核電廠智能控制系統測評技術研究與探討

淮小利，李朝歷，崔澤朋，張 源，魏明曉

（中核控制系統工程有限公司，北京 102401）

1 研究背景

從國家政策層面上，“德國工業(yè)4.0”“美國工業(yè)互聯網”和“中國制造2025”的提出，引領了創(chuàng)新驅動和智能制造工程的建設，推進重點行業(yè)智能轉型升級。為此，能源行業(yè)提出《推進“互聯網+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，明確加強能源互聯網基礎設施建設，推動可再生能源和化石能源生產智能化，形成能源產業(yè)發(fā)展新業(yè)態(tài)。

核電作為“碳中和”目標的有效能源，將在確保安全的前提下積極有效發(fā)展，各核電集團已經啟動智能化轉型工作，其中，控制系統智能化是智能核電重要的技術特征。傳統控制系統僅能實現生產過程的基本控制，系統封閉、數據利用率低、自動化水平低。在確保核電安全控制的基礎上，建設具備智能感知、智能控制、智能分析、智能診斷和預測功能的智能控制系統是核電廠智能化建設的關鍵。

控制系統的質量是關乎智能核電廠安全、可靠和高效的重要角色，對智能控制系統的充分測評是保證智能電廠質量安全可靠的重要手段之一。現有的數字化控制系統測評內容僅涵蓋嵌入式軟件測試、硬件測試、軟硬件集成測試和系統測試，而對于智能控制系統中采用的現場總線、無線網絡、大數據分析和智能算法等，尚缺少專項測評技術、方法和規(guī)范的指導。因此隨著智能控制系統的建設，亟待開展適用于核電廠智能控制系統的測評技術研究，制定完善的測評體系和測評規(guī)范，為智能電廠的建設提供測評服務。

2 核電廠智能控制系統特點與測評要求

2016年發(fā)布的《智能電廠技術發(fā)展綱要》中對智能電廠做出定義：智能電廠是指在廣泛采用現代數字信息處理技術和通信技術基礎上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術，達到更安全、高效和環(huán)保運行，與智能電網及需求側相互協調，與社會資源和環(huán)境相互融合的發(fā)電廠。綱要中給出了智能電廠的體系架構，包括智能設備層、智能控制層、智能生產監(jiān)管層和智能管理層。核電廠智能化建設以《智能電廠技術發(fā)展綱要》為基礎，對各層級進行細化或合并，提出了金字塔式的智能核電廠技術架構，如圖1所示，也有部分單位提出了更為扁平化的工業(yè)互聯網架構，如圖2所示。但無論是哪一種架構，其本質上采用的關鍵技術大致相同：

圖 1 智能電廠金字塔架構

圖 2 智能電廠互聯網架構

圖 3 工業(yè)網絡測評架構

1）通過智能傳感和測量設備進行現場信息采集、識別和定位；

2）通過工業(yè)總線、以太網和無線網絡等現代化通信手段進行信息傳輸，實現萬物互聯；

3）通過機器學習、自適應控制等智能控制手段進行運行優(yōu)化、智能診斷；

4）利用大數據分析技術對現場運行數據、生產管理數據進行挖掘、分析，進而用于指導生產，實現優(yōu)化調度、智能管理和輔助決策。

我國核電建設已從模擬化控制全面邁入數字化控制。數字化控制系統能滿足現場基本運行控制需求，但在自動化、信息化和智能化方面仍存在諸多不足，主要包括：

1）傳統 DCS 僅能實現生產過程基本控制，自控、組控水平較低，設備啟停控制和對機組運行狀態(tài)的判斷極大依賴于人的手動操作和人的經驗，人員勞動強度大；

2）傳統 DCS 中數據利用率低，未進行深度挖掘、提煉和分析，無法提供先進的運行優(yōu)化輔助指導和決策支撐功能；

3）傳統 DCS 算力不足，同時缺乏高性能的先進控制算法，無法完成診斷、預警等智能化相關功能；

4）傳統 DCS 控制網絡帶寬低，低速網絡無法承載高速網絡帶寬功能的部署；

5）傳統 DCS 網絡信息安全技術不足，無法承載智能化控制網絡的安全要求。

智能控制系統與數字化控制系統相比，具有如下特點：

1）采用先進的傳感測量設備、現場總線和無線通信等技術，實現對電廠生產過程和經營管理的全方位感知；

2）采用先進控制策略和智能控制技術，自動調整控制策略，具有自動分析、診斷和預測功能；

3）通過以太網、大數據等技術，實現對電廠數據的深度融合、分析和挖掘，提升決策能力；

4）網絡技術的發(fā)展，使得人、設備和環(huán)境之間的互動、反饋更實時，實現萬物互聯、可感、可知和可控。

為保證智能電廠的高安全、高質量要求，基于智能控制系統的上述特點，結合智能制造標準體系的要求，建立核電廠智能控制系統專用測評體系，除傳統的軟件測試、硬件測試、軟硬件集成測試和系統測試外，還應針對工業(yè)總線/無線傳輸、大數據分析/計算/存儲、智能算法等，以及在網絡化時代更為突出的工業(yè)安全問題，開展專項測評技術研究，建立測評規(guī)范和評價體系。

3 核電廠智能控制系統關鍵測評技術

以智能制造標準體系為依托，針對核電廠智能控制系統中采用的關鍵技術進行測評方法和測評標準分析。

3.1 工業(yè)網絡測評

核電廠智能控制系統的網絡通信類型包括現場總線通信、以太網通信，在保障網絡安全的前提下控制網絡可引入無線網絡通信。現場總線通信主要用于現場測量、執(zhí)行設備與控制系統間的信息傳遞，總線技術可大幅度減少電纜鋪設；以太網通信主要解決工業(yè)大數據的傳輸，建立數據高速傳輸的通道，打通數據傳輸、共享壁壘；而無線技術使工業(yè)通信擺脫了時間、地點和對象的束縛，是通信網絡的新技術及發(fā)展趨勢。

工業(yè)網絡測評驗證網絡在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。工業(yè)網絡測評重點從協議符合性、網絡連通性、網絡性能可靠性和網絡安全性等方面開展。GB/T 17178 提供了基于 OSI 參考模型的一致性測試方法和框架，這是目前最為基礎的標準，主要內容涉及原理、測試集、表示法、實現、判定分析要求、測試規(guī)范和說明等。由于無線網絡拓撲結構的動態(tài)變化和無線鏈路可靠性的影響，無線網絡測評則應側重考慮位置移動導致的信號衰減、移動帶來的硬拓撲變化，以及移動模式對網絡可靠性的影響。GB/T 26790.3 和 GB/T 26790.4 分別定義了 WIA-PA 和 WIA-FA 設備加入過程、運行過程、離開過程和網絡安全的測試規(guī)范，適用于基于 WIA 規(guī)范的現場設備、路由設備和網關設備的協議一致性測試。

3.2 工業(yè)大數據測評

核電廠工業(yè)大數據主要來自傳感器、設備儀表進行采集產生的工藝運行數據、設備狀態(tài)數據、控制及管理數據，通過工業(yè)網絡使得測量數據和運行數據與電廠信息系統相融合，進而傳輸到云計算中心進行存儲、分析，形成決策并反過來指導生產。智能監(jiān)控、智能故障診斷、智能檢修和智能決策等都以大數據分析為基礎。

與互聯網大數據相比，工業(yè)大數據多為非結構化數據，且要求的采集頻率更高、實時性更強、分析結果的準確性更高以及與行業(yè)的關聯性更強。因此，工業(yè)大數據測評較傳統測評面臨更大的挑戰(zhàn)，主要表現在測試輸入的構建、測試結果的判別和測試平臺的動態(tài)擴展等方面。

工業(yè)大數據測評主要包括：

1）工業(yè)大數據性能測評，一般從時間特性、資源利用特性和標準依從性三個方面進行考量；

2）工業(yè)大數據安全測評，主要從分布式計算框架、非關系型數據本身、個人信息保護、以及信息系統安全等級等方面考量；

3）工業(yè)大數據質量測評，包括數據真實性、數據完整性等數據本身質量，以及數據使用質量、存儲質量和傳輸質量等數據過程質量；

4）工業(yè)大數據可視化驗證，包括可視化數據完整性驗證和可視化效果評價。

中國電子技術標準化研究院發(fā)布的《大數據標準化白皮書2020版》中提出了大數據標準體系框架，涵蓋基礎標準、數據標準、技術標準、平臺/工具標準、治理與管理標準、安全和隱私標準以及行業(yè)應用標準共七個類別，其中工業(yè)大數據屬于大數據行業(yè)應用的一個領域。目前已發(fā)布了針對大數據分析系統（GB/T 38643）和大數據存儲與處理系統（GB/T 38676）的測試標準。工業(yè)大數據專項標準，如工業(yè)大數據術語、工業(yè)大數據平臺通用要求等標準正在制定中，尚沒有工業(yè)大數據的專項測試標準。

3.3 工業(yè)云測評

云計算平臺和云計算服務已成為信息化時代計算服務的主流載體和主流服務模式，智能電廠也廣泛采用云平臺、邊緣計算，打造云邊協同新模式。從技術角度來說，云計算測評與經典的軟件測評一樣，都是用來度量云計算相關軟硬件及系統的質量，然而作為一種基于互聯網的商業(yè)計算模型，云計算在計算特征、服務模式、部署方式等方面與傳統的軟件和系統存在很大的區(qū)別。所謂的云計算測評，在技術層面是指對基礎設施、云計算平臺及部署運行在其上的應用軟件的測評。

工業(yè)云測評主要包括系統功能測評、性能測評、安全性測評和可靠性測評。功能測評主要關注虛擬層和平臺層功能，重點圍繞計算虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化和資源配置能力開展；性能測試主要關注創(chuàng)建虛擬機的性能、動態(tài)遷移虛擬機的性能、虛擬機高可用性機制的效率、資源的動態(tài)部署效率和虛擬機硬盤 I/O 速率；安全性測評主要關注平臺安全管理、虛擬層安全以及虛擬機內部安全；可靠性測評主要關注云計算平臺關鍵軟件的平均故障前時間、云平臺故障覆蓋率、故障診斷時間、云計算服務服務可用率、服務可靠度以及每百萬次業(yè)務故障數等。

目前已發(fā)布的工業(yè)云相關標準，如 GB/T 37724、GB/T 40203、GB/T 40207和GB/T 36325，主要集中于工業(yè)云平臺建設和服務能力建設上，尚沒有專門的工業(yè)云測評標準。

3.4 工業(yè)安全測評

無論是過去模擬技術時代、現在的數字技術時代，還是未來的智能化時代，核電廠始終將安全性置于首位。目前核電廠控制系統遵循的安全相關要求包括功能安全、信息安全和人因安全。

功能安全設計用于提高系統安全等級，當任一設備故障、系統失效時不會發(fā)生安全系統失效，進而導致生產事故的情況。GB/T 20438 《電氣、電子和可編程電子安全相關系統的功能安全》是功能安全領域的基礎標準，提出了安全完整性等級（SIL）的概念，提出了電氣/電子/可編程電子安全相關系統的一般要求、系統要求和軟件要求，以及達到功能安全所采取的安全技術和措施。核電廠控制系統功能安全測評以電氣/電子/可編程電子和過程工業(yè)領域相關標準為參照，主要執(zhí)行標準包括 GB/T 20438、GB/T 21109 和 NB/T 20026。

信息安全是為信息系統建立的安全保護措施，用于保護信息系統及其數據不被偶然或惡意的破壞、更改和泄露。IEC 62443 是工業(yè)過程測量與控制領域的信息安全標準，描述了信息安全通用要求、以及針對用戶、系統集成商和制造商的信息安全要求，并定義了四個信息安全等級（SL）； GB/T 33009 是針對DCS的專項網絡安全標準，規(guī)定了 DCS 網絡安全防護要求、安全管理要求，并提供了網絡安全評估和脆弱性檢測方法； GB/T 30976.1 規(guī)定了工業(yè)生產系統安全評價的目標、內容，包括組織機構管理評價、信息系統能力評價以及生命周期各階段的風險評價；GB/T 30976.2 規(guī)定對工業(yè)生產系統中的安全解決方案的可靠性進行檢驗的流程，檢測內容、方式，適用于能源、核設施和工業(yè)生產制造過程等產業(yè)應用的系統和裝置。

人因安全用于避免在生產制造各環(huán)節(jié)中因人的失誤而造成危害或隱患，通過規(guī)范人的動作、行為，預防誤操作，保證人身安全。核電廠人因領域相關工作以 NUREG 0700 和 NUREG 0711 為指導，并制定了 NB/T 20016、NB/T 20061、NB/T 20270和NB/T 20427 等能源行業(yè)標準用于核電廠人因工程設計準則，人因安全測評標準《核電廠人因驗證和確認》已完成標準立項，正在批準中。

由于智能電廠中智能生產線、設備較多，控制手段更加靈活，少人或無人化程度高，因此對設備和系統的安全提出了更高要求。傳統的功能安全和信息安全不再是孤立的事件，功能安全和信息安全之間的影響和交互越來越多。因此在智能制造新形勢下，提出了功能安全和信息安全一體化的協調設計要求，即安全一體化完善度（SSIL）。IEC/TC45 “核電儀表”工作組已經制定完成了標準“核電廠儀表和控制系統、協調功能安全和信息安全的要求”（IEC 62859-2016）。該標準的目標是在核電儀控架構和系統中同時集成功能安全和信息安全，避免功能安全和信息安全要求之間的潛在沖突，并識別功能安全和信息安全之間的潛在協同影響。

3.5 智能算法驗證

核電廠智能控制系統將廣泛采用系統辨識、機器學習等先進智能算法，并基于大數據平臺進行智能分析和自學習，實時監(jiān)測機組設備狀態(tài)，預測機組運行趨勢、分析運行性能，同時將智能分析判斷的結果自動作用于運行控制系統，實現對機組運行的優(yōu)化控制，從而提升機組的運行性能，提高運行效率，降低運行成本。

智能算法與傳統算法的區(qū)別在于：

1）傳統算法的邏輯是固定的，有固定的結構和參數，沒有預測的成份；

2）當給傳統算法施加相同激勵的情況下會產生相同的輸出；

3）智能算法通常基于預測模型開發(fā)，同時接受輸入和輸出，當系統運行狀態(tài)不同時，對于任意的輸入無法預知正確的輸出結果；

4）基于智能算法的測試難以采用傳統的軟件測試方法設計用例，測試結果也不再是對與錯的不同，而是好與差的區(qū)別。

智能算法的驗證重點是計算性能評價，性能評測是提高智能算法水平和安全性的關鍵手段。性能評估標準的制定，通過確定性能評估需求、評估目的、評估指標、評估流程和評估環(huán)境等，以保證評價結論的準確性和有效性。人工智能開源軟件發(fā)展聯盟標準 AIOSS-01—2018，該標準給出了人工智能深度學習算法的評價指標、評審過程等，并根據需求階段、設計階段、實施階段和執(zhí)行階段等提出了具體的評價內容，給出了深度學習算法的可靠性評價指標，從算法功能實現、代碼實現、環(huán)境數據、軟硬件平臺依賴、目標函數、訓練數據集和對抗性樣本等方面展開了評價，并可作為開展深度學習算法的評價工作指南。

4 核電廠智能控制系統測評標準體系

通過上述關于核電廠智能控制系統關鍵測評技術的梳理和分析，同時結合現有數字化控制系統測評標準體系，歸納出適用于核電廠智能控制系統的測評標準體系，如圖4所示。其中，白色為現有數字化控制系統測評標準體系的內容，灰色填充為智能控制系統特有的測評內容。

圖 4 核電廠智能控制系統測評標準體系

5 結束語

針對核電廠智能控制系統的特點和測評要求，結合智能制造標準體系，研究核電廠智能控制系統關鍵技術測評方法、重點測評內容，建立測評體系，為開展核電廠智能控制系統測評工作提供技術支撐和理論指導。