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當下，席卷全球的人工智能(AI)浪潮的一個關(guān)鍵就是人工智能技術(shù)在各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的落地應(yīng)用。核電領(lǐng)域近年來也廣泛應(yīng)用人工智能，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用范圍的不斷擴大，為核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來巨大變革。

“近年來，隨著核電技術(shù)逐漸成熟和規(guī)范，再加上人工智能技術(shù)在大數(shù)據(jù)上取得的重大突破，核電智能化已成為核領(lǐng)域的一個非常重要的研究方向，對于提升核電站的安全性和經(jīng)濟性具有重要意義。”在3月20日中國經(jīng)營報社、中經(jīng)傳媒智庫主辦的“人工智能涌現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)生態(tài)創(chuàng)新”專題研討會上，清華大學(xué)核研院助理研究員、人工智能青年學(xué)者張?zhí)礻蝗缡潜硎尽?/p>

核電智能化由來及應(yīng)用

核電是人工智能最早的應(yīng)用對象之一，智能核電的概念起源于上世紀80年代，尤其是在第二次人工智能寒潮來臨前，有大量的專家學(xué)者開展智能核電研究工作，通過建立專家系統(tǒng)提高核電站的自動化水平，從而提升經(jīng)濟性。由于核電站是一個非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，存在著大量的相互耦合的設(shè)備，相關(guān)運行參數(shù)也是海量的，當時的人工智能技術(shù)還難以滿足核電提出的需求。此外，幾次嚴重核事故的發(fā)生，也導(dǎo)致了專家學(xué)者將研究重心轉(zhuǎn)移到核安全方向，智能核電研究在當時幾乎停滯。

近年來，隨著核電技術(shù)逐漸成熟、規(guī)范，以及人工智能技術(shù)的重大突破。核電智能化已成為核領(lǐng)域一個非常重要的研究方向。

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院(簡稱核研院，工程代號為200號)正是該研究領(lǐng)域的先驅(qū)。從上世紀60年代起，核研院科研與工程團隊完成了多個先進反應(yīng)堆型的研發(fā)。其中，具有固有安全性的高溫氣冷堆技術(shù)榮獲國家最高科學(xué)技術(shù)獎，圍繞該技術(shù)自主建設(shè)的石島灣核電站于去年年底正式商運投產(chǎn)，標志著我國在第四代核電站技術(shù)中走在了世界前列。核研院計算機與控制研究室負責(zé)與核電儀表、控制、電氣，以及智能化相關(guān)的設(shè)計和研究工作。

比如說，在核電的設(shè)計階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以將設(shè)計圖紙具象化，通過全廠三維模型可以更好地、更直觀地檢測設(shè)備布局的合理性，以及設(shè)計的可靠性。同時，可以通過虛擬現(xiàn)實等技術(shù)打通數(shù)字化電廠與人員之間的交互通道，在核電站建造完成之前，對相應(yīng)運維人員進行培訓(xùn)。此外，大模型技術(shù)也逐步應(yīng)用到核電建造前的審查與安全性評估工作中，與傳統(tǒng)的人工審核模式相比，智能審查的審核速度提高約百倍，單項目可節(jié)約成本超過1000萬元。

張?zhí)礻唤榻B，人工智能技術(shù)也在逐步應(yīng)用于核電站的建造階段。中核集團推出多個智慧工地統(tǒng)建試點項目，不僅能采用相關(guān)技術(shù)對現(xiàn)場人員進行更有效管控，還可以通過模塊化提升施工質(zhì)量和施工工效。

在核電站的運營階段，需要借助現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)等技術(shù)去開發(fā)操縱員輔助運行決策系統(tǒng)，以減輕主控制室操縱員的認知負荷，減少人為失誤。比如，記錄表明，在三哩島事故中，事故初期2小時產(chǎn)生8萬多報警，影響操縱員作出有效操作。因此，就需要通過人工智能技術(shù)去開發(fā)操縱員輔助運行決策系統(tǒng)，輔助操縱員監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵系統(tǒng)的運行參數(shù)，輔助操縱員分析核電站運行狀態(tài)，輔助操縱員判斷核電站異常情況，并向操縱員提供操作建議。

“開發(fā)操縱員輔助運行決策系統(tǒng)涵蓋了與操縱員對設(shè)備和系統(tǒng)感知和決策相關(guān)的大量的智能化工作，對于提升核電站的經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。同時，機器人技術(shù)也有助于核電站的運維。比如，采用機器人技術(shù)完成特殊環(huán)境的巡檢，以及遠程作業(yè)等工作，以解放高輻射環(huán)境下的工作人員。”張?zhí)礻徽f。

總之，從核電站前期的設(shè)計工作，到中期的建造工作，以及之后的運營工作，人工智能技術(shù)正逐步應(yīng)用到這些場景中，并發(fā)揮重要作用。

核電智能應(yīng)用的難點及機遇

雖然智能核電可以簡單理解為，通過一些專業(yè)知識、專家經(jīng)驗，以及一些數(shù)據(jù)去開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)，通過完成識別、預(yù)測、決策等任務(wù)，來提升核電站某一環(huán)節(jié)的性能。但是，由于核電站是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，人工智能系統(tǒng)的開發(fā)周期往往較長，存在著大量的挑戰(zhàn)。

張?zhí)礻徽J為，核電站的復(fù)雜性對人工智能技術(shù)提出了比較高的要求。比如說，核電站的數(shù)據(jù)是多源、多模態(tài)的，并且異常樣本非常稀缺。數(shù)據(jù)的完整性和可靠性對于開發(fā)人工智能系統(tǒng)提出了較大的挑戰(zhàn)。其次，針對核電這一特殊領(lǐng)域，人工智能模型的安全性是需要考慮的。比如說，模型如何受到約束，從而不會對電廠造成重大的影響;保護系統(tǒng)如何不被網(wǎng)絡(luò)攻擊，并且在人為誤操作的情況下還能維持穩(wěn)定性等，都對于人工智能技術(shù)落地有著重要影響。

“還有一點我覺得也非常重要，就是現(xiàn)在人工智能的可解釋性問題。針對這樣的復(fù)雜模型，如何在符合保密性要求的情況下，對作出感知和決策的依據(jù)，以及所產(chǎn)生的長期影響進行解釋?這也是核電對人工智能所提出的要求。”張?zhí)礻槐硎荆斯ぶ悄苈涞睾穗娺€需要考慮如何通過離線數(shù)據(jù)對開發(fā)的模型進行評估，并且當模型應(yīng)用到核電站時，如何對其在線更新進行安全監(jiān)督等，都是需要去思考的問題。

不過，這些挑戰(zhàn)同樣也是機遇。智能核電的研究對于核電領(lǐng)域和人工智能領(lǐng)域都會產(chǎn)生很大的影響。比如，強化學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了對托卡馬克裝置等離子體的控制，并且發(fā)現(xiàn)了新的等離子體形態(tài);深度學(xué)習(xí)技術(shù)也已能在300秒前成功對等離子體撕裂現(xiàn)象進行預(yù)測，從而通過人工干預(yù)避免事故的發(fā)生。這些技術(shù)有助于推進核聚變領(lǐng)域的發(fā)展。

張?zhí)礻徽J為，在更為成熟的核裂變領(lǐng)域，無論是在第三代還是在第四代核電站中，智能核電對于經(jīng)濟性和安全性產(chǎn)生更重要的影響。2022年，國家將智慧核電放到了能源領(lǐng)域的“十四五”規(guī)劃中，重點強調(diào)了前面所提到的核電站數(shù)字孿生、操縱員輔助運行決策系統(tǒng)，以及核工業(yè)機器人等技術(shù)。

同樣，在國際上，美國核管理委員會提出了2023—2027年人工智能應(yīng)用到核電領(lǐng)域的方針，定義了核電從自動化到自主化發(fā)展過程中，從Level 0到Level 4每一個等級的定義。比如，Level 0階段就是無人工智能系統(tǒng)，僅通過人工和自動化系統(tǒng)配合完成核電站的相關(guān)工作。Level 1階段為輔助系統(tǒng)，相關(guān)人員可以通過人工智能系統(tǒng)提供的信息，對非安全設(shè)備和系統(tǒng)進行操作。Level 2階段為增強系統(tǒng)，其在Level 1的基礎(chǔ)上，將人工智能系統(tǒng)的作業(yè)范圍拓展到安全設(shè)備和系統(tǒng)中。Level 3階段為監(jiān)督系統(tǒng)，人工智能系統(tǒng)可以直接對核電站進行操作，但需要相關(guān)人員對其行為進行監(jiān)督。Level 4階段為自主系統(tǒng)，不再需要人員介入。“該方針鼓勵核電領(lǐng)域研究人員根據(jù)設(shè)備和系統(tǒng)的重要程度，去自行設(shè)計相應(yīng)的人工智能系統(tǒng)，以提升自主化水平。”張?zhí)礻徽f。

同時，國際原子能機構(gòu)和國際電工委員會也在制定一些人工智能應(yīng)用到核電領(lǐng)域的標準，來自中國的專家和學(xué)者在其中起到關(guān)鍵作用。“我覺得人工智能技術(shù)正在逐步應(yīng)用到核電領(lǐng)域，國家的政策和國際標準的制定對于智能核電的發(fā)展也產(chǎn)生了巨大的推動力。智能核電不僅能為其他工業(yè)智能化發(fā)展提供參考，也可以提供共性應(yīng)用技術(shù)。” 張?zhí)礻槐硎尽?/p>