數字化建模在核設施退役過程中的難點及應對措施

劉慶澤，伍奕帆，呂 遙

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000）

核設施退役是核設施使用時間已滿或因為其他原因導致核設施停止運行使用后，為保護相關工作人員和人民群眾的健康與安全以及周邊自然環境而采取的行動措施。核退役的最終目的是實現核設施場址不受限制地開放和使用。

核設施的退役方式包含就地掩埋、延緩拆除、立即拆除等。核設施退役策略的選擇涉及較多的因素影響，包括政治規劃、社會影響、環境安全、資金支持、環境條件、工藝技術等因素。

核設施退役工藝是一個綜合性工程，包含有源項調查、設施去污、核設施拆除、核廢物無害化加工、核廢物管理、輻射檢測、輻射防護、原場址清理等眾多技術。其中，在對核廢物無害化加工時，會用到專用工廠和專用技術，如水泥固化、玻璃固化等。

目前，我國核退役治理項目的信息化程度較低，許多數據還由人工手動填寫、記錄，信息傳遞還有不少仍在使用紙質文件傳閱、電話傳遞消息的傳統形式，急需進行核退役治理工作的信息化升級。采用信息化時代的先進技術，能夠幫助我國核退役治理行業顯著提升其專業水平[1]。

1 核退役治理需求

1.1 需求分析

2021年是我國“十四五”計劃的開局之年，在《“十四五”信息化和工業化深度融合發展規劃》中提出，讓信息化和工業化在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現融合發展。同時，全球大量核設施即將迎來退役，全球核設施退役市場潛力巨大。提前布局和退役治理的信息化升級，在未來能夠幫助企業形成長期有效的護城河壁壘，同時對核退役治理項目的把控更加有利。

1.2 核退役治理技術需求

目前，我國已經具備核退役治理全流程的多種工藝儲備，能夠處理高、中、低放核廢物，做到放射性廢物全覆蓋無害化處理。這些不同工藝在生產過程中產生大量信息，由于信息異地分散的特征很容易形成信息孤島[2]。

1.3 核退役治理信息化轉型需求

在信息化、數字化、智能化沖擊的當下，傳統的核退役治理也開始尋找新的增長方式，通過信息化改造，將核退役治理工藝在計算機中進行數字建模，讓核退役治理行業搭乘信息化的快車，在智能時代搶占先機。

數字化轉型主要分為以下四個主要方面。①產品創新數字化：與價值創造的載體有關，要加強產品和服務創新及產品研發過程的創新，以不斷提高產品附加價值，縮短價值變現周期。②生產運營智能化：與價值創造的過程有關，要加強橫向縱向全過程貫通，實現全價值鏈、全要素資源的動態配置和全局優化，提高全要素生產率。③用戶服務敏捷化：與價值創造的對象有關，要以用戶為中心，實現全鏈條用戶服務，最大化為用戶創造價值，提高用戶滿意度。④產業體系生態化：與價值創造的生態合作伙伴有關，要加強與合作伙伴之間的資源、能力和業務合作，構建優勢互補，合作共贏的協作網絡。

為了形成自身的獨特優勢，在競爭激烈的核退役治理市場中贏得甲方青睞，不少核退役治理公司也開始將自身業務與信息化充分融合，具有信息化轉型的迫切需求[3]。

2 數字建模在核退役治理的難點

2.1 退役核設施考察困難

許多核設施由于建設時間早，歷史資料不全、后期改動大等原因。能夠找到的建筑項目資料不完整或者與現在建設結構有出入，因此為了準確評估退役現場情況，需要工作人員前往核設施現場進行考察，這就導致退役核設施現場考察過程困難、考察數據采集缺乏有效手段、現場情況記錄簡單等問題，因而在進行數字建模時，無法進行多人協作，只能依靠一些簡單缺漏的資料和去往現場的人員描述來進行數字建模，大大降低數字建模的可行性，同時可能需要反復修改嚴重影響核退役設施數字建模的開發進度，如表1所示。

表1 行業中使用的建模軟件

2.2 退役工廠工藝建模難度大、不直觀

在核設施退役過程中，會使用不同的工藝技術，這些工藝技術的應用往往是建立一個完整的工藝工廠，將核廢物放入工廠中進行加工，使得核廢物的放射性危害達到可控水平，是核廢物處理當中非常重要的一環。但現有的工藝工廠在設計之初，并沒有數字化考慮，僅滿足項目設計時要求達到的工藝技術水平。整個工廠的運行狀態無法直觀呈現，這對廠房的數字建模提出了新的挑戰。想要實現未來實施監控工廠的生產狀態，對現有工廠進行數字孿生級的數字建模，需要與熟悉該廠房工藝的總工程師進行十分詳細地溝通，需要數字建模人員與工程師充分交流，對工廠的每一處工藝的流程、會產生的化學反應、物質的狀態變化、管道的閥門放行設置等，都需要非常詳細的了解與確認。這其中涉及的專業工程師的時間成本、數字建模團隊溝通對接等問題都需要解決。

2.3 核退役治理數字建模成本高

核設施退役工作由于自身輻射的特殊因素，存在施工時間限制、人員輻照劑量限制、場所保密要求限制等要求。由于對核退役設施考察困難的問題，造成人員無法長時間、大批量、規模化地在輻射環境內進行場景考察。由于某些退役技術工藝非常復雜，導致需要掌握相關技術的人員帶領數字建模人員經過長時間對設施熟悉之后，數字建模人員才能達到該核退役項目數字建模要求的細致水平。熟悉時間長、考察環境特殊、人員成本高、技術掌握要求高幾項因素，造成目前核設施數字建模成本高，建模人員質量難把控的難題[4]。

2.4 核設施退役數字建模資金、工程歷史經驗缺失

首先收集建模的數據是數字化的第一步，這些數據源包括：①規劃建筑物的設計圖紙及文檔資料。②攝影測量數據。數字攝影測量不僅可以提供豐富的幾何和紋理數據，而且還可以提供豐富的拓撲和語義信息。③遙感數據。高分辨率遙感影像可以為3D場景模型的建立提供詳細、豐富的幾何和語義信息數據。就當前的應用需求來說，場景三維建模需要的數據主要有二維圖形、地形數據、地表圖像、三維觀測數據和模型表面紋理等。

核設施退役數字建模還處于起步階段，在以往核設施退役項目中，由于沒有考慮使用數字建模來進行項目推進，缺乏科學有效的記錄工具，無法對整個核設施退役拆除過程進行完整有效的過程記錄。每次新的核設施退役工程開工，都希望能追溯之前退役工作進行施工參考，但留下來的資料都不是很充分、直觀，其細致程度也不夠，把控整個退役工程的項目進度只能依靠有經驗的退役工作管理者，這也使得人員替換成本極高，主要管理人員一旦出現問題，整個退役項目將受到很大的影響。同時，由于缺乏可以查閱的資料，也導致退役數字建模項目在申報過程中對其成本計算缺少有效的事例，對項目的資金估算可行性造成較大的偏差。

在數字建模的過程中，可能會出現前期因對某一工藝溝通不充分，造成后期建模工作量評估錯誤，使整個數字建模項目存在資金不足、工期延期等風險[5]。

2.5 核設施退役數字建模缺乏行業標準

目前，行業內只有少數企業開展核退役數字建模的研究與實踐工作，對于這部分行業還缺乏相關的行業標準。部分建構物能參考的是中華人民共和國住房和城鄉建設部發布的《城市三維建模技術規范》，包括基本規定、建模單元劃分與模型命名、數據采集與處理，三維模型制作、檢查驗收、數據集成與管理、數據更新與維護等。而核退役有區別于一般的工廠數字建模，核退役有自己的一些獨特之處，如輻射場建模。

由于缺乏行業標準，使得建模要求水平不同，對核設施的建模精確度量化模糊，只能一個項目具體情況具體分析，這對于行業發展十分不利，同時在數字建模時，也沒有具體的建模要求，使得數字建模人員的建模精細度與客戶期望的精細度可能存在較大的差距，后期需要反復修改，使得建模項目有進度滯后的風險。

3 核退役治理難點應對措施

3.1 對核設施進行數字孿生

數字孿生是指充分使用現實中的物理模型、各種傳感器實時更新、實時記錄運行歷史數據，使得現實中工廠的各項指標能夠隨時反應在數字系統中。目前，構建數字孿生的技術已經非常成熟，通過Unity引擎、虛幻引擎等方式，在引擎中進行模型建模，可以真實模仿整個廠房的內部結構、管道連接關系等。

為解決核設施場所進入限制問題，可以采用三維雷達掃描的方式進行空間快速建模，對核設施進行初始的數字孿生建模，后期再由數字建模人員依照掃描出來的粗糙模型進行細化。將需要退役的核設施場所先進行粗糙三維建模，使得更多的項目設計人員能夠直觀地看到當前需拆除的核設施情況，層層細化，進而幫助建模工程的設計人員能夠在更早的時間看到項目的整體，以便其可以更加合理地估算建模項目所需的時間成本、資金成本、人員成本等。

數字與實體世界在四個方面高度交織在一起（如圖1）：①用戶體驗—用戶價值由用戶體驗所決定，而這方面的結果最終取決于其他三個方面的整合情況。②數據—這方面的沖突主要是由搜索、挖掘和改進數據資源時導致的控制權爭奪而引起的。戰略性地使用數據能夠顯著改善用戶體驗。③業務平臺—這是用戶和商家共同存在、一起參與的舞臺。④硬件—數字化的成功離不開物理硬件。硬件能夠感知并生成數據以激活實體世界。硬件是數字領域和實體領域之間的連接紐帶。

圖1 數字與實體世界的關聯圖

對于數字與實體世界的融合，有硬件、數據、體驗三個制勝點。例如，建筑、采礦和公用事業設備制造商等，使用配備傳感器和GPS的自動控制設備提供“智慧建筑”服務，這種方式非常適合工業機械行業對核廢物無害化工廠進行數字孿生建模。建模人員可以通過添加各項傳感器使得工廠能夠實時回傳數據，準確掌握當前整個廠房的運轉情況，實現對工廠的數字孿生級數字建模。

3.2 數字建模歷史積累

在擁有了數字孿生的前提下，整個項目的運行狀態會通過各項傳感器實時回傳至控制臺。同時，因為有了大量傳感器的數據，對這些數字化信息可以進行保留，并通過數字孿生系統更加直觀地展現項目進展過程。這就對未來的核設施退役工作的開展有幫助。

同時，對于核退役設施數字建模項目設計者而言可以參考之前的核設施退役數字建模工程留下來的歷史數據資料，使其在設計項目時更加科學，對需要花費的各項成本也有事例可以比對。

3.3 核退役數字建模行業標準制定

目前，雖然沒有核退役數字建模標準，但可以借鑒一般工業建模的行業標準，在此基礎上對其行業標準進行核退役的特殊化修改，可以由此衍生出核退役數字建模的行業標準，并在企業部門內部積極推動該標準的執行。

4 結束語

當前在核退役治理數字建模工作中存在著很多待改進的空間，通過數字化的各項技術：點云掃描、數字孿生、三維建模、數據記錄等，可以使核退役數字建模項目的設計工作更加科學規范。在整個社會都在向數字化、信息化、智能化轉型的大背景下，為傳統核退役治理行業積極引入更為先進的技術，相信可以更好地促進行業發展。■