)存數(shù)據(jù)量，方便擴(kuò)充，不會影響整個架構(gòu)，適合分布式設(shè)計。

6）數(shù)據(jù)庫集群是一個數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫能夠儲存、處理各式各樣的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括數(shù)字核電廠產(chǎn)生的大量虛擬數(shù)據(jù)、從實際核電廠取得的大量傳感器數(shù)據(jù)、實際核電廠的大量設(shè)計數(shù)據(jù)等等。數(shù)據(jù)庫集群的優(yōu)點是能夠有效處理龐大的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量，方便擴(kuò)充，不會影響整個架構(gòu)，適合分布式設(shè)計。

7）計算軟件階層包含各種計算器和顯示服務(wù)器。

8）各種計算模塊包括：堆芯物理計算、熱工水力計算、儀控計算、廠區(qū)系統(tǒng)和組件計算等，其優(yōu)點是任何一套物理計算系統(tǒng)包括軟件、硬件均可被取代而不影響整個架構(gòu)。

9）人機(jī)接口是用戶操控數(shù)字核電廠的管道，透過人機(jī)接口用戶可以下指令給指令服務(wù)器控制其他計算器的操作。

10）顯示服務(wù)器負(fù)責(zé)二維、三維動態(tài)顯示以及趨勢圖顯示，分開成為獨立系統(tǒng)，方便可以隨時更換不同的顯示軟件，不會影響整個架構(gòu)。

4．3 數(shù)字核電廠的上層架構(gòu)

數(shù)字核電廠的上層架構(gòu)將參考第3．4．1節(jié)所介紹的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，如圖4所示，但基于網(wǎng)絡(luò)安全的考慮，因此將采用內(nèi)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而非互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

圖4 數(shù)字核電廠上層架構(gòu)Fig．4 Digital nuclear power plant top level structure

數(shù)字核電廠的集群、服務(wù)器和計算模塊都是透過超高速網(wǎng)絡(luò)相互傳輸數(shù)據(jù)，視整體性能和速度的需要集群、服務(wù)器和計算模塊不需要在同一個地方，可以彈性分散不同地方。

此外實際核電廠的實時傳感器數(shù)據(jù)可以透過傳感器接口傳送至數(shù)字核電廠和數(shù)字核電廠和數(shù)字核電廠計算數(shù)據(jù)集成然后應(yīng)用，例如用于數(shù)字核電廠的驗證與確認(rèn)、用于數(shù)字核電廠的不確定性量化、用于核電廠設(shè)計改善的優(yōu)化等。

5 數(shù)字核電廠的應(yīng)用趨勢

在實際核電廠設(shè)計和建造過程中數(shù)字核電廠可以扮演重要角色讓核電廠的設(shè)計和建造更為順利，減少錯誤，提高效率，數(shù)字核電廠的任務(wù)將包括：

1）執(zhí)行設(shè)計驗證，不確定性以及靈敏度分析，完善頂層設(shè)計。

2）執(zhí)行安全分析并優(yōu)化安全余量。

3）在許多不同情況下產(chǎn)生大量虛擬核電廠數(shù)據(jù)，以更好地了解新核電廠的行為，再進(jìn)一步優(yōu)化新核電廠的設(shè)計和運(yùn)行。

4）利用數(shù)字核電廠產(chǎn)生虛擬大數(shù)據(jù)，開發(fā)實際核電廠專屬的人工智能數(shù)據(jù)庫與訓(xùn)練模組。

當(dāng)實際核電廠運(yùn)行時，數(shù)字核電廠將與實際核電廠同步運(yùn)行，持續(xù)不斷收集實際核電廠數(shù)據(jù)，并使用傳感器的測量數(shù)據(jù)驗證、確認(rèn)和校準(zhǔn)數(shù)字核電廠所產(chǎn)生的計算數(shù)據(jù)，并將：

1）使用數(shù)字核電廠更好地了解實際核電廠的行為，特別是在傳感器不可用的地方，并協(xié)助實際核電廠操作員更有效和安全地操作實際核電廠。

2）使用數(shù)字核電廠在正常、非正常、尤其是緊急狀況準(zhǔn)確預(yù)知未來發(fā)展趨勢，因而幫助規(guī)劃更好的應(yīng)對措施。

3）使用數(shù)字核電廠結(jié)合大數(shù)據(jù)庫和機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展下一代核電廠自主控制技術(shù)。

6 總結(jié)

先進(jìn)核電廠仿真器是20世紀(jì)的產(chǎn)物，從1980年代開始經(jīng)過二三十年的發(fā)展已經(jīng)成為成熟的商業(yè)產(chǎn)品，在核電廠的全范圍仿真器和工程仿真器被廣泛應(yīng)用，在核電廠操作員的訓(xùn)練和數(shù)字儀控系統(tǒng)的設(shè)計以及驗證和確認(rèn)起了很大的作用。

20世紀(jì)末21世紀(jì)初時核能工業(yè)面臨兩個主要問題，即：

1）在運(yùn)轉(zhuǎn)中的核電廠的壽命延長和功率提升。

2）新一代 （即第4代）核電廠的研發(fā)。

為了回應(yīng)上述兩個問題美國和歐洲都啟動了數(shù)字反應(yīng)堆的研發(fā)，基本上是加入最先進(jìn)的建模和仿真科技，數(shù)字反應(yīng)堆再進(jìn)一步加上廠區(qū)系統(tǒng)建模和仿真、數(shù)字控制和儀器儀表系統(tǒng)建模和仿真以及仿真功能便成為數(shù)字核電廠。

進(jìn)入21世紀(jì)后計算機(jī)和數(shù)字科學(xué)有著爆炸性的發(fā)展，例如：超高速網(wǎng)絡(luò)、商品集群、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自主控制等。中國制造2025是應(yīng)用上述最先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)投入到工廠的營運(yùn)，提升工業(yè)生產(chǎn)力，幫助中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。核能工業(yè)是中國工業(yè)非常重要的一環(huán)，數(shù)字核電廠則是中國核能工業(yè)發(fā)展非常強(qiáng)大的工具，數(shù)字核電廠的研發(fā)和設(shè)計將配合中國制造2025的推動，投入這些最先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，這樣做有兩層意義，一方面是透過使用這些最先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)讓數(shù)字核電廠的功能和性能發(fā)生質(zhì)的變化，產(chǎn)生質(zhì)的跳躍提升。另一方面是數(shù)字核電廠的研發(fā)和設(shè)計將提供中國制造2025寶貴的經(jīng)驗，和其他工業(yè)產(chǎn)生良性互動，幫助這個尤關(guān)中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國家重點計劃更有把握達(dá)成目標(biāo)。

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From Advanced Nuclear Plant Simulator to Digital Nuclear Power Plant，Status and Development Direction

WONG Kin－wah1，GUO Tian－jue2
（1．School of Energy Research，Xiamen University，Xiamen，F(xiàn)ujian Prov．，China 361005；2．Worldsec Group，Hong Kong，China）

Entering into the 21st century a variety of cutting－edge technologies progress quickly，such as：high－performance computing power，ultra－h(huán)igh－speed network，cloud platform，etc．This paper explores development direction and provides preliminary planning on how to use these cutting－edge technologies to advance from state of the art nuclear power plant engineering simulator to digital nuclear power plant．

modeling；simulation；state of the art engineering simulator；industry 4．0；made in China 2025；digital nuclear power plant

TM623 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0306－10

TM623

A

1674－1617 （2017）03－0306－10

10．12058／zghd．2017．03．306

2017－08－15

黃建華 （1946—），男，廣東人，核能工程專業(yè)，臺灣公元首席科學(xué)家，美國斯坦福大學(xué)物理學(xué)學(xué)士、美國加州大學(xué)洛杉磯分校 （UCLA）核工博士，研究方向為仿真器、數(shù)字核電廠。

（責(zé)任編輯：韓霞）