★北京广利核系统工程有限公司邓泽凡，王桂兰，李刚，石桂连，彭立，董晓峰

1　介绍

核电数字仪控系统（核电DCS），被称为核电站的“神经中枢”，控制着核电站数百个系统、上万个设备的运行和各类工况的处理过程，保障了核电站的安全运行。该系统是核电领域复杂的重大装备，也是核电厂的保护系统，其运行的稳定性和可靠性是核安全的重要保障^[1]。如果DCS系统出现故障，可能会导致核电厂的安全问题，因此对DCS系统进行巡检是至关重要的^[2]。

本文将介绍一种基于核电DCS系统的智能在线巡检设计，该设计可以实时监控DCS系统的运行状态，包括各种设备的健康参数、运行状况、环境因素等，帮助管理人员及时掌握系统运行情况，并发现潜在问题。该设计可以通过数据分析和处理，提前预警可能出现的问题，指导管理人员开展隐患治理和设备维护工作。该设计可以实现自动化、智能化的管理，提高了巡检的准确性和效率，减少了人力成本，为核电站的安全稳定运行提供了有力保障。

本文首先在第二部分介绍了当前核电DCS系统的巡检流程，并讨论了核电DCS系统巡检的痛点，得到了智能在线巡检的设计需求；其次在第三部分具体说明了核电DCS智能在线巡检设计（包括8个功能设计及流程：巡检工作设置、巡检数据的存储、在线记录设备健康状态、在线记录设备异常报警、在线检查环境参数、现场检查设备和环境信息、生成电子化巡检报告和配置巡检工作设置模板）、智能在线巡检的运行架构设计、数据交互设计和业务架构设计；最后，在第四部分依据上述设计搭建原型验证了核电DCS智能在线巡检功能，并给出了结论。

2　核电DCS系统的巡检需求

2.1　当前核电DCS系统的巡检流程

目前核电DCS系统由工程师在现场检查设备状态，并对设备相关信息进行收集，再通过人工的方式记录下来。核电DCS系统的日常巡检要求包括检查各种设备的运行状态，如服务器、工程师站、打印机、机柜、风扇、照明灯等，确保它们都处于正常工作状态^[3]。此外，也需要检查系统的各种参数，如环境温度、相对湿度等，确保它们符合规定的范围。这些工作都是人工完成的。在做好一般系统和设备巡检工作的基础上，工程师要确保重点系统和设备，需要人工选取巡检的设备范围和需要查看的参数。设备的巡检需要按照一定的顺序进行，例如以厂房为单位，以系统为中心，按系统流程的顺序，检查相关的设备，工程师需要确认巡检路线并在完成每项检查后进行记录^[4]。

每次巡检完成后，工程师需要进行详细的记录，包括巡检的时间、巡检的内容、发现的问题以及采取的措施等。这些记录对于了解系统的运行状况以及进行后续的维护工作非常有帮助。由于核电安全性的要求，核电DCS设备故障需进行定位和溯源分析，并形成书面事件报告^[5]。综上，总结当前核电DCS设备巡检工作流程如图1所示。

图1 核电DCS设备巡检工作流程

2.2　当前核电DCS系统巡检的痛点

（1）设备健康监控

当前人工巡检的内容和时间范围有限，现有设备的可测健康参数较少，绝大部分健康检测的数据在现役机组上没有采集，对软件、环境因素缺少检查手段，只能确定检查时刻的设备健康状态，不能持续监测^[6]。

（2）设备异常检测

当前人工巡检的检查深度不足，现有巡检凭经验进行人工判断和评估，缺少数据支持；同时系统存在亚健康的时候不能识别，系统负荷出现忽高忽低，但未达到报警值的时候不能及时检测与发现^[7]。核电DCS系统智能在线巡检设计对设备异常实现了及时感知和告警，并能够及时干预确保系统正常运行^[8]。

2.3　核电DCS系统智能在线巡检设计需求

由于核电站DCS系统运行的稳定性和可靠性是核能安全的重要保障，一些厂商也开展了核电DCS系统在线巡检有关的技术研究工作：

中核武汉核电运行技术股份有限公司发布了核电厂DCS健康管理平台解决方案，主要用于实现DCS系统实时健康状态评价、长期健康状态评价、故障诊断、故障预警、寿命评估等功能^[9]。不过该系统主要监控对象为DCS硬件设备，不能对DCS软件运行进行监控。

工业控制和自动化厂商和利时推出了具有全自主巡检+智能运维监控功能的智慧机房系统，该系统采用机器人巡检，通过图像识别和视频处理内部模型形成监控摄像头之间的映射关系^[10]。该系统主要依靠摄像头监视设备运行状态，可监视的设备状态参数较少且无法感知设备内部运行状态。

结合当前核电DCS系统巡检的痛点和行业调研结果，本文形成核电DCS智能在线巡检设计的需求如下：

（1）监控覆盖内容广，在线实时采集、监测包括DCS自身和环境相关的健康数据。

（2）支持在线巡检和现场巡检两种检查方式，利用多种先进方法提高巡检效率，包括语音或闪烁提示等，能够及时、准确地判断设备的故障状态。

（3）对巡检数据统一管理，建立数据库支持数据存储、记录和查看。

我们依据以上需求进行设计，使得核电DCS系统巡检效率和功能得到显著改观，优化改进点如表1及图2所示。

表1 智能在线巡检优化改进点

图2 智能在线巡检优化项

3　核电DCS智能在线巡检设计

3.1　智能在线巡检功能设计

核电DCS智能在线巡检共有8个功能设计及流程，其工作流程框图如图3所示。

图3 在线巡检工作流程图

3.1.1　巡检工作设置

巡检工作设置针对当前定期巡检项目少，新增了大量、主要设备软硬件设备的健康参数作为检查项。巡检工作设置是智能在线巡检的第一步，工程师在巡检开始前需设置巡检工作计划、巡检项目、巡检周期和巡检路线。

设置巡检工作计划是在巡检工作开始前，对巡检类型、执行的时间范围、巡检方式进行设置。

巡检项目是在做好一般系统和设备巡检工作的基础上，首先要确保设置巡检项目包括重点系统和设备。工程师可在巡检界面设置从数据库调取的巡检项目信息，包括设备编码、设备名称、设备房间号、设备机柜编号、板卡位置。常规的巡检项目内容包含设备环境参数和设备健康参数。

巡检周期是针对不同系统、设备的状况和特点制定的，既不浪费巡检资源又保证系统、设备的状况处于有效的监控之下。

此外，设备的巡检需要按照一定的顺序路线进行，并需要按照一定的流程顺序检查相关的设备。工程师在巡检时需要依据虚拟平面位置地图上标注的设备房间号和位置点，按顺序检查。

3.1.2　巡检数据的存储

巡检数据的存储是针对当前定期巡检只检查少量指标类、环境类参数进行的改进。巡检数据的存储是将采集到的设备健康参数、设备健康状态数据和巡检报告记入数据库。从被检核电DCS系统发送的软硬件设备健康参数、软硬件设备健康状态数据和巡检报告经过健康管理网传输到在线监测系统后，记入数据库。对这些数据进行筛选与预处理，识别异常报警，并将报警信息和异常分析记录记入数据库，可作为后续巡检工作的参考^[12]。

3.1.3　在线记录设备健康状态

在线记录设备健康状态是针对当前定期巡检方式进行的改进，其改变了当前巡检对设备采取离线、人工、定期检查的方式。依据巡检工作设置的内容记录待检设备的健康状态（健康、亚健康、故障）和反应系统运行状态的重要参数，可以获取人工巡检无法采集的表征软硬件设备内部运行状态的健康参数，增加了巡检范围的广度和深度。

设备的健康参数包括配置类，即设备的配置信息，如操作系统版本、平台软件版本、初始网络通信配置等；指标信息，包括节点级指标信息（如节点网络负荷、CPU负荷、内存负荷等），还包括进程级指标信息（如进程的网络负荷、CPU负荷、内存负荷、进程句柄、进程GDI等）。此外还有采集到的系统运行日志、板卡诊断信息。

3.1.4　在线记录设备异常报警

在线记录设备异常报警是针对当前定期巡检方式进行的改进，其改变了当前巡检对设备异常采取人工记录的方式。设备异常报警是通过对设备健康参数进行识别和匹配阈值范围，对处于故障和亚健康阈值范围内的健康参数触发设备异常报警，并显示设备的异常信息^[13]。

工程师在故障信息显示列表中，点击某一条设备的故障信息，可进入下一界面进一步记录故障详情，包括异常记录、对应的巡检项目内容、参考阈值、巡检结果和异常处理状态，为设备运维活动提供输入，并通知相关人员对发生的异常问题尽快进行处理。

3.1.5　在线检查环境参数

在线检查环境参数是针对当前定期巡检方式进行的改进，其改变了当前巡检对环境参数采取人工定期检查的方式。环境参数主要包括外部环境的数据信息，如温度、湿度、灰尘等^[14]。智能在线巡检利用环境传感器采集参数，通过在线系统收集参数，依据设置的阈值判断系统环境是否出现异常，记录环境信息，并通过数据库存储。

工程师在设备环境信息列表进行检查操作，可增加修改环境参数的巡检记录，也可进一步记录环境参数详情。

3.1.6　现场检查设备和环境信息

现场检查设备和环境信息是针对当前定期巡检方式进行的改进，其简化了现场巡检流程并提高了巡检的准确度。智能在线巡检同样支持现场检查设备和环境信息，工程师首先通过巡检工作计划确认现场检查的范围，之后在现场扫码确认人员已到位，通过扫码获取设备健康参数，现场核实设备健康异常信息，读取并记录现场环境信息，将现场信息上传至数据中心。此外，当设备出现异常报警时，工程师可到现场核实设备健康异常信息，对设备异常进行处理，将设备异常处理内容记录并上传至数据中心。

3.1.7　生成电子化巡检报告

生成电子化巡检报告是针对当前人工记录产生巡检报告进行的改进，其可自动生成巡检报告，可信性高，并可形成数据资产方便后续运维分析。

巡检报告的正文是结合巡检工作设置内容和巡检数据在系统中自动生成的（调用数据库字段，包括健康参数和环境参数信息）；巡检报告附录包括在系统中记录的设备异常报警和环境异常（在巡检报告中默认显示本巡检周期内的异常信息，工程师另可配置异常信息显示的时间范围）以及专题分析报告（由工程师输入，在系统中记录作为历史经验反馈）。

3.1.8　配置巡检工作设置模板

配置巡检工作设置模板是针对当前人工记录产生巡检报告进行的改进，其可调取已设置的模板直接生成电子化巡检报告。为方便工程师进行在线巡检，可提前配置好巡检工作设置模板，使用时可从模板库中直接调用，不需要每次巡检都重新设置。

工程师可配置巡检报告模板，内容包括巡检项目、周期、路线，为生成巡检报告提供参考，并存入数据库中。工程师在需要进行巡检操作时，可直接从数据库调用已配置好的巡检报告模板。

3.2　智能在线巡检运行架构设计

在核电DCS智能在线巡检的运行架构设计中，核电DCS系统是在线巡检的发起者，主要起到发送健康参数的功能，可将健康参数由系统内输送到系统外。

智能在线巡检数据中心是巡检的数据存储机构，存储包括从DCS系统发送的设备健康参数、环境参数、由工程师制定的巡检计划和生成的电子化巡检报告。同时，数据中心也负责记录设备异常和设备故障预警，并对所有巡检数据进行归档，方便后续的数据分析。

工程师是智能在线巡检的执行者，负责对DCS设备状态进行周期性的或根据现场需要非周期性的巡视检查，并对已发生或可能发生的设备故障进行确认和记录。

（1）巡检前，工程师需要设置巡检设备、范围、巡检周期及巡检项目内容；

（2）巡检中，工程师根据实时采集的DCS系统设备自身和环境相关的健康参数及设备操作日志，及时准确地判断设备的健康状态情况，包括健康、亚健康和故障三种，并通过多种可视化界面进行显示，当设备健康状态显示为亚健康和故障时，会自动触发故障检测报警（故障触发报警、亚健康触发预警）；

（3）巡检后，工程师对巡检内容进行确定后，自动生成电子化巡检报告。

此外，工程师也负责配置巡检工作设置模板，即配置适用于不同情况下的巡检工作项，其在进行巡检工作设置时可直接导入已配置好的模板。

智能在线巡检运行架构如图4所示。

图4 智能在线巡检—运行架构

3.3　智能在线巡检数据交互设计

为实现在线记录设备健康状态、在线记录设备异常报警和在线检查环境参数功能，智能在线巡检数据的交互接口设计如图5所示，将核电DCS系统与智能在线巡检工作台（InspectBench）隔离，各模块运行相对独立，不影响原有软件系统功能^[15]。设计智能在线巡检网关（iHMU），为智能在线巡检工作台（InspectBench）调用数据提供通用接口，并可将核电DCS系统内部的设备健康参数和环境参数通过健康管理网（HNET）传出。

图5 智能在线巡检—数据交互设计

参考以上智能在线巡检的数据交互设计，在核电DCS系统内部的改造工作包括通过部署在服务器上的插件（SpeAgent）采集设备健康参数^[16]。此外，区别于核电DCS系统原有的管理网（MNET）和系统网（SNET），设计专用HNET将DCS系统内部的设备健康参数和环境参数传输到iHMU。

3.4　智能在线巡检业务架构设计

智能在线巡检的业务架构总体设计为B/S结构，采用前后端分离模式开发。

其中客户层基于Uni-app开发框架技术，支持跨平台，使用一套代码同时开发出多个平台的应用，可以分别打包成PC端、平板端、手机端App，可支持在多平台应用。

应用层采用微服务软件架构模式，将场景功能服务和公共服务进行了服务划分，每个服务可进行独立部署和扩展，便于维护升级，减少了服务之间的影响。其易于功能扩展，可灵活部署在一台或多台计算机上。

在数据层采用时序数据库和关系型数据库相结合的部署模式。数据层也通过第三方对接DCS系统服务数据：可调取python算法模型等进行统一管理。

智能在线巡检业务架构设计如图6所示。

图6 智能在线巡检—业务架构设计

4　核电DCS智能在线巡检原型验证

基于开源可视化运维软件Grafana搭建的智能在线巡检工作台原型，可将软件运维监视模块（SpeAgent）采集到的设备健康参数进行可视化展示[16]。原型具体验证效果如下：

首页为巡检工作设置。从主界面-在线巡检进入该界面，界面显示巡检计划列表和已执行的巡检计划。将采集到的设备健康参数、设备健康状态数据和巡检报告记入数据库，如图7所示，实现巡检数据的存储功能。

图7 在线记录设备健康状态

在设备异常报警界面可显示设备的异常信息，如图8所示。工程师记录此时系统的重要参数，结合巡检异常结果分析，为设备运维活动提供输入，对发生的异常问题尽快进行处理。

图8 在线记录设备异常报警

在智能在线巡检工作台可生成电子化巡检报告，如图9所示。其中巡检报告正文结合巡检工作设置内容和巡检数据在系统中自动生成（调用数据库字段，包括健康参数和环境参数信息），显示内容包括基于SFMEA的软件故障模式统计、故障模式问题等级统计和故障问题汇总表。

图9 生成电子化巡检报告

5　结论

本文讨论了当前核电DCS系统的巡检痛点需求，介绍了一种针对核电DCS系统的智能在线巡检设计，包括功能设计和架构设计，并基于以上设计进行了原型验证。总之，该设计实现了核电DCS系统设备的智能巡检和在线健康管理，并可实时记录设备运行状态，为故障预警和故障分析提供了基础，实现了核电DCS系统领域传统人工巡检到智能化在线巡检的转变，大幅提升了巡检效率和质量。

基于核电DCS系统的智能在线巡检设计结合了数字化与智能化的运维理念，实现了核电DCS系统的在线运维，通过设备的健康参数可监视DCS系统的长期可靠运行。未来以此为数据基础，进行核电DCS系统设备的故障预测性维修，能够大幅节省核电运维成本，并带来可观经济效益。

作者简介

邓泽凡（1995-），男，北京人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电数字化仪控系统智能运维工作。

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摘自《自动化博览》2024年3月刊