基于數字孿生的TMSR-SF0數據監(jiān)控與可視化方案

劉文倩 韓利峰 黃 麗 楊崢翰

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

在新時代“互聯網+”背景下，以互聯網為中心的數字化監(jiān)測管理已成為核工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，其中可進行交互訪問的數字孿生系統(tǒng)也將成為產業(yè)發(fā)展新的挑戰(zhàn)。數字孿生是根據現實世界中的模型與數據，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實體裝備全生命周期過程的數字化技術［1］。隨著互聯網、大數據等新興信息技術的成熟，諸多產業(yè)都嘗試將數字孿生技術引入其領域，通過傳感器采集設備的工作狀態(tài)，結合建模分析、大數據及人工智能技術，實現相對應實體裝備的狀態(tài)評估、故障診斷及未來趨勢預測，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。數據作為運行管理的重要指標，對數據的合理采集及分析加工過程是實現智能決策和控制的重要步驟，在此基礎上開發(fā)數據通信接口，進一步建設數字化、高效化的實時監(jiān)控系統(tǒng)成為了各產業(yè)發(fā)展的新動力。

基于以上背景，本文以數字孿生技術為支撐，研究了基于三維圖形技術的熔鹽堆反應裝置三維可視化建模，并實現在Unity三維引擎的模型對接與虛擬場景渲染；其次，構建實驗物理與工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）后端服務器與Node.js中轉服務器，基于Node-EPICS事件驅動結合Socket.io套接字完成實時數據接口開發(fā)，實現數字孿生系統(tǒng)對現場反應堆數據更新事件的監(jiān)聽；最后，基于XCharts可視化框架提出集中顯示實時數據的可視化方法，保證數據的可解釋性，便于對數據的實時分析。

1 數字孿生技術在核能領域的應用

目前國外方面，美國能源部先進能源研究計劃署（Advanced Research Projects Agency-Energy，ARPA-E）于2021年5月宣布，將于“核能發(fā)電智能管理（Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets，GEMINA）”主題框架下出資2 700萬美元支持9個數字孿生項目的研發(fā)［2］，9個項目涉及4種 堆 型：BWRX-300、HTGR（High Temperature Gas-cooled Reactor）、FHR（Fluoride-salt-cooled Hightemperature Reactor）和 MSR（Molten Salt Reactor）［3］。這些項目的目標在于使下一代核電站的運行和維護成本降低為原來的10%，通過開發(fā)核電站或反應堆關鍵部件的數字孿生，將其與故障檢測技術、人工智能等先進技術相結合，以實現對反應堆系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)控、預警、診斷和預測，進一步開發(fā)人工智能框架，用于在算法無法識別某事件的情況下，保證核電站在默認安全作業(yè)模式繼續(xù)運行。

2020年9月，法國啟動數字反應堆建設項目，目的在于對法國所有核電機組進行數字化方式克隆，這些數字孿生堆將作為新一代操作人員的培訓模擬器和工程研究的模擬環(huán)境。該項目將數字孿生技術與核能相關技術相結合，利用創(chuàng)新工藝方便了操作人員對核能裝置的基礎知識學習與運維技術掌握。

國內方面，劉明明等［4］利用數字孿生實現核反應堆的初期效果展示及人因分析；胡夢巖等［5］探究了數字孿生在先進核能領域中的關鍵技術與應用前瞻；王愷等［6］將數字孿生技術與核儀控DCS（Distributed Control System）領域內的應用需求相結合，闡述了基于數字孿生的核儀控產品從設計到生產制造階段的關鍵技術；潘保林等［7］研究了數字孿生核電站的應用模式和架構，并闡述了實現數字孿生核電站需要突破的一些關鍵技術。由此可見，將數字孿生技術等新興信息技術應用于核電領域已成為產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，但國內外技術仍處于初級階段，如何在實時監(jiān)聽數據的基礎上建立多尺度融合的高效物理仿真系統(tǒng)，成為了亟待解決的關鍵問題。

本項目基于的釷基熔鹽堆核能項目（Thorium Molten Salt Reactor，TMSR）是中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項之一，致力于研發(fā)第四代先進裂變反應堆核能系統(tǒng)［8?9］，解決熔鹽堆關鍵技術挑戰(zhàn)，實現核燃料長期穩(wěn)定供應、防核擴散和核廢料最小化等戰(zhàn)略目標。其包括的釷基熔鹽固態(tài)仿真堆TMSRSF0［10］項目的監(jiān)控系統(tǒng)計劃在物理與數字電廠之間實現協(xié)同實時交互，以BIM（Building Information Modeling）模型為數據載體，以設備、傳感器、物聯網為手段，創(chuàng)建更加精確、全面的數字孿生模型，并聚焦數字化設計，構建TMSR“智慧核腦”，形成對核反應堆的全方位集成化、精細化管理，提高項目監(jiān)管能力，保證和提高核電經濟性和安全性。

數字孿生系統(tǒng)構建架構如圖1所示，其中數字孿生系統(tǒng)架構主要包含三個部分：現實物理域、數字孿生體和用戶域。其中現實物理域的設備信息由各傳感器、PLC等采集，然后經過數據交互層傳輸到邏輯控制軟件中進行仿真計算進一步構建數字孿生體，最后發(fā)布到前端展示界面供用戶域操作。本文側重于數據交互層與邏輯控制層的技術開發(fā)。邏輯控制層基于Unity開發(fā)，Unity是一個整合了圖像、音頻、物理引擎、人機交互及網絡技術的跨平臺三維引擎，支持三維建模軟件如3D Studio Max、SolidWorks的fbx、obj格式的模型文件導入，它借助Mono跨平臺的原理，通過C#語言來實現內部邏輯。數據交互層選用軟件為EPICS［11］，可通過輸入輸出控制器（Input/Output Controller，IOC）實現與數據源設備和Node.js服務器的實時通訊，它支持主流通訊協(xié)議與多種編程語言，其中C#編程語言為打通EPICSUnity的數據交互通道提供了支持。

圖1 數字孿生系統(tǒng)與數據驅動架構Fig.1 Architectureof digital twin systemsand datadriven

2 實時通信接口

2.1 實時PV變量通信接口

圖2 為系統(tǒng)軟件開發(fā)框架，其中EPICS由客戶端OPI、輸入輸出服務器IOC和設備控制層組成，它基于的CA（Channel Access）通信協(xié)議是一個工業(yè)以太網協(xié)議，其通信機制是依賴以太網獲取現場設備實時數據，然后對全體IOC進行廣播，當確定目標IOC后便與其建立點對點連接，實現數據傳輸。EPICS將PV（Process Variable）變量上傳至中轉WebSocket服務器依賴Node-EPICS軟件包，Node-EPICS是EPICS為Node.js開發(fā)平臺提供的一個通道訪問模塊，該模塊通過調用Node-FFI（Foreign Function Interface）實現C代碼和JavaScript代碼之間的類型轉換和內存共享，進一步調用EPICS的libCA動態(tài)鏈接庫函數，以此來實現對EPICS過程變量的get、put、monitor等操作。

圖2 系統(tǒng)軟件開發(fā)框架Fig.2 Development framework of system software

CA協(xié)議的事件回調機制要求當IOC中數據發(fā)生更新時，IOC調用db_post_event函數將新的數值上傳，Node.js服務器通過ca_create_subcription函數對變量更新事件進行訂閱［12］，并通過Socket.emit函數向客戶端傳遞數據，觸發(fā)前端數據顯示面板的數據信息變換。

Unity基于Mono運行時提出了將腳本語言編譯為原生代碼的方式，從而實現了對多種硬件架構和操作平臺的支持，并同時提供了很多方便調用原生代碼的接口，以此來實現其腳本模塊基礎。

本系統(tǒng)利用Socket事件編程完成數據的安全傳輸。WebSocket是建立在TCP（Transmission Control Protocol）上的全雙工通信協(xié)議，僅需一次握手便可實現永久性連接，且數據傳輸時的頭部長度較短，可在節(jié)省服務器資源和帶寬的情況下保證數據的實時交互。Socket套接字實現了對通信協(xié)議的封裝，提供了一組接口便于用戶調用，從而實現數據在應用層和傳輸控制層的實時交互。本文在Unity中利用C#的SocketIOClientDotNet庫實現客戶端與Node.js服務器的Socket響應，這個庫支持js客戶端所做的所有特性，包括事件、選項和傳輸升級，所封裝的IO.Socket（）函數可支持服務器URL（Uniform Resource Locator）地址鏈接，程序開發(fā)時為此函數建立回調機制用于顯示連接狀態(tài)。對于EPICS過程變量的更新采集采用socket.On（）變量讀取函數，將PVname作為函數參數輸入后系統(tǒng)自動監(jiān)聽變量更新，但需數據類型及精度轉換后才可將Data值用于UI（User Interface）組件。

2.2 實時視頻流接口

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在整個系統(tǒng)的設計中承擔監(jiān)視、記錄的功能。通過多個攝像機的實時畫面?zhèn)鬏?，能有效實現對監(jiān)視現場全天候、多方位的監(jiān)視，方便管理人員全局把握生產、工作的進度和狀況，從而更方便快捷地實現人員、物資的調度，提高工作效率。本文基于VLCMedia Player的視頻流庫完成對現場視頻數據通信接口的開發(fā)，只需一個流地址便可實現本地視頻或網絡視頻的播放及控制。圖3為實時視頻流調取開發(fā)流程，讀取現場?？低晹z像頭RTMP（Real Time Messaging Protocol）、RTSP（Real Time Streaming Protocol）視頻流后，將其投影到Material或Texture中間介質上，將此中間介質賦予成放映對象的貼圖屬性，從而完成實時視頻播放功能。

圖3 實時視頻流調取開發(fā)流程Fig.3 Development process for the retrieval of real-time video stream

3 實時數據可視化表達

數據可視化是將采集的數據進行整理，以圖形及圖表形式集中展示，并結合數據分析等技術從而發(fā)現其中未知信息的過程。如圖4所示，本系統(tǒng)將監(jiān)測到的反應堆實時數據進行分類，結合多種數據圖形化表示手段設計熔鹽堆可視化系統(tǒng)界面［13］，對熔鹽堆運行狀態(tài)和工作情況進行可視化展示，以獲得對數據的實時監(jiān)測與分析。

圖4 數據更新響應與圖表設計流程Fig.4 Dataupdateresponseand chart design process

TMSR-SF0運行狀態(tài)指標體系主要包含5個關鍵模塊：運行回路側數據、堆本體數據、空冷數據、高溫熔鹽泵數據、非能動余熱排出數據。根據實際運維要求，對于一些重要變量，使用通用圖元進行展示，將數值以曲線與圖形方式相結合，采用XCharts可視化框架將監(jiān)測數據整合到人機交互界面。XCharts是一個基于UGUI的可定制數據圖表庫，整體框架通過JavaScript構建，圖元底層由純代碼構建，融合HTML、CSS技術實現樣式設計，并設置參數于Scene視圖的可視化配置。

本文實現的核電系統(tǒng)監(jiān)控可視化主要關注了以下類型圖元：

1）數字-文本形式

本文系統(tǒng)對于海量基礎數據的展示，由于canvas容器可用信息空間有限，利用Text與InputField組件結合數字文本形式實現動態(tài)數據更新，實現關鍵指標的監(jiān)控和過程能力的評估以供操作員參考。

2）二維平面圖形

仿真堆堆芯加熱棒狀態(tài)數據是監(jiān)測加熱棒運行狀態(tài)的重要指標，堆芯加熱棒共19根分布于3層區(qū)域，采用RawImage組件根據其實際位置信息構建二維平面圖紙，設置其Color屬性依據數據更新實時渲染，堆芯加熱棒狀態(tài)指數劃分4個等級用于系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示，其中FFFF00表示通信故障、00FF00表示正常運行、FF0000表示狀態(tài)異常、B5B5B5表示設備連接異常。通過顏色變化可幫助操作人員及時掌握反應堆運行情況，確保裝置平穩(wěn)運行。

3）折線圖

在非能動余熱排出系統(tǒng)界面，依賴東西側余排功率數據更新動態(tài)生成折線圖，可反映同一類型數據于一定時間周期內的變化趨勢。XCharts將折線圖封裝為LineChart組件，通過GetComponent方法獲取圖表，并對其進行相關參數配置。在引入監(jiān)聽數據前，需清空圖表原有數據，添加Line系列圖表類型用于接收數據，通過Type指定不同圖表類型。

4）環(huán)形圖

在堆本體數據模塊，堆芯總功率、加熱棒電流數據、進出口溫度及堆芯氣壓等數據通過環(huán)形圖形式展示。Ring圖的實現需先計算出當前值與標準中最小值閾值計算差值，然后計算與極差的占比，將此占比轉化為角度值賦予RadialSlider組件，有利于直觀顯示每組數據相對于總數的大小，并將數據賦予text組件加以直觀顯示。

5）柱狀圖

堆芯孔道溫度、堆容器溫度等以柱狀圖的形式來顯示，此時引入BarChart組件，利用AddData添加圖表數據時采用不同標簽區(qū)分變量，能更直觀地反映均勻性差異，并且通過對比分析有利于判斷異常原因。

4 前端系統(tǒng)展示

基于TMSR-SF0熔鹽堆縮比仿真裝置設計的數據監(jiān)測與可視化系統(tǒng)主要包含4個虛擬場景界面，包括仿真堆本體、高溫循環(huán)泵、非能動余熱排出系統(tǒng)、熔鹽回路系統(tǒng)等，各場景之間通過界面上的提示控件Button進行跳轉切換。

圖5 展示出了仿真堆本體結構組成及重要監(jiān)測數據。其中堆芯結構主要分為堆容器、石墨堆芯、流量分配裝置、控制棒系統(tǒng)、相關功能通道；重要監(jiān)測數據包括堆芯總功率、堆芯加熱棒電流數據及狀態(tài)預警、堆芯進出口溫度、堆芯氣壓、熔鹽液位。仿真堆本體的數字孿生模型采用動畫形式高度模擬了其組裝過程，結合數據面板實時監(jiān)測進出口溫度，掌握熔鹽液位高度及堆芯氣壓，監(jiān)測堆芯加熱棒電流的強弱和異常波動，實現全面直觀的監(jiān)測效果。

圖5 實驗堆堆芯監(jiān)測界面Fig.5 Coremonitoring interfaceof experimental reactor

如圖6所示，高溫循環(huán)泵分為燃料鹽循環(huán)泵和冷卻鹽循環(huán)泵，系統(tǒng)根據軸承溫度、泵罐溫度數據繪制折線圖顯示變化趨勢，根據現場返回的X、Y坐標繪制軸心運動軌跡，并對電機頻率與轉速、覆蓋氣壓、密封氣泄露、冷油流速、屏蔽塞冷卻氣流、液位高度數據繪制環(huán)形圖顯示。

圖6 高溫熔鹽泵監(jiān)測界面Fig.6 Monitoring interface of high temperature molten salt pump

為了限制和緩解事故后果，熔鹽堆設置了非能動余熱排出系統(tǒng)等多種專設安全設施。圖7展示了自然冷卻余排換熱裝置結構及空氣流動路徑，在事故工況下，該系統(tǒng)無需人為動力與外部輸入，便可將堆芯余熱排至大氣中。系統(tǒng)依靠純熱工質溫度差和位差所形成的驅動力克服流動阻力，形成自然循環(huán)，連續(xù)導出堆芯余熱?；谧匀谎h(huán)的非能動余熱排出系統(tǒng)能夠確保在故障情況下燃料的持續(xù)冷卻，是保障核安全的重要部分。

圖7 非能動余排監(jiān)測界面Fig.7 Monitoring interfaceof passiveresidual heat removal

此裝置的三維模型將堆容器做透明處理，著重表達從進口到出口的熔鹽流動情況，設置顏色漸變動畫效果清晰地展示了流經不同部位處熔鹽的溫度差異，通過配置Particle System，利用其粒子運動的變化規(guī)則模擬熔鹽的氣態(tài)流動特效。

如圖8所示，反應堆回路系統(tǒng)包括燃料鹽回路系統(tǒng)和冷卻鹽回路系統(tǒng)，熔鹽通過在燃料鹽回路的循環(huán)流動，將反應堆堆芯產生的熱量通過熔鹽-熔鹽換熱器有效傳遞至冷卻鹽回路［14］。冷卻鹽回路系統(tǒng)主要包括冷卻鹽循環(huán)泵、熔鹽-熔鹽換熱器、熔鹽-空氣換熱器、管路和相關閥門等，熔鹽在此回路通過熔鹽-空氣換熱器將熱量最終傳遞至環(huán)境中或功率轉換系統(tǒng)［15］，實現對熱量的后續(xù)利用。反應堆回路系統(tǒng)的三維數字模型以縱軸為中心進行旋轉展示，可直觀顯示反應堆回路組成與分布，并展示燃料鹽和冷卻鹽介質分別在相應回路系統(tǒng)中的循環(huán)與換熱動作。

圖8 TMSR-SF0熔鹽堆縮比仿真實驗裝置監(jiān)測界面Fig.8 Monitoring interfaceof reduced-scalesimulation experiment deviceof TMSR-SF0

使用此方案構建的數據孿生系統(tǒng)可發(fā)布為適用于不同操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件，無需安裝額外軟件便可進行運行測試。系統(tǒng)界面將三維立體模型與數據面板相結合，具備動畫效果與特效渲染，可直觀反映堆芯部件組裝過程與熔鹽流動情況。UI層結合圖元技術實現板塊化設計，集成基礎數據與視頻數據，系統(tǒng)渲染幀率可依據需求自行設定，Unity幀率步進為20 ms，Update函數中設置對當前幀率對5取余來進行渲染，即渲染周期為每5幀進行一次更新操作，時間周期為100 ms，可利用Statistics窗口與Profiler分析器觀察包括每秒幀率、CPU使用情況和內存數據在內的指標統(tǒng)計，結果表明此方案可在不影響展示效果的前提下節(jié)約計算機資源。

5 結語

目前國內核電領域數字孿生技術的發(fā)展還處于初步階段，仍有許多關鍵技術需要攻克，本文緊密結合TMSR-SF0核反應堆運行維護實況，研究了基于數字孿生技術的反應堆實時監(jiān)測可視化終端，在Unity三維引擎的基礎上，結合三維建模技術以及數據通信技術，實現了核反應設備結構、設備的物理特性在虛擬環(huán)境中的模型構造，并實現對工作狀態(tài)的逼真渲染。在下一階段的工作中，將致力于開發(fā)邏輯控制層的物理仿真模塊，進一步實現與云計算平臺、信息物理融合等多種新興技術的數據對接。

本系統(tǒng)致力于物理世界與虛擬世界之間的實時數據交互接口與可視化手段開發(fā)，能夠有效解決當前核工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)三維數字化程度相對較低的問題，實現狀態(tài)預警與在線監(jiān)測功能。該方案已成功應用于中國科學院TMSR-SF0核工業(yè)設備數據的實時監(jiān)測中，為核反應堆的運行和保護提供了保障，以確保裝置能安全、可靠和經濟地運行，同時也豐富了數字化核電監(jiān)控系統(tǒng)研究內容，為新一代信息技術與核電領域的融合提供了一定參考價值。

作者貢獻聲明劉文倩：醞釀和設計實驗，實施研究，起草文章；韓利峰：對文章的知識性內容作批評性審閱；黃麗：行政、技術或材料支持；楊崢翰：指導，支持性貢獻。