王振霖 何學(xué)壽 崔文星 張永亮

摘 要 介紹了核工業(yè)領(lǐng)域普遍存在的問題，分析了自動(dòng)化前沿技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，最后指出自動(dòng)化前沿技術(shù)的發(fā)展可為解決核工業(yè)當(dāng)下面臨的一些難題提供可能性和新思路。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)化先進(jìn)技術(shù) 核工業(yè) 工業(yè)機(jī)器人 數(shù)據(jù)挖掘 建模仿真平臺(tái)

中圖分類號(hào) TP29? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 1000?3932（2023）03?0277?04

作者簡介：王振霖（1995-），助理工程師，從事核化工領(lǐng)域自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)挖掘的研究，941904686@qq.com。

引用本文：王振霖，何學(xué)壽，崔文星，等.自動(dòng)化先進(jìn)技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及展望［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（3）：277-279；322.

近年來，核工業(yè)領(lǐng)域核技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，為國家安全和能源保障做出了突出貢獻(xiàn)［1］。然而，核工業(yè)領(lǐng)域也面臨著諸多問題，例如作業(yè)環(huán)境惡劣、精細(xì)化難度大及大規(guī)模原始數(shù)據(jù)缺少預(yù)處理和挖掘手段等。因此，如何進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，提高產(chǎn)能產(chǎn)出，激發(fā)新的高質(zhì)量發(fā)展活力，是核工業(yè)持續(xù)高效發(fā)展的新途徑。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，將自動(dòng)化技術(shù)與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求相結(jié)合，利用自動(dòng)化技術(shù)解決行業(yè)技術(shù)難題，不斷突破生產(chǎn)效率上限，提高核工業(yè)行業(yè)的自動(dòng)化水平，已成為核工業(yè)發(fā)展的大趨勢［2］。

自動(dòng)化技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是研究人員一直不斷探索的問題。由于分布式控制系統(tǒng)的集中控制、分散風(fēng)險(xiǎn)特征能夠很好地滿足核工業(yè)的設(shè)計(jì)需求，故其逐漸被應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域。與此同時(shí)，各種控制系統(tǒng)之間的協(xié)議不斷完善，使得核工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诟鞣N新興控制技術(shù)的兼容性更強(qiáng)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和新技術(shù)的爆發(fā)，先進(jìn)控制技術(shù)不斷成熟，出現(xiàn)了諸多新的應(yīng)用場景和結(jié)合方法，可見核工業(yè)正面臨著新的轉(zhuǎn)型期和機(jī)遇期。

筆者就核工業(yè)發(fā)展面臨的一些共性問題，基于自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)提出展望，旨在將工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于核工業(yè)，并針對性地提出推動(dòng)核工業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的措施和建議。

1 核工業(yè)領(lǐng)域普遍存在的問題

1.1 工作環(huán)境對員工的影響

核工業(yè)大多是精細(xì)化工生產(chǎn)，操作流程比較復(fù)雜，精細(xì)化程度要求較高，這對于操作人員的技能水平和熟練程度都具有較高要求。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中不可避免地會(huì)接觸到易燃易爆、腐蝕性強(qiáng)的材料或試劑，有的原材料和試劑還具有較大的毒性，威脅著操作人員的人身安全。此外，核工業(yè)流程中還存在長時(shí)間運(yùn)行不間斷的操作單元，這就要求操作人員連續(xù)工作，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，雖然很多單位采用較為科學(xué)的倒班方式，避免了員工長時(shí)間高負(fù)荷勞動(dòng)，但仍然無法避免干擾員工的正常生活節(jié)奏，打破生物鐘規(guī)律，影響員工的身體健康和生活品質(zhì)，所以工作環(huán)境對員工的影響不容忽視。

1.2 故障感知及精細(xì)化操作難度大

核工業(yè)發(fā)展至今，很多流程和工藝已趨于成熟，但是由于大部分流程都是不間斷作業(yè)，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行壓力大，在這種情況下就不可避免地會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，如果故障在萌芽階段不被察覺，就會(huì)蔓延成大問題，嚴(yán)重危及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、財(cái)產(chǎn)安全和員工的人身安全。與此同時(shí)，很多操作流程對于精度、速度等的要求較高，如果僅依靠人工操作來完成，是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，而且在很多情況下幾乎是不可能完成的；還有一部分流程需要各環(huán)節(jié)之間配合協(xié)作，人工操作總會(huì)存在一定誤差，這在一定程度上制約了核工業(yè)技術(shù)的精細(xì)化程度。

1.3 過程數(shù)據(jù)中隱藏了特征數(shù)據(jù)

在生產(chǎn)操作過程中，由于很多環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)和重要數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行記錄，以便于進(jìn)一步處理，如此一來就會(huì)產(chǎn)生大批量的數(shù)據(jù)，這些被記錄下來的數(shù)據(jù)大部分都是在工藝運(yùn)行過程中產(chǎn)生的重復(fù)、無效數(shù)據(jù)，只有其中一部分是有效數(shù)據(jù)，由于缺少對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理手段，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)被全盤接受，給操作控制系統(tǒng)帶來了極大的運(yùn)行壓力。同時(shí)，為了進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)中的潛在特征，還需要人為進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、處理。無論是時(shí)間成本還是人力資源成本都會(huì)造成較大的浪費(fèi)。數(shù)據(jù)總量龐大，計(jì)算復(fù)雜，步驟繁多，人工處理難度大，極大地制約了數(shù)據(jù)特征的提取，妨礙了利用數(shù)據(jù)特征對工藝流程的進(jìn)一步優(yōu)化升級。

1.4 輻射危害及核材料稀缺

經(jīng)過多年的探索研究，目前的輻射防護(hù)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，無論是采取屏蔽輻射源項(xiàng)、增大作業(yè)距離的策略，還是減少作業(yè)時(shí)間，都可以減少工作人員對輻照材料的直接接觸。雖然各種屏蔽手段層出不窮，但是避免操作人員對輻照材料的接觸仍然是減少輻射傷害的有效策略。此外，由于核工業(yè)領(lǐng)域研究的對象都是稀有材料，原料的存有量較少，在使用過程中需要盡量避免對原材料的濫用和浪費(fèi)，將核材料物盡其用。

2 自動(dòng)化前沿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

2.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人可以代替人類執(zhí)行一些危險(xiǎn)、復(fù)雜的任務(wù)，因此被研究人員廣泛關(guān)注。目前，工業(yè)機(jī)器人市場基本被國外高端機(jī)器人制造廠商壟斷，國外機(jī)器人在國際市場上占有較大份額［3］。我國的工業(yè)機(jī)器人起步相對較晚，1980年左右才開始擁有第一批工業(yè)機(jī)器人，隨后我國工業(yè)機(jī)器人快速發(fā)展，與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的一些核心部件逐漸國產(chǎn)化，一些重要零件逐漸打上“中國制造”的標(biāo)簽。目前，工業(yè)機(jī)器人在電子電氣、金屬成形及玻璃制造等行業(yè)都頗受歡迎，但在航天、汽車智能制造及精細(xì)核工業(yè)領(lǐng)域等的應(yīng)用卻受限于一些現(xiàn)有的不足，如精度低、控制性能差等［4］。隨著研究的不斷深入，一些現(xiàn)有問題一旦實(shí)現(xiàn)突破，機(jī)器人的應(yīng)用范圍將更加廣闊，國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人也會(huì)受到各行業(yè)的青睞，在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也值得期待。

2.2 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及多智能體協(xié)同控制技術(shù)

為了提高企業(yè)競爭力，很多流程工業(yè)開始著手研究計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮減生產(chǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)成本并提高交貨效率。目前，關(guān)于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的研究較為廣泛，很多研究人員提出了不同的集成制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其中先進(jìn)制造研究中心的三層企業(yè)結(jié)構(gòu)是當(dāng)下自動(dòng)化系統(tǒng)理論和產(chǎn)品的主流框架，并且已經(jīng)很好地應(yīng)用在實(shí)際工程中。

近年來，對于多智能體的研究一直是熱點(diǎn)話題。多智能體協(xié)同控制涉及的一致性控制、集群控制、會(huì)合控制及編隊(duì)控制等問題都實(shí)現(xiàn)了重大突破，很多研究人員都證實(shí)了相應(yīng)的理論研究并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證［5］。目前，多智能體協(xié)同技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于多種場景，如地面無人系統(tǒng)協(xié)同控制、地面無人火控系統(tǒng)、分布式無線傳感器節(jié)點(diǎn)布置及公路無人車編隊(duì)控制等。

2.3 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

核工業(yè)領(lǐng)域的很多環(huán)節(jié)都需要利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，這樣就會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理成為了促進(jìn)核工業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)中，由于批量處理的速度較慢，導(dǎo)致工作效率大打折扣，并且很容易忽視數(shù)據(jù)中潛藏的特征數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理技術(shù)中，近年來數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)廣泛受到學(xué)者的關(guān)注，大數(shù)據(jù)可視化、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框架優(yōu)化及云計(jì)算速度的提高都助力了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，如金融行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、電信行業(yè)及教育行業(yè)等都開始利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)作為挖掘潛藏?cái)?shù)據(jù)價(jià)值的手段［6］。

2.4 系統(tǒng)建模仿真技術(shù)

隨著智能技術(shù)、綜合集成技術(shù)和數(shù)學(xué)手段的不斷進(jìn)步，越來越多的系統(tǒng)建模仿真技術(shù)涌現(xiàn)出來，為解決實(shí)際工程問題提供了較大便利［7，8］。系統(tǒng)建模仿真技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)擁有成熟的體系和較為先進(jìn)的方法，技術(shù)逐漸成熟，為研究一些較為復(fù)雜的系統(tǒng)提供了可能和便利，促進(jìn)了研究人員對一些復(fù)雜、不容易實(shí)現(xiàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)進(jìn)行研究。目前，系統(tǒng)建模仿真技術(shù)在核工業(yè)、能源科學(xué)、航空航天及生命科學(xué)等領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用，并取得了較大進(jìn)展。利用系統(tǒng)建模仿真技術(shù)，建立基于理論知識(shí)的初始模型，不斷優(yōu)化升級，完成對核工業(yè)流程的全生命周期預(yù)演，對于提前發(fā)現(xiàn)流程中的缺陷、改良優(yōu)化工藝流程具有指導(dǎo)性意義，同時(shí)還可以減少核材料的浪費(fèi)。

3 核工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用展望

3.1 核工業(yè)機(jī)器人操縱系統(tǒng)

針對部分危險(xiǎn)性高、放射性強(qiáng)、操作空間微小的場合，設(shè)計(jì)相應(yīng)的固定動(dòng)作微型機(jī)器人從事微小空間的危險(xiǎn)作業(yè)，是極其必要的。微型機(jī)器人能夠代替人進(jìn)入各種受限空間的操作區(qū)域進(jìn)行工作，其不受工作環(huán)境制約，具備更強(qiáng)的操作能力，適用于多種應(yīng)用場景。此外，在一些簡單的體力勞動(dòng)中，機(jī)器人比人具有更大的優(yōu)勢，利用簡單的機(jī)械和電氣控制方法，能夠事半功倍，并有效減少操作人員長期重復(fù)性體力勞動(dòng)而產(chǎn)生的職業(yè)病問題。

核工業(yè)領(lǐng)域大多以連續(xù)流程作業(yè)為主，因此針對各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相應(yīng)的核工業(yè)機(jī)器人之后，結(jié)合多智能體協(xié)同控制技術(shù)，將各環(huán)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人聯(lián)合起來構(gòu)成核工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，再結(jié)合計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)，開發(fā)對應(yīng)的智能操作系統(tǒng)，聯(lián)合控制核工業(yè)機(jī)器人完成流程作業(yè)，不僅可以避免操作人員直接接觸高放射性、高危險(xiǎn)性材料，還可以解決微小空間操作不便的問題，能夠有效保障生產(chǎn)的安全穩(wěn)定連續(xù)高效運(yùn)行。

3.2 大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理高新技術(shù)平臺(tái)

核工業(yè)生產(chǎn)流程中會(huì)產(chǎn)生大量的工藝數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅包含有效信息也包含無效信息，因此在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心壓力巨大，無效信息的存在會(huì)浪費(fèi)大量的存儲(chǔ)空間。因此需要發(fā)展大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理技術(shù)，利用數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行篩選整合，剔除其中的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)，記錄保存關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)重點(diǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)。處理之后的數(shù)據(jù)不僅極大地減少了存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，并且提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量，給后期的數(shù)據(jù)分析帶來更大的便利。

為了進(jìn)一步開發(fā)數(shù)據(jù)的潛在作用，利用數(shù)據(jù)采樣具有時(shí)效性的特點(diǎn)，引入在線分析數(shù)據(jù)技術(shù)，注重關(guān)鍵數(shù)據(jù)的在線分析、在線診斷，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)一步處理，挖掘分析出的具有特征和預(yù)警的信息，對于核工業(yè)流程的監(jiān)測和流程優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)性和預(yù)見性作用。

3.3 多流程復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)

核工業(yè)工藝流程中所用的物料往往都是稀有核材料，應(yīng)遵循浪費(fèi)最小化原則。然而，由于很多科研生產(chǎn)過程缺乏先驗(yàn)知識(shí)，很難預(yù)料操作過程中重點(diǎn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的走向，不可避免地會(huì)造成物料浪費(fèi)，并且時(shí)間成本、人力成本和經(jīng)濟(jì)成本也會(huì)大幅上升。打造多流程復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)能夠提供指定系統(tǒng)的機(jī)理模型，針對機(jī)理模型開展預(yù)演實(shí)驗(yàn)，能夠提前獲悉科研實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)性結(jié)果，在很大程度上能夠節(jié)約人力成本，減少稀有資源的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語

核工業(yè)在國家安全和能源保障方面發(fā)揮著越來越重要的作用，傳統(tǒng)核工業(yè)流程逐漸趨于成熟，但是追求更高質(zhì)量的發(fā)展仍然面臨一部分難題，筆者就核工業(yè)領(lǐng)域存在的一些問題和困難進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的一些前沿技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，提出了打破核工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展壁壘的建議和展望。在新時(shí)代的背景下，核工業(yè)領(lǐng)域需要從以人為本的角度出發(fā)，探索出一條更安全、穩(wěn)定、高效的可持續(xù)發(fā)展道路，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用必然是一條有效途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-10-25，修回日期：2023-03-27）

Application and Prospect of Advanced Automation?Technology in Nuclear Industry Field

WANG Zhen?lin1， HE Xue?shou1， CUI Wen?xing1， ZHANG Yong?liang2

（1. CNNC No. 404 Co.，Ltd.；2. China Nuclear Control System Engineering Co.， Ltd.）

Abstract? ?The generally?existed problems which bothering nuclear industry were described and the development and application of frontier automation technologies were analyzed to point out that the frontier automation technology developed can provide possibilities and new ideas for solving some difficulties faced by the nuclear industry.

Key words? ?automation technology， nuclear industry， industrial robots， data mining， modeling and simulation platform