近日，上海交通大学巴黎卓越工程师学院龚禾林教授AISEA课题组在核科学与技术领域顶尖国际期刊《Nuclear Science and Techniques》(《核技术》)上发表题为“Optimizing near-carbon-free nuclear energy systems: advances in reactor operation digital twin through hybrid machine learning algorithms for parameter identification and state estimation”（《近零碳排放核能系统优化：基于混合机器学习算法的数字孪生技术在反应堆运行参数识别与状态估计中的应用进展》）的研究论文。该研究使用了多种启发式算法辅助进行反问题搜索，解决了正问题代理模型不连续导致无法进行基于梯度的算法优化的问题，并基于“华龙一号”数据搭建了反应堆运行数字孪生平台，部署了模型降阶、反问题参数优化和物理场重构等多个模块化程序。
巴黎卓越工程师学院2022级本科生洪历展为论文第一作者，龚禾林副教授为通讯作者，共同作者为巴黎卓越工程师学院吉宏俊副教授、陆佳亮副教授、2022级硕士研究生李寒，以及来自中国核动力研究设计院的核工程专家李庆研究员。
研究背景
随着全球经济的数字化转型成为不可逆转的趋势，数字经济已成为全球经济的新热点，各国纷纷推出相应战略以抢占先机。习近平总书记强调，数字化转型是世界经济发展的新动力。中国正积极融入并引领这一变革潮流。
数字孪生技术，通过整合物理模型、传感器数据和历史运行数据，实现了对实体产品全生命周期的虚拟映射。这一技术不仅推动了产业的数字化、网络化和智能化，还成为我国经济社会发展的重要驱动力。
在预测性维护领域，数字孪生技术展现出其独特的价值。例如“反应堆运行孪生”（RODT）技术，依赖于物理实体的软件模型和实时数据采集，为反应堆的运行提供实时监控和智能支持。通过改进的参数识别和状态估计，数字孪生技术能够优化反应堆的监测、控制和性能，为核工程实践带来革命性的变化。
研究路径
与创新成果
研究团队基于国产核反应堆设计软件CORCA-SIM，提出了RODT的架构，并研究了多种机器学习算法和其他启发式算法，以提高RODT相关的正问题和反问题计算精度与效率，该RODT软件框架可将这些算法集成到评估模块中进行综合比较。通过严格的计算性能评估，KNNLHS算法以其在实时在线计算中的准确性和效率脱颖而出，预测误差仅为1%，处理时间不到0.1秒。而FSA、DE和ADE等算法虽然处理时间较长，但准确度更高，达到了0.3%的相对二范数误差。
下图展示了RODT的软件界面和可视化交互界面：
应用前景
在国务院近期核准多座核电站建设的背景下，RODT（反应堆运行孪生）技术在支持这些新建核电站的运行中扮演着至关重要的角色。
RODT技术通过集成物理模型、传感器数据和运行历史，为核电站提供了一个高度精确的虚拟副本，并通过实时监控和智能分析，提前发现核电站潜在的问题，进行预测性维护，从而减少停机时间并提高核电站的运行效率。此外，RODT技术还能够支持核电站的远程操作和自动化控制，这对于新建的核电站来说尤其重要，因为它们往往位于偏远地区，人员和资源可能相对有限。RODT技术有望进一步整合到正在研发的先进核电解决方案中，为核电站的全生命周期管理提供数据驱动的决策支持。这不仅将推动中国核能行业的数字化转型，还将为实现国家“双碳”目标和能源结构的优化提供坚实的技术支撑。
期刊介绍
Nuclear Science and Techniques (NST)，作为核科学与技术领域内的顶尖国际期刊，以其2.8的高影响因子和在该领域Q1区的卓越排名而闻名。NST致力于发表高质量的研究论文，涵盖了核物理、核工程、辐射防护、核医学等广泛领域，对促进核科学技术的发展与创新发挥着重要作用，深受学术界和行业的高度认可。该期刊同样被上海交通大学列为学科高水平学术期刊。在2024年最新的出版周期内，NST接收了大量的高质量投稿，并经过严格的同行评审，挑选出了杰出的研究工作予以发表。随着学术影响力的不断扩大，NST期刊将继续作为核科学与技术领域学术交流的重要平台。
作者简介
洪历展，上海交通大学巴黎卓越工程师学院信息工程专业和法语专业本科生，龚禾林副教授AISEA课题组成员，研究方向为AI for Science。大一时选修《数理综合实践》课程，跟随龚禾林副教授开展科研至今。已发表SCI一区论文一篇，中文核心期刊文章一篇。担任巴黎卓越工程师学院科创中心部长，上海交通大学健身协会会长，获得第24届宣怀杯创新创业大赛银奖，中国大学生数学建模大赛国家二等奖，上海交通大学优秀共青团员。
龚禾林，上海交通大学巴黎卓越工程师学院长聘教轨副教授，博士生导师，中国核动力研究设计院高级工程师，法国索邦大学数学博士，长期从事工程科学计算与数字孪生和人工智能研究。其团队在理论建模、数值分析、软件开发等领域取得显著成果，为国家核能工程的安全性、经济性及智能化提供支持。近五年，龚教授主持和参与多项国家级科研项目，在国内外顶级期刊和会议上发表论文30余篇，申请专利授权22项，荣获多项科技进步奖。
来源丨龚禾林、洪历展
编辑 | 李颖琳
责任编辑 | 周向雨
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