基于工業互聯網的核電裝備數字化協同制造研究

摘" 要：隨著工業互聯網技術的迅猛發展，數字化協同制造成為核電裝備制造領域的關鍵研究方向。該文旨在探索工業互聯網技術在核電裝備制造中的應用，以加速數字化協同制造的發展。研究通過實踐案例分析展示核電裝備數字化協同制造的實踐成果，并提出推動該領域發展的政策建議。

關鍵詞：工業互聯網；核電裝備；數字化；協同制造；案例分析

中圖分類號：TM613" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0017-05

Abstract： With the rapid development of industrial Internet technology， digital collaborative manufacturing has become a key research direction in the field of nuclear power equipment manufacturing. This paper aims to explore the application of industrial Internet technology in nuclear power equipment manufacturing to accelerate the development of digital collaborative manufacturing. The practical results of digital collaborative manufacturing of nuclear power equipment are demonstrated through practical case analysist， and put forward policy suggestions to promote the development of this field.

Keywords： industrial Internet; nuclear power equipment; digitalization; collaborative manufacturing; case study

核電站是涉及多學科、多領域、多專業的復雜技術構成的巨型復雜產品，核電主設備是核能產業的核心部分，主要包括蒸汽發生器、壓力容器、堆內構件、控制棒驅動機構和核主泵等設備（圖1）。

因我國工業化生產體系和研發體系的發展歷史原因，與簡單產品不同，核電主設備的設計和制造是相分離的。設計工作由專業的設計院（如中國核工業集團有限公司、中國廣核集團有限公司、國家核電技術公司等）負責，而設備制造則由制造企業負責，因此與歐美不同，形成了EBOM（工程）、PBOM（工藝）、MBOM（制造）3個BOM作為核心產品研發要素（圖2）。

在這種機制下，設計院和制造企業之間需要進行緊密的協同合作。設計院需要向制造企業提供詳細的設計文件和規范，同時需要對制造企業的生產過程進行監督和管理，以確保設備的制造過程符合設計要求。而制造企業需要根據設計院提供的設計文件和規范進行設備的制造和裝配，并在制造過程中及時向設計院反饋制造過程中的問題和困難，以便設計院及時進行調整和優化。為了實現這種高效的協同合作，工業互聯網技術的應用已經成為核電主設備制造產業不可或缺的一部分。通過工業互聯網平臺，設計院和制造企業可以實現信息共享、資源協同和數據互通，從而提高生產效率、降低生產成本、提升產品質量和安全性。

1" 工業互聯網技術與核電裝備制造

1.1" 工業互聯網概述

工業互聯網是指通過物聯網、大數據、云計算和人工智能等先進信息技術將制造業生產要素、制造過程、制造資源以及產品和服務進行全面連接和智能化的一種新型信息通信技術。與傳統的工業自動化不同，工業互聯網強調數據的共享、協同和智能分析，致力于實現制造環節的高度智能化和靈活性（圖3）。

1.2" 工業互聯網在制造業中的應用

工業互聯網在制造業中的應用涵蓋了制造過程的各個環節，包括產品設計、生產制造、供應鏈管理和售后服務等。在產品設計方面，工業互聯網可以通過模擬和仿真技術幫助設計人員優化產品結構、提高產品質量和降低成本；在生產制造方面，工業互聯網可以實現生產過程的監控、調度和優化，提高生產效率和資源利用率；在供應鏈管理方面，工業互聯網可以實現供應鏈各環節的信息共享和協同，實現供應鏈的高效運作；在售后服務方面，工業互聯網可以通過遠程監控和診斷技術實現設備的遠程維護和故障預警，提高售后服務的效率和質量（圖4）。

1.3" 工業互聯網在核電裝備制造中的潛在作用

工業互聯網技術在核電裝備制造中具有巨大的潛在作用。首先，它可以實現核電裝備制造過程的數字化、智能化和高度靈活化，特別是在設計-制造協同方面，工業互聯網可以解決傳統設計制造相分離的問題。通過實時監測和分析生產過程中產生的大量數據，可以實現生產過程的實時調整和優化，提高生產效率和質量。其次，工業互聯網可以實現核電裝備制造過程中各個環節的信息共享和協同。不同制造環節的信息可以通過工業互聯網平臺實現實時共享，以實現整個制造過程的高效協同。工業互聯網還可以實現核電裝備制造企業與供應商、合作伙伴以及客戶之間的緊密連接和協同。通過共享數據和信息，可以實現全產業鏈的智能化協同，提高核電裝備制造的整體效率和競爭力。最后，工業互聯網可以實現核電裝備的遠程監控、運維和售后服務，通過實時診斷和預警，提高設備的可靠性和安全性，為核電裝備的長期運行提供支持。

2" 核電裝備數字化制造的現狀分析

核電設備的研發設計、生產制造和運行維護需要上下游產業鏈長周期、多專業的協作，涉及大量的數據管理和信息傳遞。

目前，核電設備的開發設計主要以文檔為主要傳遞介質，通過標準化法規、設備設計規范書和上下游專業提資等方式進行。在設計階段，需要進行布置設計、材料設計、焊接設計、無損檢測設計和防腐水化學設計等，然后進行設備強度計算、應力分析、性能分析等設計驗證工作。設計分析業務流程之間因模型格式、目標范圍不同，需要人工的模型轉換或清理，以及人工的網格劃分、施加載荷、求解計算和結果評定等操作。

隨著國內核電設備制造集團獲得集成供貨管理體系運行許可，核蒸汽供應系統設備集成供貨已成為趨勢。通過整合和共享各制造單位能力優勢、設備/人員等資源，可保障設備交付周期、降低生產制造成本，從而進一步提升我國核電裝備整體能力和技術水平。然而，目前核電設備生產制造模式相對粗放，存在數據孤島。整個制造過程信息流不完全暢通，對工人、計劃員、決策層來講，整個制造過程基本屬于黑箱。具體的執行過程是否異常，工序之間如何交接，質量數據是否正常，設備OEE指數等，存在嚴重的滯后性和不及時性。同時，各個業務系統會產生和存儲大量數據，而系統之間數據交互是依靠點對點的集成進行的，業務數據無法實現全面互聯互通和綜合集成，產品、物料、產線、工藝、質量和供應鏈等全生命周期數據未實現匯聚，出現了很多數據孤島。

以二維圖紙為主要交付方式的核電設備設計制造協同也存在一些問題。設備設計完成后，向制造單位交付二維圖紙，制造單位根據設計交付的設計圖紙，進行三維建模、工藝仿真，生成機加工指令開展設備的生產制造。同時，針對請求信息（RFI）/工程和設計變更請求（Eamp;DCR）/不符合項報告（NCR）等工程變更，下游專業需要將設計變更信息人工反映到正式發布的圖紙/文件版本上，當設計變更數量較多且可能存在嵌套變更的情況時，對下游技術人員造成很大的工作量和識別難度，存在變更執行不到位的風險。

3" 核電裝備數字化協同制造的關鍵技術與解決方案

隨著全球能源結構的轉型和技術的進步，核電作為一種高效、低碳的清潔能源，在新的能源體系中扮演著愈發重要的角色。核電裝備制造業作為核能安全和效率的基礎保障，其技術升級和制造模式創新顯得尤為迫切。當前，該領域面臨的核心挑戰之一是各環節間存在的信息孤島和數據斷鏈問題，這些問題嚴重制約了產業鏈的整合優化和資源的高效配置。為了應對這些挑戰，必須采取切實有效的技術措施和組織管理解決方案，推動核電裝備制造向數字化協同制造轉型。

建立統一的數據管理和交互平臺是解決這一問題的首要步驟。在多個專業使用不同軟件、產出多樣化圖紙、三維模型和報告的情況下，一個規范化的格式定義和統一的數據收集管理平臺顯得尤為重要。這不僅能滿足數據的單源性、一致性、精細化、可檢索性和可追溯性的要求，還能確保物項、數據、文件、作業、知識和軟件等設計要素之間的關聯性，滿足電廠配置管理的復雜要求。通過這種整合性的數據管理，工作效率得以大幅提升，同時項目管控和頂層分配的能力也得到了加強。

推動集成供貨模式是提升核電裝備制造競爭力的關鍵。集成供貨有助于加強管理控制、經驗共享和信息管控，聚焦于技術和服務能力的提升。為了實現這一目標，企業間需要進行深度整合，包括資質、設備和人員的整合，以便對核心技術資源進行快速耦合和迭代。集成供貨模式的成功運行依賴于強有力的協同合作機制，鼓勵企業之間的信息共享與資源互補，從而發揮各自的研發和制造優勢。

優化生產流程和管理模式對于提高核電裝備制造的效率也至關重要。在傳統管理模式下，設備的加工周期較長，生產過程中的能耗管理也較為粗放。借助數字化手段，可以有效地優化這些生產流程，縮短產品的生產周期，提高生產效率。例如，通過實時監控生產進度和質量，可以使生產過程更加透明化，及時發現并解決問題，減少不必要的延誤和浪費。

為了提升設計制造協同效率，企業還必須建立更有效的協同機制。目前，從設計端到制造端的交付過程中存在大量的重復勞動，如將二維圖紙重新進行三維建模以用于加工工藝仿真。這不僅耗費時間，也增加了出錯的風險。因此，設計單位和制造單位之間需要建立更緊密的合作關系，實現數據和信息的無縫對接。通過共享詳細的設計文件和規范，制造單位可以直接利用這些數據進行設備的制造和裝配，而不必花費額外的時間和資源進行轉換和調整。

在實施這些關鍵技術和解決方案的過程中，企業也必須認識到這是一個系統工程，需要多方面的努力和配合。在這一過程中，政府應該加大對核電裝備制造行業的支持力度，提供政策引導和資金支持。企業也應該加大研發投入，不斷探索新技術、新方法，提高自身的核心競爭力。企業還應該加強與高校、科研院所的合作，共同推動技術創新和人才培養。

4" 核電裝備數字化協同制造實踐案例分析

近年來，隨著工業互聯網技術的快速發展，核電裝備制造領域也積極探索數字化協同制造的實踐路徑。下面通過具體案例來分析核電裝備數字化協同制造的實踐。

4.1" 案例一：GE公司數字化協同制造實踐

通用電氣（GE）公司在核電裝備制造領域進行了一系列數字化協同制造實踐，不僅在生產過程中實現了協同，而且在設計階段也體現了設計-制造協同的重要性。通過建設智能制造平臺，GE公司實現了設備間的數據共享和智能化協同。該公司在設計階段就通過先進的計算機輔助設計（CAD）系統，實時捕捉和分析設計數據，以便在制造過程中進行精準的實施。這種設計-制造的緊密集成確保了從概念到最終產品的無縫過渡。此外，通過在生產設備上部署傳感器和數據采集設備，GE公司能夠實時監測制造過程中的數據，并將這些數據傳輸到云平臺進行分析和處理。基于這些分析結果，可以調整制造參數，優化整個制造過程。通過實時監控制造進度和質量，使制造過程更加高效、智能。同時，GE公司積極參與制定行業標準，推動了設備連接和系統互操作性的標準化，為數字化協同制造提供了技術保障。這不僅促進了生產過程的協同，也為設計-制造協同提供了堅實的基礎。

4.2" 案例二：西門子數字化制造解決方案

西門子為核電裝備制造提供了數字化制造解決方案。通過數字化制造平臺，將設計、制造、運維等環節連接起來，實現全生命周期的數字化管理。西門子提供了數字化建模和仿真技術，可以在數字化環境中進行產品設計、優化和驗證，降低了設計成本和周期。此外，西門子通過智能制造系統，實現了設備之間的智能協同，提高了制造效率和質量。具體數據見表1。通過數字化制造解決方案的應用，核電裝備制造企業能夠實現制造過程的高度智能化、透明化和可控制。

通過這些實踐案例可以看出，核電裝備制造領域已經積極探索并實踐數字化協同制造，應用工業互聯網技術和數字化解決方案，通過數據共享、設備協同制造、智能制造系統等手段實現制造過程的優化和智能化，為核電裝備制造帶來了更高效、安全、可靠的制造模式。未來，隨著技術的不斷創新和應用的推廣，核電裝備數字化協同制造將會迎來更加廣闊的發展空間。

5" 未來發展方向與展望

5.1" 工業互聯網技術在核電裝備制造中的發展趨勢

工業互聯網技術在核電裝備制造領域將持續發展并深化應用。一方面，工業互聯網技術將更加普及和成熟，成本逐步降低，使更多的企業能夠承擔和應用。另一方面，工業互聯網技術將更加注重與人工智能、大數據、區塊鏈等前沿技術的融合，實現更高級別的智能化和自動化制造。此外，工業互聯網技術將推動制造企業形成更加開放、共享、協同的生態系統，加強產業鏈上下游合作，形成全產業鏈數字化協同制造生態圈。

5.2" 核電裝備數字化協同制造的未來發展方向

未來核電裝備數字化協同制造將朝著更加智能、高效、綠色的方向發展。首先，數據安全與隱私保護將成為關鍵支撐，確保設計單位與制造單位、制造單位之間、制造單位與供應鏈企業間的數據能夠安全、可靠地流動。利用先進的加密技術和隱私保護機制，我們可以確保核電裝備制造過程中的數據不僅得到保護，而且能夠在各方之間安全地共享，從而促進整個產業鏈的協同合作。其次，數字化協同制造將更加注重智能制造的發展，通過人工智能、機器學習等技術實現制造過程的自動化、智能化和優化。這不僅提高了生產效率，還為高質量的核電裝備制造提供了保障。最后，數字化協同制造將推動核電裝備制造過程的綠色發展，通過數字化手段實現資源的高效利用、能源的節約和排放的降低，實現制造過程的綠色、可持續發展。這符合全球對環境保護和可持續發展的要求，也是核電裝備制造行業未來發展的必然趨勢。

5.3" 推動核電裝備制造數字化協同制造的政策建議

政府應該制定支持數字化協同制造發展的政策和法規，包括制定工業互聯網標準、鼓勵企業開展數字化轉型、推動數字化技術研究和應用等方面。同時，政府可以加強與企業、研究機構、行業協會的合作，共同推動核電裝備制造數字化協同制造的研究、實踐和推廣，促進我國核電裝備制造行業向數字化、智能化邁進。

6" 結束語

綜上，隨著工業互聯網技術的快速發展和不斷深化，核電裝備制造正在迎來數字化協同制造的新時代。本文系統性地探討了工業互聯網技術在核電裝備制造中的應用及未來發展方向。經研究發現，數字化協同制造過程中仍面臨著諸多挑戰，如數據安全與隱私保護、設備連接與集成、系統互操作性與標準化等。解決這些挑戰需要技術創新、標準制定和政策支持等多方面的努力。展望未來，我們期待工業互聯網技術在核電裝備制造領域持續創新，更好地滿足核能發展的要求。

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