数字化建模在核设施退役过程中的难点及应对措施

刘庆泽，伍奕帆，吕 遥

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元 628000）

核设施退役是核设施使用时间已满或因为其他原因导致核设施停止运行使用后，为保护相关工作人员和人民群众的健康与安全以及周边自然环境而采取的行动措施。核退役的最终目的是实现核设施场址不受限制地开放和使用。

核设施的退役方式包含就地掩埋、延缓拆除、立即拆除等。核设施退役策略的选择涉及较多的因素影响，包括政治规划、社会影响、环境安全、资金支持、环境条件、工艺技术等因素。

核设施退役工艺是一个综合性工程，包含有源项调查、设施去污、核设施拆除、核废物无害化加工、核废物管理、辐射检测、辐射防护、原场址清理等众多技术。其中，在对核废物无害化加工时，会用到专用工厂和专用技术，如水泥固化、玻璃固化等。

目前，我国核退役治理项目的信息化程度较低，许多数据还由人工手动填写、记录，信息传递还有不少仍在使用纸质文件传阅、电话传递消息的传统形式，急需进行核退役治理工作的信息化升级。采用信息化时代的先进技术，能够帮助我国核退役治理行业显著提升其专业水平[1]。

1 核退役治理需求

1.1 需求分析

2021年是我国“十四五”计划的开局之年，在《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》中提出，让信息化和工业化在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合发展。同时，全球大量核设施即将迎来退役，全球核设施退役市场潜力巨大。提前布局和退役治理的信息化升级，在未来能够帮助企业形成长期有效的护城河壁垒，同时对核退役治理项目的把控更加有利。

1.2 核退役治理技术需求

目前，我国已经具备核退役治理全流程的多种工艺储备，能够处理高、中、低放核废物，做到放射性废物全覆盖无害化处理。这些不同工艺在生产过程中产生大量信息，由于信息异地分散的特征很容易形成信息孤岛[2]。

1.3 核退役治理信息化转型需求

在信息化、数字化、智能化冲击的当下，传统的核退役治理也开始寻找新的增长方式，通过信息化改造，将核退役治理工艺在计算机中进行数字建模，让核退役治理行业搭乘信息化的快车，在智能时代抢占先机。

数字化转型主要分为以下四个主要方面。①产品创新数字化：与价值创造的载体有关，要加强产品和服务创新及产品研发过程的创新，以不断提高产品附加价值，缩短价值变现周期。②生产运营智能化：与价值创造的过程有关，要加强横向纵向全过程贯通，实现全价值链、全要素资源的动态配置和全局优化，提高全要素生产率。③用户服务敏捷化：与价值创造的对象有关，要以用户为中心，实现全链条用户服务，最大化为用户创造价值，提高用户满意度。④产业体系生态化：与价值创造的生态合作伙伴有关，要加强与合作伙伴之间的资源、能力和业务合作，构建优势互补，合作共赢的协作网络。

为了形成自身的独特优势，在竞争激烈的核退役治理市场中赢得甲方青睐，不少核退役治理公司也开始将自身业务与信息化充分融合，具有信息化转型的迫切需求[3]。

2 数字建模在核退役治理的难点

2.1 退役核设施考察困难

许多核设施由于建设时间早，历史资料不全、后期改动大等原因。能够找到的建筑项目资料不完整或者与现在建设结构有出入，因此为了准确评估退役现场情况，需要工作人员前往核设施现场进行考察，这就导致退役核设施现场考察过程困难、考察数据采集缺乏有效手段、现场情况记录简单等问题，因而在进行数字建模时，无法进行多人协作，只能依靠一些简单缺漏的资料和去往现场的人员描述来进行数字建模，大大降低数字建模的可行性，同时可能需要反复修改严重影响核退役设施数字建模的开发进度，如表1所示。

表1 行业中使用的建模软件

2.2 退役工厂工艺建模难度大、不直观

在核设施退役过程中，会使用不同的工艺技术，这些工艺技术的应用往往是建立一个完整的工艺工厂，将核废物放入工厂中进行加工，使得核废物的放射性危害达到可控水平，是核废物处理当中非常重要的一环。但现有的工艺工厂在设计之初，并没有数字化考虑，仅满足项目设计时要求达到的工艺技术水平。整个工厂的运行状态无法直观呈现，这对厂房的数字建模提出了新的挑战。想要实现未来实施监控工厂的生产状态，对现有工厂进行数字孪生级的数字建模，需要与熟悉该厂房工艺的总工程师进行十分详细地沟通，需要数字建模人员与工程师充分交流，对工厂的每一处工艺的流程、会产生的化学反应、物质的状态变化、管道的阀门放行设置等，都需要非常详细的了解与确认。这其中涉及的专业工程师的时间成本、数字建模团队沟通对接等问题都需要解决。

2.3 核退役治理数字建模成本高

核设施退役工作由于自身辐射的特殊因素，存在施工时间限制、人员辐照剂量限制、场所保密要求限制等要求。由于对核退役设施考察困难的问题，造成人员无法长时间、大批量、规模化地在辐射环境内进行场景考察。由于某些退役技术工艺非常复杂，导致需要掌握相关技术的人员带领数字建模人员经过长时间对设施熟悉之后，数字建模人员才能达到该核退役项目数字建模要求的细致水平。熟悉时间长、考察环境特殊、人员成本高、技术掌握要求高几项因素，造成目前核设施数字建模成本高，建模人员质量难把控的难题[4]。

2.4 核设施退役数字建模资金、工程历史经验缺失

首先收集建模的数据是数字化的第一步，这些数据源包括：①规划建筑物的设计图纸及文档资料。②摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据，而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。③遥感数据。高分辨率遥感影像可以为3D场景模型的建立提供详细、丰富的几何和语义信息数据。就当前的应用需求来说，场景三维建模需要的数据主要有二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

核设施退役数字建模还处于起步阶段，在以往核设施退役项目中，由于没有考虑使用数字建模来进行项目推进，缺乏科学有效的记录工具，无法对整个核设施退役拆除过程进行完整有效的过程记录。每次新的核设施退役工程开工，都希望能追溯之前退役工作进行施工参考，但留下来的资料都不是很充分、直观，其细致程度也不够，把控整个退役工程的项目进度只能依靠有经验的退役工作管理者，这也使得人员替换成本极高，主要管理人员一旦出现问题，整个退役项目将受到很大的影响。同时，由于缺乏可以查阅的资料，也导致退役数字建模项目在申报过程中对其成本计算缺少有效的事例，对项目的资金估算可行性造成较大的偏差。

在数字建模的过程中，可能会出现前期因对某一工艺沟通不充分，造成后期建模工作量评估错误，使整个数字建模项目存在资金不足、工期延期等风险[5]。

2.5 核设施退役数字建模缺乏行业标准

目前，行业内只有少数企业开展核退役数字建模的研究与实践工作，对于这部分行业还缺乏相关的行业标准。部分建构物能参考的是中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《城市三维建模技术规范》，包括基本规定、建模单元划分与模型命名、数据采集与处理，三维模型制作、检查验收、数据集成与管理、数据更新与维护等。而核退役有区别于一般的工厂数字建模，核退役有自己的一些独特之处，如辐射场建模。

由于缺乏行业标准，使得建模要求水平不同，对核设施的建模精确度量化模糊，只能一个项目具体情况具体分析，这对于行业发展十分不利，同时在数字建模时，也没有具体的建模要求，使得数字建模人员的建模精细度与客户期望的精细度可能存在较大的差距，后期需要反复修改，使得建模项目有进度滞后的风险。

3 核退役治理难点应对措施

3.1 对核设施进行数字孪生

数字孪生是指充分使用现实中的物理模型、各种传感器实时更新、实时记录运行历史数据，使得现实中工厂的各项指标能够随时反应在数字系统中。目前，构建数字孪生的技术已经非常成熟，通过Unity引擎、虚幻引擎等方式，在引擎中进行模型建模，可以真实模仿整个厂房的内部结构、管道连接关系等。

为解决核设施场所进入限制问题，可以采用三维雷达扫描的方式进行空间快速建模，对核设施进行初始的数字孪生建模，后期再由数字建模人员依照扫描出来的粗糙模型进行细化。将需要退役的核设施场所先进行粗糙三维建模，使得更多的项目设计人员能够直观地看到当前需拆除的核设施情况，层层细化，进而帮助建模工程的设计人员能够在更早的时间看到项目的整体，以便其可以更加合理地估算建模项目所需的时间成本、资金成本、人员成本等。

数字与实体世界在四个方面高度交织在一起（如图1）：①用户体验—用户价值由用户体验所决定，而这方面的结果最终取决于其他三个方面的整合情况。②数据—这方面的冲突主要是由搜索、挖掘和改进数据资源时导致的控制权争夺而引起的。战略性地使用数据能够显著改善用户体验。③业务平台—这是用户和商家共同存在、一起参与的舞台。④硬件—数字化的成功离不开物理硬件。硬件能够感知并生成数据以激活实体世界。硬件是数字领域和实体领域之间的连接纽带。

图1 数字与实体世界的关联图

对于数字与实体世界的融合，有硬件、数据、体验三个制胜点。例如，建筑、采矿和公用事业设备制造商等，使用配备传感器和GPS的自动控制设备提供“智慧建筑”服务，这种方式非常适合工业机械行业对核废物无害化工厂进行数字孪生建模。建模人员可以通过添加各项传感器使得工厂能够实时回传数据，准确掌握当前整个厂房的运转情况，实现对工厂的数字孪生级数字建模。

3.2 数字建模历史积累

在拥有了数字孪生的前提下，整个项目的运行状态会通过各项传感器实时回传至控制台。同时，因为有了大量传感器的数据，对这些数字化信息可以进行保留，并通过数字孪生系统更加直观地展现项目进展过程。这就对未来的核设施退役工作的开展有帮助。

同时，对于核退役设施数字建模项目设计者而言可以参考之前的核设施退役数字建模工程留下来的历史数据资料，使其在设计项目时更加科学，对需要花费的各项成本也有事例可以比对。

3.3 核退役数字建模行业标准制定

目前，虽然没有核退役数字建模标准，但可以借鉴一般工业建模的行业标准，在此基础上对其行业标准进行核退役的特殊化修改，可以由此衍生出核退役数字建模的行业标准，并在企业部门内部积极推动该标准的执行。

4 结束语

当前在核退役治理数字建模工作中存在着很多待改进的空间，通过数字化的各项技术：点云扫描、数字孪生、三维建模、数据记录等，可以使核退役数字建模项目的设计工作更加科学规范。在整个社会都在向数字化、信息化、智能化转型的大背景下，为传统核退役治理行业积极引入更为先进的技术，相信可以更好地促进行业发展。■