1 引言

　　近年來，我國核電產(chǎn)業(yè)不斷堅(jiān)持自主創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與能力得到大幅提升。根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國核能發(fā)展報告》(2018)藍(lán)皮書[1]，截至2017年年底，我國在運(yùn)核電機(jī)組達(dá)到37臺，位列全球第四;發(fā)電量達(dá)2474.7億千瓦時，位列全球第三。清潔能源占比過小是目前中國能源結(jié)構(gòu)的突出問題，過于依賴火電導(dǎo)致中國環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。核電屬于清潔能源，較之煤炭發(fā)電，更能節(jié)約資源，符合國家節(jié)約資源的政策。可以預(yù)見，未來5~10年，在國家政策的強(qiáng)力推動下，以核電為首的清潔能源比例將得到大幅提升。

　　盡管核電正在向著信息化、智能化的方向穩(wěn)步前進(jìn)，但距離完整落地、成為生產(chǎn)力代表尚有距離。例如，核電站能否在大規(guī)模復(fù)雜電力供求下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行?能否在多智能體系統(tǒng)間優(yōu)化運(yùn)行?能否在人在回路中找到最優(yōu)收斂方案?這些都需要大量成本去追溯。然而，核電站卻有著生產(chǎn)資料貴、研究代價高、場景高度危險等實(shí)際問題，還涉及種種社會因素，這些都導(dǎo)致核電站處在實(shí)驗(yàn)難的處境[2]。

　　因此，本文嘗試?yán)没?ACP(人工社會(artificial societies)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)(computational experiments)和平行執(zhí)行(parallel execution))的平行系統(tǒng)理論去解決核電站研究面臨的問題。將理論研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算技術(shù)3種科學(xué)研究手段結(jié)合起來，在常規(guī)核電研究的基礎(chǔ)上，添加社會性關(guān)聯(lián)問題的探索，解釋各要素間關(guān)系的演化，以及自適應(yīng)處理各類異常狀態(tài)的能力，在復(fù)雜核電系統(tǒng)研究的多元化和集成化上又向前推進(jìn)了一步，對核電系統(tǒng)邁向智能化發(fā)展具有重要的意義。

　　2 平行核電的發(fā)展歷程

　　平行系統(tǒng)(parallel systems)的構(gòu)想起源于 1994年的智能系統(tǒng)研究。王飛躍提出了嵌入式協(xié)同仿真方法——即將協(xié)同仿真 (co-simulation)嵌入實(shí)際系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對實(shí)際系統(tǒng)的智能控制，并將其命名為影子系統(tǒng)(shadow systems)[3]。2004年，王飛躍研究了復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的人工現(xiàn)象(如人工生命、人工系統(tǒng)、人工社會)問題[4]，并強(qiáng)調(diào)了“虛”空間的重要作用;同時從不同層面開展了復(fù)雜系統(tǒng)與人工社會交叉融合[5]的系統(tǒng)性研究，以及基于人工社會的計(jì)算實(shí)驗(yàn)理論與仿真研究[6]，提出了利用平行系統(tǒng)方法解決復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制問題[7]。同年，王飛躍就如何利用計(jì)算方法來綜合解決復(fù)雜社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和城市綜合發(fā)展的科學(xué)問題，正式提出了人工社會(artificial societies)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)(computational experiments)與平行執(zhí)行(parallel execution)相結(jié)合的ACP 方法[8,9]。2009 年，王飛躍聚焦我國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題，將平行理論應(yīng)用到核電領(lǐng)域，撰寫了題為《平行核電體系與先進(jìn)中國核電站ACP系統(tǒng)的框架》的國核自儀系統(tǒng)工程公司建議報告[10]。針對美國AP1000型核電站，提出利用平行思想構(gòu)建中國自己的更安全、更可靠、更高效的“先進(jìn)中國核站ACP(advanced China plants)”設(shè)想，首次提出了“平行核電”的概念，系統(tǒng)闡述了平行核電的指導(dǎo)思想、基礎(chǔ)原理、應(yīng)用方向和解決方案，以解決核電復(fù)雜系統(tǒng)中不可準(zhǔn)確預(yù)測、難以拆分還原、無法重復(fù)實(shí)驗(yàn)等復(fù)雜性問題。同年，王飛躍在國核自儀系統(tǒng)工程公司杭州研討會[11]上系統(tǒng)地闡述了平行理論與核電產(chǎn)業(yè)結(jié)合的具體實(shí)施方法，以反應(yīng)堆、核電站、核工業(yè)等為落地點(diǎn)，針對核電體系的實(shí)際系統(tǒng)流程，將生產(chǎn)內(nèi)容分解成可定量、可計(jì)算、可執(zhí)行的過程，使來自物理、社會及信息社會的知識經(jīng)驗(yàn)形式化、計(jì)算化、可視化，促使實(shí)際流程向人工流程轉(zhuǎn)變，從而化繁為簡、減小核電系統(tǒng)相關(guān)目標(biāo)的不確定性，實(shí)現(xiàn)核電系統(tǒng)的智能管控。

　　平行核電的涵義在于首先通過核電數(shù)據(jù)、算法、模型等在虛擬空間中構(gòu)建人工系統(tǒng);然后將人工核電系統(tǒng)作為虛擬空間的實(shí)驗(yàn)室，并在其中采用計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法研究各種可能的現(xiàn)實(shí)情景，對影響復(fù)雜系統(tǒng)行為的各種可能的因素進(jìn)行定量分析;最后，通過多種數(shù)據(jù)感知與數(shù)據(jù)同化方法實(shí)現(xiàn)人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的平行執(zhí)行[12]，測量實(shí)際核電系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，更新人工系統(tǒng)的模型、參數(shù)、算法，確保人工系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，并通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)分析支持實(shí)際核電系統(tǒng)的優(yōu)化管理與控制。

　　此外，平行系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人工系統(tǒng)和實(shí)際核電系統(tǒng)的虛實(shí)互動和協(xié)同演化，注重從實(shí)際系統(tǒng)中測量系統(tǒng)狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)，并反饋到人工系統(tǒng)中更新系統(tǒng)狀態(tài)、模型和參數(shù)，使得人工系統(tǒng)基于實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)開展計(jì)算，提高對實(shí)際核電系統(tǒng)行為預(yù)測的準(zhǔn)確性。

　　3 平行核電系統(tǒng)架構(gòu)

　　平行核電系統(tǒng)的構(gòu)建及其與實(shí)際系統(tǒng)的互動涵蓋了描述智能、預(yù)測智能和引導(dǎo)智能3個層次[12]。

　　3.1 平行核電之描述智能

　　描述智能(descriptive intelligence)解決如何在虛擬空間(cyberspace)構(gòu)建人工系統(tǒng)、描述實(shí)際系統(tǒng)。由于核電系統(tǒng)具有很強(qiáng)的不確定性、多樣性、復(fù)雜性，無法滿足可實(shí)驗(yàn)、可重復(fù)等要求，很多實(shí)驗(yàn)難以或無法進(jìn)行，例如反應(yīng)堆融堆、主泵損壞、安全殼碎裂等。因此，復(fù)雜核電系統(tǒng)通常進(jìn)行的是離線化、經(jīng)驗(yàn)性的分析，難以滿足實(shí)時化、精確化的需求。

　　傳統(tǒng)的核電描述主要是對核電物理的模擬，進(jìn)一步是對發(fā)電環(huán)境，乃至社會環(huán)境的模擬和建模，逐漸使得虛實(shí)之間形成了巨大的鴻溝。由于建模鴻溝的存在，描述系統(tǒng)的建模方法由直接控制系統(tǒng)行為的“牛頓定律”轉(zhuǎn)向間接影響系統(tǒng)行為的“默頓定律”[13]。

　　描述智能特指基于數(shù)據(jù)通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練而構(gòu)建的模型。現(xiàn)有大部分核電設(shè)備和環(huán)境模型的特征在于，給定當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)時，理論上可通過公式求解準(zhǔn)確獲得系統(tǒng)后續(xù)動態(tài)，使系統(tǒng)可計(jì)算、可預(yù)測，這類系統(tǒng)稱為牛頓系統(tǒng)。對于一個僅由作物與環(huán)境構(gòu)成的系統(tǒng)，牛頓系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)適用。但由于核反應(yīng)的模型復(fù)雜度高，實(shí)際應(yīng)用中往往會替代為基于數(shù)據(jù)和智能算法的模型。這類基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型(黑箱模型)包括人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和模糊方法等，是核電智能管理和控制的基礎(chǔ)。以數(shù)值反應(yīng)堆為例，通過建立一個可預(yù)測的虛擬數(shù)值反應(yīng)堆集成環(huán)境進(jìn)行多專業(yè)化精準(zhǔn)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)耦合協(xié)同，預(yù)測真實(shí)反應(yīng)堆從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行到退役等全生命周期內(nèi)的各種性能、參數(shù)等[14]。

　　平行核電的邏輯和原理如圖1和圖2所示。

　　平行核電的模型包括基于知識的模型、基于數(shù)據(jù)的模型，以及數(shù)據(jù)和知識共同驅(qū)動的模型3類。

　　① 基于知識的模型。核電的知識描述主要包括主要反應(yīng)堆因子的描述;核反應(yīng)的模擬為發(fā)電的描述提供輸入數(shù)據(jù)。一方面是社會用電需求的模擬，包括各種電力上網(wǎng)模型;另一方面是熱循環(huán)模型，包括反應(yīng)堆溫度以及蒸汽溫度模型。核反應(yīng)的模擬可用于核電站的設(shè)計(jì)以及對核島內(nèi)能量流動的理解和教學(xué)。發(fā)電管理則包括儀控儀表系統(tǒng)、物資系統(tǒng)、人員因素與時間確定等，以對核電生產(chǎn)進(jìn)行定量研究。核電經(jīng)濟(jì)因素的描述，包括核電站的投入與產(chǎn)出關(guān)系、電力市場價格的描述，以期指導(dǎo)未來的生產(chǎn)計(jì)劃[15]。

　　

　　圖1 平行核電邏輯

　　

　　圖2 平行核電原理

　　② 基于數(shù)據(jù)的模型。人工系統(tǒng)的構(gòu)建方法將對象視為黑箱，關(guān)注輸入和產(chǎn)出之間的關(guān)系，而不去對反應(yīng)堆內(nèi)部的復(fù)雜過程進(jìn)行建模和模擬。通過構(gòu)建堆芯、反應(yīng)堆、核島、核電站、社會相關(guān)模型，在數(shù)據(jù)充分的條件下，可以通過反復(fù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)達(dá)到期望的效果，實(shí)現(xiàn)人工系統(tǒng)構(gòu)建的目的。

　　③ 數(shù)據(jù)和知識共同驅(qū)動的模型。核電站生產(chǎn)受核電站本身和外部環(huán)境影響，在不同的社會環(huán)境下，盡管人和社會因素有一定的不確定性，但仍保持一定的規(guī)律。根據(jù)人和社會規(guī)律的描述與數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合的思路，將描述核電站全生命周期的模型與機(jī)器學(xué)習(xí)相耦合，使得模型有很強(qiáng)的可塑性，同時還可以計(jì)算多種狀態(tài)變量，使得對過程的完全不可知具有一定的透明性。這種方式不僅降低了對數(shù)據(jù)的依賴性，而且彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型難以模擬和預(yù)測人員操作等行為的不足。

　　3.2 平行核電之預(yù)測智能

　　預(yù)測智能(predictive intelligence)是建立在描述智能基礎(chǔ)之上的對未來發(fā)展的預(yù)估和優(yōu)化，其基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，反映的是基于當(dāng)前和過去的規(guī)律的對未來的認(rèn)識。

　　借助信息技術(shù)和人工系統(tǒng)，在虛擬空間中可快速預(yù)測不同環(huán)境或控制管理下的核電站，例如不同溫度、堆芯、壓力條件下的發(fā)電響應(yīng)，以及在假定電力市場變化的判斷下發(fā)電量的變化。除了受環(huán)境影響，核電站還受內(nèi)在人員的影響。基于人的干預(yù)，對不同行為信息進(jìn)行發(fā)電模擬和預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)場景下的生成設(shè)計(jì)。

　　平行核電預(yù)測智能框架如圖3所示。

　　要實(shí)現(xiàn)期望的目標(biāo)，歸根結(jié)底要解決如何對企業(yè)的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行更好的管理和控制的問題。預(yù)測智能通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)，對不同層面的管理進(jìn)行預(yù)估和優(yōu)化，認(rèn)識實(shí)際系統(tǒng)各要素間的關(guān)系。實(shí)際上，核電系統(tǒng)每天都在產(chǎn)生并存儲大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含控制系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行的重要信息。利用大量的離線、在線數(shù)據(jù)和知識，實(shí)現(xiàn)面向計(jì)算實(shí)驗(yàn)的人工系統(tǒng)的分析和評估、控制器優(yōu)化。同時實(shí)現(xiàn)計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)組成與行為的主動辨識和控制。

　　

　　圖3 平行核電預(yù)測智能框架

　　計(jì)算實(shí)驗(yàn)包含5個功能模塊，即核心仿真模塊、數(shù)據(jù)中心模塊、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊、學(xué)習(xí)與優(yōu)化模塊、實(shí)驗(yàn)評估模塊，通過模塊間的協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)交互。

　　(1)核心仿真模塊

　　經(jīng)過可信度驗(yàn)證的人工核電系統(tǒng)，加載各類模型，添加各種假設(shè)和可能的情況到場景庫，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。統(tǒng)計(jì)分析各個階段的數(shù)據(jù)，反饋至系統(tǒng)初始建模階段以提高平行核電的仿真效果。將虛實(shí)系統(tǒng)的單一組件或多組件相連，同時保持整體一致性，通過人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的比較，動態(tài)修正人工核電系統(tǒng)模型。

　　(2)數(shù)據(jù)中心模塊

　　為了彌補(bǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)在時間、空間、來源等方面的不足，在核電實(shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)，自我生成虛擬大數(shù)據(jù)，采用對偶方式進(jìn)行虛實(shí)互動，修訂、補(bǔ)足和平滑數(shù)據(jù)。通過多次迭代，逐步逼近實(shí)際分布，逐漸完備數(shù)據(jù)。虛擬數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)，其大小由耦合關(guān)系和實(shí)驗(yàn)規(guī)模決定。

　　從產(chǎn)生數(shù)據(jù)到解決問題，每條數(shù)據(jù)會經(jīng)歷多次循環(huán)往復(fù)，每次循環(huán)過程包括6個階段：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)智能，數(shù)據(jù)引擎。數(shù)據(jù)集在各階段的表現(xiàn)不同，從獲取問題相關(guān)的數(shù)據(jù)集，到解決問題的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集的動態(tài)反映為一個動力學(xué)軌跡，該軌跡包括了實(shí)際數(shù)據(jù)集、虛擬數(shù)據(jù)集、智能數(shù)據(jù)集的動態(tài)變化過程。經(jīng)過多次擴(kuò)張收斂、循環(huán)往復(fù)，最終收斂為核電系統(tǒng)的各類解決方案。

　　(3)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊

　　利用核電站相關(guān)信息，為核電站設(shè)計(jì)各類實(shí)驗(yàn)情景，以計(jì)算機(jī)為試驗(yàn)場，進(jìn)行各類軟性實(shí)驗(yàn)。通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)的場景生成、驅(qū)動機(jī)制、結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)評估等關(guān)鍵技術(shù)(并在此基礎(chǔ)上針對特定的核電領(lǐng)域設(shè)計(jì)多種場景化實(shí)驗(yàn))，研究動態(tài)演化規(guī)律及其常規(guī)和非常規(guī)管控策略。

　　在人工系統(tǒng)上進(jìn)行各種核電站異常情況下的計(jì)算實(shí)驗(yàn)是平行控制的特色。通過復(fù)雜核電系統(tǒng)異常情況下的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，對系統(tǒng)的故障行為進(jìn)行預(yù)測和分析，以形成應(yīng)急預(yù)案，提前演練，減少實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性和危害。在人工建模與驗(yàn)證研究的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行各種各樣的“加速”“壓力”“極限”“失效”“突變”等實(shí)驗(yàn)，分析復(fù)雜系統(tǒng)的演化結(jié)果，形成正常情況與應(yīng)急情況下的應(yīng)對方案，以指導(dǎo)復(fù)雜核電系統(tǒng)[16]的安全、高效、可靠運(yùn)行。

　　計(jì)算實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理階段，從原始數(shù)據(jù)中選取特定的“小數(shù)據(jù)”，結(jié)合先驗(yàn)知識，并將其輸入人工系統(tǒng)。結(jié)合特定的原始小數(shù)據(jù)與人工系統(tǒng)，使用預(yù)測學(xué)習(xí)的方法產(chǎn)生大量的新數(shù)據(jù)，構(gòu)成解決問題所需要的“大數(shù)據(jù)”。在行動學(xué)習(xí)中段運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)思想，使用遷移學(xué)習(xí)來描述系統(tǒng)的動態(tài)變遷，通過指示學(xué)習(xí)的方式在人工核電系統(tǒng)中對行動空間進(jìn)行探索。通過學(xué)習(xí)提取，得到小知識，用于場景的精準(zhǔn)知識，并將其應(yīng)用于平行控制。而平行控制對引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)采集，獲得新的原始數(shù)據(jù)，并再次進(jìn)行新的平行學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)在數(shù)據(jù)和行動之間[17]得到優(yōu)化。

　　(4)學(xué)習(xí)與優(yōu)化模塊

　　學(xué)習(xí)與優(yōu)化模塊用于在計(jì)算實(shí)驗(yàn)中選擇并訓(xùn)練算法，也可用于實(shí)際運(yùn)行算法的優(yōu)化。此處的學(xué)習(xí)與優(yōu)化模塊泛指使用機(jī)器學(xué)習(xí)或其他優(yōu)化方法，可以是模糊規(guī)則推理、遺傳算法、蟻群算法等控制領(lǐng)域的優(yōu)化方法，也可以是強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等人工智能方法[18]。

　　(5)實(shí)驗(yàn)評估模塊

　　平行系統(tǒng)通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)對不同的核電方案進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果評估，如運(yùn)行方案的有效性、事件反應(yīng)方案的合理性、核電站規(guī)劃的效益性等。有效解決方案的試驗(yàn)評估方式包括專家經(jīng)驗(yàn)評估方式和模糊評估方案等。充分利用在計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘方面的研究基礎(chǔ)，研究基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)在特性分析方法。采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型、馬爾可夫隨機(jī)場模型、隨機(jī)森林模型等，描述大規(guī)模復(fù)雜過程工業(yè)系統(tǒng)各要素間可能存在的相互關(guān)系，利用基于子空間分解的大規(guī)模智能優(yōu)化算法的研究成果，實(shí)現(xiàn)超高維圖概率模型的高效構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，研究基于關(guān)聯(lián)存儲的遺傳規(guī)劃技術(shù)，輔以響應(yīng)面分析，從大規(guī)模復(fù)雜過程工業(yè)系統(tǒng)的各要素中發(fā)現(xiàn)那些對系統(tǒng)有重要影響的敏感要素，為系統(tǒng)預(yù)測與引導(dǎo)提供參考[19]。

　　3.3 平行核電之引導(dǎo)智能

　　引導(dǎo)智能(prescriptive intelligence)是通過描述智能與預(yù)測智能找到有利的或優(yōu)化的策略。在平行執(zhí)行過程中，平行與實(shí)際系統(tǒng)持續(xù)相互反饋、相互引導(dǎo)，不僅要利用當(dāng)前和過去的數(shù)據(jù)，而且還要綜合考慮期望結(jié)果、所處環(huán)境、資源條件等更多影響因素，在不停地對比分析所有可能方案的基礎(chǔ)上，提出可以直接用于決策的建議或方案。通過提高人工系統(tǒng)的地位與作用，構(gòu)建實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)之間交互運(yùn)行和過程演化的平行控制系統(tǒng)，采用可計(jì)算、可實(shí)驗(yàn)、可操作的方法，并采用傳統(tǒng)的滾動優(yōu)化與綜合集成研討廳的方法研究復(fù)雜系統(tǒng)中的科學(xué)決策問題，按照“不斷探索和改善”的原則實(shí)現(xiàn)對智能的引導(dǎo)[20,21,22,23,24,25]。

　　在核電領(lǐng)域，主要通過對實(shí)際系統(tǒng)和平行系統(tǒng)進(jìn)行行為對比分析，完成對各自未來狀況的預(yù)測，相應(yīng)地調(diào)整控制方式，達(dá)到共同優(yōu)化控制的目的。核電的引導(dǎo)智能包括平行核電系統(tǒng)的交互執(zhí)行與過程演化策略。通過人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)之間的平行引導(dǎo)方式、相互作用機(jī)理和協(xié)議、交互學(xué)習(xí)控制策略，以及平行系統(tǒng)的交互執(zhí)行和過程演化，解析各系統(tǒng)的動態(tài)，并對各種方案的執(zhí)行效果進(jìn)行評估，作為依據(jù)用于支撐控制決策。通過觀察對評估方式或參數(shù)進(jìn)行修正，并迭代進(jìn)行優(yōu)化和評估，實(shí)現(xiàn)滾動優(yōu)化引導(dǎo)。與此同時，在引導(dǎo)過程中對平行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行及時有效的評估，保證平行執(zhí)行過程的可控性和可靠性[26,27,28,29,30]。

　　平行核電引導(dǎo)智能框架如圖4所示。

　　

　　圖4 平行核電引導(dǎo)智能框架

　　通過牛頓系統(tǒng)，對核電系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制，進(jìn)而進(jìn)行引導(dǎo)以及虛實(shí)交互。主要是選取各類指標(biāo)，引導(dǎo)執(zhí)行控制效果。從眾多控制Agent中選取最適合用于平行執(zhí)行的Agent，通過基于Agent控制產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，采用基于數(shù)據(jù)方法分析評價函數(shù)的Lyapunov性質(zhì)對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性引導(dǎo)，同時對實(shí)際系統(tǒng)演化過程的評價函數(shù)進(jìn)行迭代，采用基于數(shù)據(jù)的值迭代與策略迭代方法對系統(tǒng)最優(yōu)性進(jìn)行引導(dǎo)。

　　通過引入社會因子的默頓系統(tǒng)引導(dǎo)智能，實(shí)現(xiàn)核電系統(tǒng)的“數(shù)信協(xié)同”“感控協(xié)同”和“知智協(xié)同”。通過多層次協(xié)同，海量的知智實(shí)體、感控實(shí)體、數(shù)信實(shí)體組成了由知識聯(lián)結(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)，依據(jù)一定的運(yùn)行規(guī)則和機(jī)制，形成社會化的自組織、自運(yùn)行、自優(yōu)化、自適應(yīng)、自協(xié)作的大核電組織，最大限度地解決了對核電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的“人”的管控的難題，充分發(fā)揮平行系統(tǒng)的引導(dǎo)優(yōu)勢。通過引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)仿真人群體向真人的在線學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的自我探索學(xué)習(xí)[31,32,33,34,35,36]。

　　4 平行核電系統(tǒng)的應(yīng)用

　　我國“一案三制”的核應(yīng)急管理體系，為各類非常規(guī)核突發(fā)事件提供了頂層解決框架和相應(yīng)的管控模式。核事故災(zāi)害處理作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其應(yīng)對方式與體系結(jié)構(gòu)運(yùn)用基于 ACP 的平行系統(tǒng)理論框架來設(shè)計(jì)，進(jìn)而從資源整合、信息交互、預(yù)案處置、決策機(jī)制、法律依循等方面分別提升現(xiàn)行虛實(shí)結(jié)合、可計(jì)算、可驗(yàn)證的核應(yīng)急管理模式;同時，除了應(yīng)急智能的培育與生成，還會計(jì)算各系統(tǒng)間的有機(jī)鏈接，借助信息集成、高性能計(jì)算、智能決策等方面的能力，以及人工智能重新定義應(yīng)急管理體系的集成性、智能性，進(jìn)而為現(xiàn)行核應(yīng)急體系注入新的思路。

　　從核應(yīng)急表征出發(fā)，面向核事故情景應(yīng)對的需求，基于核應(yīng)急技術(shù)體系，可設(shè)計(jì)源于情景的核應(yīng)急管理機(jī)制和平戰(zhàn)結(jié)合的平行核應(yīng)急管理系統(tǒng)，其邏輯框架如圖5所示[37,38,39,40]。

　　(1)情景驅(qū)動的平行核應(yīng)急管理機(jī)制

　　由于核災(zāi)害的突發(fā)性，必須快速、準(zhǔn)確地從災(zāi)害中做出決策響應(yīng)。基于平行理論，結(jié)合非常規(guī)突發(fā)事件情景應(yīng)對管理體制，給出情景應(yīng)對驅(qū)動的平行核應(yīng)急策略。以時間維度將平行核應(yīng)急管理機(jī)制劃分為事前準(zhǔn)備、事中響應(yīng)與事后恢復(fù)三部分。

　　事前應(yīng)急準(zhǔn)備機(jī)制主要是常態(tài)下的管理機(jī)制，利用智聯(lián)網(wǎng)對關(guān)鍵核設(shè)施、設(shè)備及其區(qū)域內(nèi)的設(shè)施進(jìn)行管理監(jiān)控，同時管理核應(yīng)急演習(xí)、培訓(xùn)、指揮、預(yù)案評估、核應(yīng)急資源管控等。

　　事中響應(yīng)機(jī)制通過實(shí)時數(shù)據(jù)集成，綜合核災(zāi)害現(xiàn)場以及可用應(yīng)急資源狀況，運(yùn)用大規(guī)模計(jì)算進(jìn)行綜合研判，進(jìn)而對災(zāi)害類型、狀態(tài)和應(yīng)急響應(yīng)級別進(jìn)行判定;根據(jù)判定結(jié)果啟動相應(yīng)的響應(yīng)預(yù)案鏈，并運(yùn)用現(xiàn)有資源、組織以及演化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過細(xì)化重組，對預(yù)案和行動方式進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，形成新的整體響應(yīng)方案;通過調(diào)配相應(yīng)的資源，實(shí)現(xiàn)跨部門組織資源應(yīng)急聯(lián)動，協(xié)作執(zhí)行響應(yīng)救援任務(wù)。響應(yīng)全過程將基于智聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，完成應(yīng)急執(zhí)行方案的動態(tài)調(diào)整，形成決策指揮、執(zhí)行調(diào)度的閉環(huán)響應(yīng)機(jī)制。

　　圖5 平行核電應(yīng)急框架

　　事后恢復(fù)機(jī)制是指核應(yīng)急響應(yīng)過程完成的后續(xù)過程，包括輿情監(jiān)控、設(shè)施維修、恢復(fù)重建以及響應(yīng)效果評估與經(jīng)驗(yàn)報告總結(jié)等。

　　(2)虛實(shí)結(jié)合的平行核應(yīng)急管控系統(tǒng)

　　為了在核應(yīng)急中確保精確管控，智慧化運(yùn)轉(zhuǎn)核應(yīng)急整體體系及各個環(huán)節(jié)，必須采用平行核應(yīng)急管控系統(tǒng)。一方面，管理真實(shí)核應(yīng)急管控系統(tǒng)，即核應(yīng)急體系、應(yīng)急視圖、應(yīng)急體制、應(yīng)急措施等，建立在功能、層級、資源等方面的整合;另一方面，在平行核應(yīng)急管控系統(tǒng)(即基于 ACP 理論的人工核應(yīng)急系統(tǒng))中，構(gòu)建基于描述—預(yù)測—引導(dǎo)的平行體系，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)，對可能發(fā)生災(zāi)害情景的各時間節(jié)點(diǎn)建立時空切片進(jìn)行分解，對不同的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行評估，預(yù)案包括可執(zhí)行應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)流程，并針對現(xiàn)有人、財(cái)、物的實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整方案，使之具有高可行性。通過平行執(zhí)行，快速實(shí)施跨領(lǐng)域集成的核應(yīng)急方案。最后，通過人工智能技術(shù)、知識自動化等技術(shù)，為核應(yīng)急響應(yīng)提供技術(shù)支持。

　　平行核電應(yīng)急系統(tǒng)如圖6所示。

　　核應(yīng)急系統(tǒng)采用基于 ACP 理論的平行方法，以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立具有彈性、靈活擴(kuò)展、按需分配的核應(yīng)急平行系統(tǒng)，以滿足核電系統(tǒng)信息應(yīng)急對抗演練、重要基礎(chǔ)設(shè)施與信息系統(tǒng)的應(yīng)急測評、應(yīng)急預(yù)警的需要。

　　平行系統(tǒng)由耦合的人工系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成。真實(shí)系統(tǒng)包括現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)用的應(yīng)急系統(tǒng)、用戶和核電站等應(yīng)急參與者;人工應(yīng)急系統(tǒng)與真實(shí)應(yīng)急系統(tǒng)平行執(zhí)行，是存在于計(jì)算機(jī)上的關(guān)鍵字應(yīng)急“計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”。平行系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控真實(shí)與人工應(yīng)急系統(tǒng)中的交易數(shù)據(jù)并存儲到平行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，人工應(yīng)急系統(tǒng)基于虛擬與真實(shí)的應(yīng)急數(shù)據(jù)，通過生成大量精確可控的計(jì)算實(shí)驗(yàn)來輔助產(chǎn)生最優(yōu)決策并指導(dǎo)真實(shí)的應(yīng)急過程;同時根據(jù)真實(shí)系統(tǒng)的反饋信息實(shí)現(xiàn)計(jì)算實(shí)驗(yàn)方案、決策支持算法等的研究、優(yōu)化和創(chuàng)新。

　　核應(yīng)急體系的表征在于，在給定當(dāng)前狀態(tài)與參數(shù)的情況下，無法通過求解而準(zhǔn)確獲得系統(tǒng)下一步的狀態(tài)(即行為難以被精確預(yù)測)時，借助 ACP理論與默頓系統(tǒng)，由信念和行為反饋出發(fā)，直接或間接地促成體系自我優(yōu)化。這正是平行核應(yīng)急系統(tǒng)的意義之所在。

　　

　　圖6 平行核電應(yīng)急系統(tǒng)

　　5 結(jié)束語

　　本文結(jié)合信息技術(shù)和核電發(fā)展進(jìn)程，分析了發(fā)展平行核電的必要性和迫切性，提出了平行核電的理念和應(yīng)用技術(shù)，介紹了平行核電系統(tǒng)體系及其實(shí)施領(lǐng)域，最后討論了核應(yīng)急管控系統(tǒng)的具體應(yīng)用案例。

　　展望未來，通過基于 ACP 理論的平行系統(tǒng)，并結(jié)合知識自動化、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)整合的、虛實(shí)結(jié)合的核電站控制管理系統(tǒng)，在一個平臺上實(shí)現(xiàn)社會物理信息系統(tǒng)的深度融合，從而進(jìn)一步提高我國核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。

　　致謝

　　感謝中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王飛躍教授在論文研究中給予的支持和指導(dǎo)。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)轉(zhuǎn)載自合作媒體、機(jī)構(gòu)或其他網(wǎng)站的信息，登載此文出于傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性。本網(wǎng)所有信息僅供參考，不做交易和服務(wù)的根據(jù)。本網(wǎng)內(nèi)容如有侵權(quán)或其它問題請及時告之，本網(wǎng)將及時修改或刪除。凡以任何方式登錄本網(wǎng)站或直接、間接使用本網(wǎng)站資料者，視為自愿接受本網(wǎng)站聲明的約束。