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智能核工业构想:“孪生”核电站

2019-09-19    来源:中国核工业报       []
       想象核电厂的路面,一场雨后,地面积水中倒影清晰,真实和虚拟的两个反应堆互为镜像,细节一一对应。这不过是光的反射作用,无可深究。但如果,用数据构建一个虚拟世界,把真实的反应堆映射到这个世界里呢,就像孪生兄弟一样?
 
       “数字孪生”(Digital Twin),是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。更简洁地说,就是将实体对象以数字化方式在虚拟空间“复制”,模拟其在现实环境中的运行轨迹。
 
       其实相关理念由来已久,毕竟自结绳记事而始,人类就开始用符号来描述物理实体了。但是随着物联网、大数据、人工智能、VR等技术迅速发展,虚与实之间的对应越来越精确,融合越来越紧密。工信部日前向4家企业发放5G商用牌照,我国正式进入5G时代,工业的数字化转型前景更加可期。那么数字孪生技术到底有什么作用呢?
 
       不妨继续放飞一下想象:虚拟空间既是现实的映射,又是能够加以监测和操控的,甚至时间进度条也可以拖动和快进——我们可以在其中回顾过去、预判未来。往极端了说,人类在自己制造的数字化世界里就是造物主的角色。当然,有一个不可忽略的前提,这一虚拟空间的构建是基于真实可靠、符合逻辑的数据,是对现实系统的模型化描述,由此它的输出才可以反馈真实世界。
 
        在先后关系上,虚拟的出现并不总是在实体之后。恰恰相反,就目前的应用而言,更多的是在装备制造之前,先完成数字化模型。首先在虚拟空间中对设备进行设计、试验和组装,然后将参数传给实际的制造、建设和安装过程。
 
       在虚拟空间里设计一座核电站,好处显而易见。在非数字化的一整套生产流程里,为了验证产品的尺寸或质量、部件间的装配关系等,有时就不得不制造出多个中间样品或重新开始工序,设计变更要耗费大量资源。而在虚拟空间里,基于数字化对象可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的特点,不论是可行性的验证还是设计的变更都能轻松进行,从而节约了大量金钱和时间。
 
       将虚拟和现实联结在一起,还使得设计可追溯,并大大提升业务协同的效率。可追溯,是指进行过的设计动作,都能在数字世界留下痕迹。代表产品迭代各个阶段的数字化模型,之后可以非常方便地调用。正因为数据随时可调用、可更改,设计从静态转为动态,不仅能够进行异地协同设计,还能够打通各个业务环节,使设计、采购和施工之间保持一致、高效协同。
 
       在核电站建成后,虚拟和实体这一对“孪生兄弟”同步映照,在日常的运维中二者继续进行信息交互,保持状态同步。利用数字孪生可以持续地预测设备或系统的运行状况及可靠性,与实体进行对比,使设备维修更有针对性,也可以预见事故工况下的系统响应。其中值得一提的是,借助大数据技术,或许能通过机器学习推测出一些本来无法直接测量的指标,从而提供更全面的评估、诊断和预测。
 
       由此观之,未来每一座核电站建成后,都应该有一座数字世界里的“孪生”核电站同时验收。

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