Какими будут АЭС будущего

Все гениальное — просто
Андрей АБРАМОВ, главный эксперт отдела развития программно-­технических компонентов:

 — В утопическом идеале управление энергоблоком хотелось бы свести к трем устройствам: кнопки «Пуск», и «Останов», регулятор мощности. Пока такое можно увидеть только в фантастических фильмах, но стремиться к этому надо.

Сегодня подобный подход вполне реализуем на уровне отдельных небольших систем.

Совершенствование человеко-­машинного интерфейса приведет к тому, что на экранах будут по умолчанию отображаться только самая важная информация и сообщения об отклонениях/сбоях в работе устройств. Детальная же информация будет доступна по запросам. Это позволит сфокусировать внимание пользователя на самом важном.

Будет активно работать система помощи оператору. Она реализуется в нескольких форматах:

• ненавязчивые советы по оптимизации технологического процесса с указанием органов управления, которые могут повлиять на оптимизируемый процесс;
• предупреждения о возможных негативных последствиях при выполнении оператором того или иного действия;
• компоновка информации на экранах таким образом, чтобы результат управляющих воздействий был интуитивно понятен и предсказуем (высокоэргономичный интерфейс).

Система сигнализации станет интеллектуальной, что исключит «вал» сообщений, на который пользователь не в состоянии отреагировать.

Система диагностики оборудования, вместо того чтобы выдавать информацию обо всех диагностируемых параметрах, будет присылать сообщения лишь о критичных нарушениях. Детальная же информация будет доступна по запросам операторов.

Когда всё это станет реальностью? К сожалению или к счастью, консервативный подход к нововведениям, основанный на приоритете безопасности, не позволяет быстро внедрять прогрессивные идеи. За последние 20 лет создания ИВС и СВБУ я наблюдал главным образом совершенствование аппаратной части контроллеров и компьютеров. Пользовательский же интерфейс радикально не изменился.

Кроме того, персонал АЭС довольно консервативен и при реализации большинства проектов не готов принять обновленный вид индикаторов. А при модернизации старых блоков люди часто просят воспроизвести привычный архаичный интерфейс, что огорчает. На новые блоки назначают персонал с опытом, то есть людей, успевших поработать на старых блоках, у которых сформировались определенные стереотипы. Вот эти самые стереотипы и препятствуют внедрению новых идей.

Большей частью нововведения обусловлены совершенствованием компьютерной техники и привычками, сложившимися в быту. Функции интерфейса, опробованные, условно говоря, на смартфоне, достойны перекочевать в интерфейс АЭС.

Например, сейчас происходит постепенный переход на сенсорные экраны. 3D-технологии прижились в обучающих курсах, где ремонтный персонал может разобрать и снова собрать виртуальный узел, посмотреть, как он устроен, прежде чем обслуживать реальную «железку».

Чего же нам ожидать в ближайшие десятилетия? Возможно, голограммы станут реальностью, и мы будем осваивать технологию представления информации в пространстве.

Я почти уверен, что будет реализован промышленный Wi-­Fi и станет возможной передача информации пользователям на персональные планшеты. Это особенно актуально для ремонтников: кроме заданий на проведение работ, они получат доступ к справочной информации. На планшеты можно будет рассылать и аварийные оповещения.

Исследовательские работы, проводимые норвежскими коллегами из IFE, показали, что если случается авария, а руководителя в это время нет на рабочем месте, но он мгновенно получает всю информацию на планшет, то сроки ликвидации аварии значительно сокращаются. Но пока использованию планшетов на АЭС препятствуют ограничения службы безопасности и отсутствие Wi-­Fi.

Возможно, широкое распространение получит система управления голосом. Сейчас она несовершенна, и нам сложно представить себе, как операторы бормочут на рабочих местах «заклинания», мешая друг другу. Кроме того, рев сигнализации заглушит все команды. Может быть, в будущем система распознавания сможет слышать только голос «хозяина» при любом шуме. Тогда никто чужой не сможет проникнуть на блок и безнаказанно управлять его оборудованием.

Кстати, система идентификации пользователей наверняка будет использовать биометрические данные вместо ввода логина и пароля.

Будет ли на АЭС искусственный интеллект? Конечно, но что это такое? Та же программа, написанная человеком, только ее параметры способны корректироваться по мере накопления опыта работы. Сейчас программы управления отдельными узлами и системами уже успешно работают на АЭС, но их параметры по мере эксплуатации корректирует человек. Искусственным интеллектом это не назовешь, хотя функции, выполняемые системами, те же.

Мне сложно представить искусственный интеллект как единственный и единый орган глобального управления энергоблоком. В этом случае управление блоком свелось бы к тем трем кнопкам: «Пуск», «Стоп», «Мощность», о которых я говорил в самом начале.

Вероятнее всего, искусственный интеллект будет выполнять роль мудрого наставника, советовать оператору: «Давай-ка подкрутим вот этот регулятор. Тогда тепловую мощность можно будет сохранить, а расход питательной воды станет меньше». Оператор добродушно разрешит: «Ну ладно, подкрути, если считаешь нужным». При этом автоматика временно получит доступ к управлению регулятором.

Вот только не надоест ли этот «интеллект» оператору своими непрерывными советами? Ведь думает машина быстро и каждую минуту найдет что оптимизировать. Как гиперактивная жена, чья голова всегда полна идеями по улучшению быта. В придачу к искусственному интеллекту каждому оператору нужен будет персональный психолог.

Полностью доверять управление искусственному интеллекту я бы не стал — ежеминутная оптимизация оборудования быстро выведет его приводы из строя. Впрочем, задачу защиты оборудования от гиперактивности искусственного интеллекта также можно поручить искусственному интеллекту — пусть добьется компромисса между эффективностью управления блоком и ресурсом работы оборудования.

Эволюция автоматизации
Алексей ЛЯКИШЕВ, начальник отдела разработки РЭА:

 — Каким образом эволюционирует промышленная автоматизация? Увеличится количество умных датчиков и как следствие — вырастет объем информации, передаваемой и обрабатываемой в АСУ. Вырастут вычислительные мощности для анализа событий, реакции на события на основе обучения и тренировочных симуляторов, для прогнозирования и предупреждения аварий.

Повысятся безопасность и надежность, увеличится жизненный цикл АСУ ТП благодаря модульности, самообучению систем с использованием нейросетей, а также ИИ.

Продолжится роботизация производства, будут внедрены умные исполнительные механизмы, повысится интерактивность управления технологическим процессом (ТП), для которого будет внедрен локальный ИИ.

Человек станет подключаться к системе через нейроинтерфейс. Сети передачи данных мигрируют к синхронизированным (TSN) и программно-­определяемым (SDN) с гарантированной доставкой пакетов по времени и развитыми сервисными функциями.

Повысится защищенность каналов передачи данных, как внешних, так и внутренних. Будет реализовано резервирование на всех уровнях.

Возможно объединение АСУ разных ТП в единую систему и их работа под управлением глобального ИИ.

Для прогнозирования и предотвращения аварий будут максимально использоваться диагностика и самодиагностика узлов.

Электронная начинка миниатюризируется, повысится ее надежность, возрастут диапазон температур, устойчивость к радиации и электромагнитному излучению.

Роботы заменят человека
Владислав ХРОБОСТОВ, руководитель обособленного подразделения (Саров):

 — Промышленная автоматизация, тем более АСУ ТП на АЭС, весьма консервативна, и ее эволюционное развитие будет в любом случае не очень стремительным. Тем не менее я уверен, что роль человека будет постепенно снижаться.

Через 20 лет для всего техпроцесса будут реализованы цифровые нейросетевые модели как основа автоматического управления. В критических ситуациях человек будет получать инструкции по управлению, обслуживанию, вводу оборудования в эксплуатацию и выводу из нее. Датчики и промежуточные контроллеры заменят IiOT-устройства. Для монтажа, обслуживания и ремонта будут повсеместно использоваться средства дополненной и смешанной реальности.

Через 30 лет тренд на снижение численности эксплуатационного персонала сохранится. Человек будет постепенно становиться наблюдателем. Мониторинг и управление группой объектов/энергоблоков будут вестись из единого диспетчерского центра. Средства виртуализации и миниатюрные сенсоры (их размеры будут уменьшаться, а «интеллект» — нарастать) позволят детально «видеть» физические процессы, происходящие внутри контролируемого технологического оборудования. Люди будут выезжать на объекты только после получения извещения от оборудования о необходимости ремонта/замены узла.

Через 50 лет о понятии автоматизации в принципе можно будет забыть. Воздействие человека на объект в ходе эксплуатации потребуется исключительно для его включения/отключения. А также, конечно, для контроля/управления специальными робототехническими комплексами и беспилотными транспортными средствами, необходимыми для перемещения/монтажа/замены узлов и систем. Процесс монтажа/замены/обслуживания на площадке упростится донельзя, поскольку все блоки будут заводской готовности: снял старый — поставил новый.

Умные девайсы на АЭС
Константин САХАРОВ, директор департамента информационной и компьютерной безопасности АСУ ТП:

 — Наблюдается тенденция к децентрализации управления технологическими процессами АЭС: скоро микропроцессорная техника будет встраиваться в исполнительные механизмы, датчики и так далее. Сейчас, например, на среднем уровне у нас стоят шкафы автоматики, управляющие задвижками, клапанами и вентилями, а в будущем сами приводы и датчики станут умными, сами будут обрабатывать информацию и передавать ее дальше, диагностическим системам либо общим системам мониторинга.

То же самое будет происходить в части обеспечения безопасности. Сейчас в 90% случаев механизмы безопасности реализуются наложенными средствами (покупка дополнительных технических средств или ПО: межсетевого экрана, диода данных, антивируса и так далее). Через 10−15, максимум 30 лет произойдет смещение в сторону исполнительных механизмов (смартдевайсов): в сами устройства будут встроены средства защиты (антивирус, экран). Это повысит общий уровень безопасности АЭС. Сейчас мы, грубо говоря, защищаемся «лоскутно»: многие технические средства сделаны и проектировались без встроенных механизмов защиты, так как на первом месте были экономика и функциональность. Есть и другие крайности — урезанный функционал и высокий уровень безопасности. Надеюсь, будет найден оптимальный баланс, который позволит перейти на децентрализованную систему управления за счет применения встраиваемых средств защиты информации.

Ценность экспертов в области компьютерной безопасности, которые смогут грамотно и быстро реагировать на инциденты, с каждым годом будет увеличиваться. Из них будут формироваться смарт-­команды быстрого реагирования, которым придется — удаленно или выезжая на объекты — разрешать критические ситуации.

Количество операторов на АЭС станет меньше из-за повышения уровня автоматизации, внедрения искусственного интеллекта, основанного на машинном обучении средств защиты, предиктивной аналитики.

В перспективе 50 лет, на мой взгляд, АЭС могут стать целиком автономными объектами и обслуживаться по заявкам. И даже эти заявки будут автоматически формироваться.

Логично выстроенная система
Олег ТРИФОНОВ, руководитель управления по развитию АСУ ТП:

 — В условиях динамичного развития вычислительных мощностей и облачных технологий, перехода к более сложным компьютерным технологиям (например, от классических «транзисторных» вычислителей к квантовым компьютерам) и увеличения надежности компьютерного и серверного оборудования классическая трехуровневая архитектура АСУ ТП (нижний уровень — полевое оборудование, контрольно-­измерительные приборы; средний — программно-­технические комплексы системной автоматики; верхний — системы оперативно-­диспетчерского управления, средства визуализации) в долгосрочной перспективе трансформируется в двухуровневую: средний уровень исчезнет.

Основные функции устройств связи с объектами и модулей ввода-­вывода контроллерного оборудования в части обработки первичных сигналов, подготовки цифровой информации и передачи ее на верхний уровень возьмет на себя полевое оборудование; а функции программируемых логических контроллеров — прием информации с нижнего уровня, вычислительные операции в соответствии с алгоритмами управления и выдачу управляющих команд — будут агрегированы на верхнем уровне. Таким образом, двухуровневая система предполагает наличие двух больших кластеров: полевого оборудования с системой передачи цифровой информации и серверного оборудования верхнего уровня в виде ЦОДа (в нем реализуются все необходимые функции обработки, хранения, преобразования и представления информации в виде программных модулей). Это модули: виртуальных контроллеров, реализующих функции классических подсистем АСУ ТП; хранения информации (базы данных; преобразования данных [конверторы]; представления данных [аналоги SCADA, MES]; дополнительных подсистем [например, модули предиктивной аналитики, сбора, обработки диагностической информации и др.]).

Что касается централизации управления, здесь возможны варианты: либо это будет один ЦОД в периметре каждой АЭС, либо управление несколькими АЭС будет централизованно в одном ЦОДе.

С переходом на двухуровневую архитектуру, с увеличением надежности и срока службы оборудования, с развитием материалов и атомных технологий в целом еще одним возможным направлением развития станет размещение части или всего технологического оборудования, например, под водой (на дне океанов) или на геостационарной орбите Земли. Всё это ведет к организации полностью безлюдного производства электроэнергии. Размещение АЭС на орбите также позволит обеспечить ее безопасность, исключить негативное влияние последствий потенциальных аварий на экосистему Земли.

Китай, например, уже заявил, что к 2030 году планирует вывести на орбиту полноценную солнечную электростанцию мегаваттного класса, а к 2050‑му — гигаваттного. Первые эксперименты по передаче энергии с орбиты на Землю должны пройти уже в 2022 году.

В среднесрочной перспективе будут развиваться технологии, позволяющие прогнозировать техническое состояние оборудования и обеспечивать его техобслуживание и ремонт не по графику — в установленные плановые периоды, — а по мере необходимости. Такие технологии уже развиваются и внедряются на отдельных объектах топливно-­энергетического комплекса, например, в нефтегазовой отрасли. В атомной отрасли они только начинают рассматриваться как средства повышения эксплуатационной готовности и сокращения операционных расходов в процессе эксплуатации. Но рано или поздно они будут внедрены и на рынке АЭС.

Еще одна технология — усовершенствованное управление технологическими процессами. Системы усовершенствованного управления (СУУП) позволяют находить в каждый момент времени такие параметры технологического процесса, которые гарантируют повышение эффективности работы оборудования, снижение общих расходов, гибкое использование имеющихся ресурсов и, как следствие, увеличение КИУМ. СУУП работают в режиме реального времени и позволяют сократить отклонения контролируемых параметров от их средних значений. СУУП — это надстройка над АСУ ТП, виртуальные контроллеры и программные модели датчиков. Выше я уже говорил о том, что физические контроллеры управления процессами вскоре могут стать виртуальными. Сейчас точность и эффективность работы СУУП полностью зависят от того, насколько виртуальные контроллеры этой системы точно воспроизводят свои физические аналоги. Чем точнее смоделирован физический контроллер, тем точнее и эффективнее работает СУУП. При переходе на двухуровневую архитектуру можно будет использовать одну и ту же модель виртуального контроллера как для управления процессами, так и для работы СУУП, что однозначно гарантирует беспрецедентную точность работы системы усовершенствованного управления.

И технология предиктивной аналитики, и СУУП тесно связаны с еще одной цифровой сущностью — цифровой копией (двой­ником) объекта (ов) управления. Качество работы этих систем определяется точностью воспроизведения объектов управления с точки зрения поведения цифровой модели объекта относительно ее физических аналогов. Чем точнее построены цифровые двой­ники, тем точнее в режиме реального времени можно обсчитывать всё, что происходит на АЭС, и прогнозировать поведение как отдельных элементов, так и станции в целом. Развитие двухуровневой архитектуры также позволит разворачивать в ЦОДе цифровые двой­ники, которые будут наравне со своими физическими аналогами работать в режиме реального времени, предоставляя возможности для симуляции различных режимов работы и поиска оптимального сочетания контролируемых и управляемых параметров процессов. С развитием компьютерных технологий и облачных вычислений цифровые двой­ники будут детализироваться, усложняться, что позволит максимально приблизиться к воспроизведению функционирования реальных объектов — а это, в свою очередь, выведет на совершенно новый уровень и точность/горизонт прогнозирования, и качество управления.

Главные задачи функционирования АЭС — обеспечение ее безопасности и гарантированная выработка электроэнергии. Одна из составных частей обеспечения общей безопасности — информационная и компьютерная безопасность систем управления. При проектировании АСУ ТП мы планируем мероприятия, направленные на обеспечение требований информационной и компьютерной безопасности, гарантирующие невозможность влияния потенциальных внешних и/или внутренних угроз на работоспособность АСУ ТП. Сегодня информационная безопасность стала неотъемлемой, самостоятельной частью АСУ ТП, в рамках которой отдельно прорабатываются модели и сценарии реализации угроз, организационные и технические средства защиты, архитектура программно-­технических комплексов информационной безопасности. Это направление также неразрывно связано с постепенным переходом к использованию программно-­технических комплексов и программного обеспечения российского происхождения, отечественной электронной компонентной базы. И это еще один тренд развития российских систем управления.

Уже сегодня Правительство РФ, Минпромторг РФ и ФСТЭК России на законодательном уровне закрепляют необходимость использования субъектами КИИ оборудования и программного обеспечения, сертифицированных в соответствии с требованиями информационной и компьютерной безопасности ФСТЭК России, входящих в Единый реестр радиоэлектронный продукции российского происхождения и Единый реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных.

Будет ли искусственный интеллект отвечать за информационную безопасность и в целом за управление? ИИ — это компьютерный алгоритм с функционалом самообучения на основе анализа поступающей информации в режиме реального времени, программа, способная решать творческие задачи. В дальнейшем, возможно, в программный код будут встроены алгоритмы, позволяющие ИИ самостоятельно модифицировать свой программный код с целью гибкой адаптации к изменяющейся информационной среде и спектру выполняемых задач. Человеку останется только наблюдать за критически важными областями, влияющими на безопасность, и в экстренных ситуациях принимать решения.

Сегодня принятие окончательного решения в управлении техпроцессами остается за человеком, поэтому системы управления называются автоматизированными. Внедрение ИИ и его развитие повысят уровень автоматизации в целом и минимизируют участие человека в управлении промышленным объектом.

В качестве отдельного направления мы рассматриваем интеллектуальную сенсорику (интеллектуальные контрольно-­измерительные приборы) — датчики и измерительные преобразователи, передающие информацию о параметрах функционирования технологического оборудования на верхний уровень для принятия решений по управляющим воздействиям. Сейчас связь датчиков и контроллерного оборудования осуществляется по кабелям, из-за чего на объектах приходится прокладывать километры проводов; это значительно увеличивает стоимость АСУ ТП, сложность монтажа и наладки, а также обслуживания. В будущем, с развитием технологий беспроводной передачи данных в промышленной среде, интеллектуальная сенсорика будет частично или полностью передавать информацию по беспроводным каналам данных в цифровом виде, полностью готовую для приема и обработки управляющими алгоритмами контроллеров. При переходе на двухуровневую архитектуру АСУ ТП интеллектуальная сенсорика возьмет на себя функции обработки и подготовки сигналов, а также передачи информации непосредственно в ЦОД для использования виртуальными контроллерами.

Развитие умной сенсорики также позволит перейти к бездемонтажной калибровке КИП на месте установки. Сейчас калибровка и поверка средств измерений требуют демонтажа и проверки точности измерений в лабораторных условиях, что сопряжено с временными и финансовыми затратами. Внедрение умной сенсорики связано с использованием сертифицированных цифровых эталонов средств измерений, по которым будут в автоматическом режиме калиброваться и поверяться КИПиА. Эта же система будет подсказывать, у какого оборудования заканчивается сертификат, где пора провести проверку/калибровку, а где расхождений с эталоном нет и возможно просто продление сертификата.

Технология передачи данных, скорее всего, останется гибридной, так как не везде и не для каждой подсистемы АСУ ТП есть возможность беспроводной передачи данных. Это сильно снизит CAPEX объекта на этапе строительства и позволит быстрее передавать информацию на большие расстояния. Одновременно будут развиваться технологии криптозащиты, направленные на охрану данных от перехвата и использования злоумышленниками.

Автоматизированные системы станут единой экосистемой: физические подсистемы будут бесшовно интегрированы в комплексную систему в виде программных модулей.