Цифровые двойники
Глобальный рынок цифровых двойников в 2020 году оценивался в $3,1 млрд. Ожидается, что к 2026 году он вырастет более чем в 15 раз — до $48,2 млрд.
Цифровой двойник — это точная виртуальная копия реального объекта, на которой можно моделировать различные процессы и сценарии. В атомной энергетике пока нет крупных реализованных проектов по созданию полного двойника АЭС. Но отрасль постепенно движется в этом направлении.
Недавно французская Framatome вместе с EDF Group, Комиссией по альтернативным источникам энергии и атомной энергетике и другими партнерами запустили масштабную инициативу. В течение четырех лет более 100 экспертов будут заниматься созданием виртуальных клонов действующих во Франции реакторов. Двойников планируют использовать в качестве тренажера для операторов и среды для моделирования в инженерных экспериментах и исследованиях.
Над созданием двойников АЭС работают и другие игроки. По словам представителей GE Digital, компания уже собрала в своем каталоге модели, охватывающие 30% потенциальных отказов на атомных станциях. Речь в первую очередь идет о сбоях на критических элементах, таких как турбины, насосы и компрессоры. В компании подчеркивают, что новый инструмент помогает перейти от корректирующего обслуживания (сначала возникает неисправность, а потом устраняют) к профилактическому. Кроме того, цифровые двойники с элементами ИИ в перспективе позволят снизить расходы операторов АЭС за счет оптимизации режимов и процессов.
Тем временем Siemens исследует возможности применения цифровых двойников для ядерных реакторов четвертого поколения, которые сейчас разрабатываются в мире. Компания моделирует свойственные этим реакторам физические процессы — например, теплопередачу в новых охлаждающих жидкостях, таких как расплавленные соли.
В развитии технологии, позволяющей предотвращать инциденты и снижать расходы, заинтересован не только бизнес, но и власти. Минэнерго США уже выделило $27 млн на поддержку проектов по цифровым двойникам в атомной отрасли.
Виртуальная АЭС
Промежуточный шаг на пути к созданию цифровых двойников — виртуальные АЭС. Они представляют собой не копию конкретного физического объекта, а скорее универсальную модель целого класса электростанций.
Так, в 2020 году в России запустили в эксплуатацию программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая АЭС», который отражает устройство атомной электростанции на водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР). С помощью комплекса можно смоделировать любые режимы работы энергоблоков — от нормальной эксплуатации до сложных нештатных ситуаций.
Расчетные модули для разных процессов и агрегатов здесь объединены в одну систему. На ее базе можно построить детальные модели энергоблоков и создать полноценные цифровые двойники.
VR и AR
Несмотря на высокий уровень развития технологий, самые ответственные решения на опасных объектах по-прежнему принимают люди. А значит, безопасность станции зависит от квалификации персонала и его действий, особенно — в случае ЧП.
В прошлом стажеры по техническому обслуживанию использовали для тренировки физические модели, рассказывает инженер-технолог GE Игорь Балла. Но это не позволяло увидеть, как разные элементы АЭС работают вместе и как они связаны между собой.
Поэтому для обучения инженеров и специалистов по обслуживанию сегодня применяют технологии виртуальной реальности. В частности, GE создает VR-модели своих объектов вместе с французским 3D-дизайнером Кевином Дюбреем. Такие модели помогают молодым атомщикам «посетить» АЭС, увидеть оборудование и научиться работать с турбинами, многие из которых устанавливались еще до их рождения. Технологию используют для подготовки персонала энергообъектов во Франции и ряде других стран.
Похожие решения для обучения и тренировки сотрудников развивает финская компания Fortum. На атомной электростанции Forsmark в Швеции инструменты виртуальной и дополненной реальности применяют для моделирования возможных проблем, таких как пожар в диспетчерской.
Эти инструменты также помогают осматривать электростанцию в труднодоступных местах — например, в бассейне с водой — и принимать решения о замене компонентов. В итоге повышается уровень безопасности объекта, а нагрузка на персонал и время простоев сокращаются. Вместе с этим уменьшаются и затраты на обслуживание станции.
Предикативная аналитика
Анализ данных используют для прогнозирования поломок и планирования ремонтов в разных сферах экономики — от нефтегазовой отрасли до городского транспорта. Атомная энергетика — не исключение.
На современных энергоблоках есть множество систем диагностики и регистрации технических параметров, которые генерируют большое количество информации. Однако массив данных слишком велик для ручного анализа. Только по генератору контролируется около 400 параметров, а на всем энергоблоке их десятки тысяч, рассказывали специалисты «Росэнергоатома».
По их словам, предикативная аналитика позволяет систематизировать и программно проанализировать все получаемые данные. И таким образом — спрогнозировать работу оборудования и возможные поломки. На основе этой информации можно проводить превентивный ремонт и предугадывать нестандартные ситуации.
Систему предикативной аналитики внедрили, в частности, на шестом энергоблоке Нововоронежской АЭС. Это был пилотный проект в рамках концерна «Росэнергоатом».
Предикативный анализ также входит в комплексные цифровые продукты для атомной отрасли. К примеру, облачная платформа Predix от GE предусматривает быстрый анализ больших данных для обнаружения и диагностики уже возникших и будущих неисправностей. Внедрять ее начали несколько лет назад, а среди первых объектов была АЭС Калверт-Клифс в штате Мэриленд.
Связь на базе IoT
Получать полную и точную информацию об оборудовании критически важно для устойчивой работы любого промышленного или энергетического объекта. Поэтому большинство российских компаний уже используют технологии интернета вещей (IoT), объединяющие устройства в компьютерную сеть. Прежде всего, для обеспечения общей безопасности и мониторинга техники.
Но на АЭС связать устройства между собой несколько сложнее. Физические каналы передачи данных можно разместить не везде, а обычные беспроводные системы могут оказаться недостаточно устойчивыми и защищенными для таких опасных энергообъектов. Поэтому для атомных станций разрабатывают специальные решения, в том числе на базе IoT.
Среди самых масштабных примеров — развертывание связи на Таньванской АЭС, одной из крупнейших в Китае. На пятом и шестом блоке станции решили внедрить беспроводную систему Nu-WiFi от китайской компании UltraPower. Она выдерживает высокий уровень радиоактивного излучения и обеспечивает безопасность данных. Nu-WiFi также поддерживает мобильную связь, точное позиционирование, широкополосную передачу данных и доступ к IoT.
Визуальный анализ с помощью ИИ
Даже самая тщательная подготовка специалистов не исключает недочетов, связанных с человеческим фактором.
За соблюдением техники безопасности наблюдают диспетчеры, но они не могут отслеживать ситуацию одновременно с нескольких десятков камер. К тому же длительность концентрации внимания диспетчера, как отмечают в VisorLabs, обычно не превышает 30 минут. В итоге разбор нарушений чаще всего происходит постфактум, а инциденты расследуют по архивным записям.
Компания разработала систему видеоанализа с элементами ИИ, которая автоматически отслеживает соблюдение техники безопасности в режиме реального времени. Она регистрирует 98% нарушений и способна полностью заменить диспетчера, контролирующего ситуацию с камер.
Решение уже внедрили на Кольской АЭС концерна «Росэнергоатом». Здесь развернули сеть из примерно 100 камер. Полученные с них изображения анализирует нейронная сеть, которая фиксирует недочеты. Информация поступает на мобильный девайс начальника смены, который может оперативно принять меры. Благодаря видеоанализу количество нарушений на станции уже сократилось в десять раз.
Сейчас система умеет отслеживать наличие средств защиты и правильной экипировки сотрудников, а также их положение относительно распределительных щитов. В будущем разработчики хотят также создать специальные точные детекторы возгорания и задымления, адаптированные к оборудованию «Росэнергоатома».