Решение задач маршуртной оптимизации для радиационно-опасных помещений при помощи трехмерного моделирования

Сокращение вредного воздействия производств — задача первостепенной важности, особенно в таких высокотехнологичных и потенциально опасных отраслях, как атомная энергетика. На атомных электростанциях (АЭС) одна из важнейших работ — снижение индивидуальных доз облучения персонала и уменьшение числа облученных лиц. Концерн «Росатом», понимая всю остроту проблемы, вкладывает значительные средства в оптимизацию радиационной защиты, применяя комплексный подход. Этот подход выходит далеко за рамки традиционных мер и активно использует передовые цифровые технологии, обеспечивая не только безопасность, но и повышение эффективности работы. Традиционные методы, такие как тщательное планирование работ, использование высокопроизводительного оборудования, а также тренировки на макетах и компьютерных моделях оборудования, безусловно, эффективны. Однако, интеграция виртуальных технологий информационного моделирования (ТИМ от англ. BIM — Building Information Modeling) вносит качественно новый уровень в систему радиационной безопасности.

Создание цифровых двойников — виртуальных копий реальных объектов — позволяет моделировать различные сценарии работы, выявлять потенциальные риски облучения ещё на этапе проектирования и строительства. Это позволяет оптимизировать расположение оборудования, минимизировать время пребывания персонала в зонах повышенного излучения и разработать наиболее безопасные процедуры проведения работ. Цифровой двойник АЭС позволяет просчитать траектории движения персонала, определить наиболее безопасные маршруты и минимизировать время нахождения в зонах с высоким уровнем радиации.

Один из вариантов реализации — путем анализа трехмерной модели, учитывающей расположение оборудования, источников излучения и других факторов. Использование виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) позволяет проводить обучение персонала в безопасной среде, имитируя различные аварийные ситуации и отработку действий в нормальных условиях или условиях повышенного радиационного фона. Это значительно повышает профессионализм персонала и снижает риски ошибок, которые могут привести к облучению.

Также, предварительно, перед началом ремонтных работ можно моделировать и прогнозировать предстоящие операции, что позволяет выбрать оптимальный сценарий, минимизирующий риски облучения персонала.

Подытожив, можно утверждать, что за счет более эффективного планирования и оптимизации работ, виртуализация сокращает время простоя оборудования и повышает общую эффективность работы АЭС.

Все мероприятия по снижению вредного воздействия ионизирующего излучения на персонал АЭС проводятся в строгом соответствии с действующими нормами и регламентами радиационной безопасности. Концерн Росатом неукоснительно следует принципам радиационной безопасности, в том числе принципу оптимизации ALARA (англ. As Low As Reasonably Achievable) — достижение как можно более низкого уровня облучения персонала при разумно достижимых затратах.

Виртуализация производственных процессов на АЭС — это не просто следствие технологического прогресса, а необходимый шаг к обеспечению максимальной безопасности персонала и повышения эффективности работы атомных электростанций. Интеграция цифровых технологий позволяет решать сложные задачи по снижению вредного воздействия ионизирующего излучения и выводит радиационную безопасность на качественно новый уровень. Подобные подходы могут быть успешно применены и в других отраслях промышленности, связанных с потенциально опасными производствами.

В настоящее время внедрение информационных моделей на атомных электростанциях в основном сосредоточено на строительстве новых энергоблоков. В концерне Росатом используется программный пакет для многомерного информационного моделирования — Multi-D. Однако на данный момент применение платформы Multi-D ограничивается проектами строящихся АЭС. Для объектов энергетики, которые уже находятся в эксплуатации, более целесообразно использовать другие программные решения. Кроме того, использование данного пакета для небольших объектов, таких как несколько помещений с оборудованием и трубопроводами, не является экономически оправданным и не требует полного функционала и возможностей платформы.

Поэтому важно внедрять на уже эксплуатирующихся АЭС данные технологии, но на основании более простого ПО. Такие объекты не требуют полной оцифровки, так как проблемы, как правило, локализованы в помещениях и на оборудовании. Реализация информационных моделей проблемных мест энергоблоков значительно сократит продолжительность многих операций, как эксплуатационных, так и ремонтных. При этом будет затрачено рациональное количество средств, что не приведёт к удорожанию эксплуатации действующих энергоблоков. Стоит отметить, что в атомной отрасли ведётся работа по продлению срока эксплуатации атомных станции (ПСЭ), требующая значительных затрат. И внедрение виртуальных технологий также скажется положительно.

Далее в статье речь пойдет о развитии ряда исследований

1. Принцип нормирования предполагает, что индивидуальные дозы облучения граждан от всех источников ионизирующего излучения не должны превышать установленные допустимые пределы.

2. Принцип обоснования заключается в том, что любые виды деятельности с использованием источников ионизирующего излучения запрещены, если ожидаемая польза для человека и общества не оправдывает риск возможного вреда от дополнительного облучения сверх естественного радиационного фона.

3. Принцип оптимизации требует поддержания индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц на минимально возможном уровне, учитывая экономические и социальные факторы. Экономическая эффективность связана не только со снижением временных затрат, но и с уменьшением вредного воздействия облучения на персонал. Таким образом, согласно принципу оптимизации, экономика и здоровье работников находятся в тесной взаимосвязи.

Представленную работу можно разделить на три основные части, каждая из которых представляет собой независимый эксперимент. Первая часть работы была выполнена и реализована ранее, см рисунок 1.

Рисунок 1 - Модель радиационно-опасного помещения

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.18.1

В первой части работы производилось создание трехмерной информационной модели радиационно-опасного помещения атомной станции. При помощи монтажно-сборочных чертежей и ПО Компас-3D была реализована точная копия с указанием всех единиц оборудования и контрольно-измерительных приборов. Информационная составляющая также была выполнена: указаны материалы трубопроводов, сварочные соединения, количество фасонных деталей, типы задвижек и т.д.

Второй этап полностью выполнен и посвящен проведению измерений радиационной обстановки в помещении и создание картограммы точек радиационного контроля на основе 3D-модели.

На данный момент, заключительная часть представляет собой создание картограммы точек радиационного контроля на основе 3D-модели и решение задачи об оптимальном маршруте обхода радиационно-опасных зон в трехмерном пространстве (задача коммивояжера).

Визуализация модели помещения в трехмерном виде производилась при помощи программного пакета КОМПАС 3D с расширением «Трубопроводы». Материалами для построения послужили монтажные и сборочные чертежи.

Компас 3D — это система автоматизированного проектирования (САПР), разработанная российской компанией «АСКОН». Программа предназначена для 3D-моделирования, проектирования и конструирования различных объектов, включая механические изделия, детали, сборки и чертежи. Она широко используется в машиностроении, строительстве, электронике и других отраслях.

Позволяет создавать трехмерные моделей деталей и сборок. Поддерживает параметрическое моделирования, что позволяет быстро вносить изменения в конструкцию. В Компас 3D существует специализированный модуль для проектирования трубопроводов, который предоставляет широкий набор инструментов и возможностей для создания и оформления трубопроводных систем. Дополнение несёт в себе возможность моделирования различных типов трубопроводов, включая прямые участки, повороты, тройники, переходы и другие элементы с поддержкой различных диаметров и материалов труб. Содержит библиотеки стандартных элементов: фитингов, запорной арматуры и т.д., что упрощает процесс проектирования

Объект исследования (помещение) рассматривается как трехмерная система координат. После создания 3D-модели определяется начало координат и взаимное расположение осей X, Y, Z (см. рисунок 2). Далее производится анализ точек радиационного контроля (см. таблицу 1), в соответствии с регламентными маршрутами персонала в данном помещении. Каждая точка модели связана с реальными координатами в помещении.

Рисунок 2 - Система координат 3D модели радиационно-опасного помещения

Примечание: 1–19 – точки радиационного контроля

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.18.2

Обход представляет собой проверку рабочих мест, производственных помещений, оборудования и элементов систем по установленному маршруту, с целью проверки соответствия деятельности персонала и состояния оборудования установленным требованиям правил, норм, а также производственным и должностным инструкциям. Маршрут обхода — это документ, который определяет путь следования персонала и учитывает географическое расположение оборудования. Объем контроля во время обходов определяется должностными инструкциями и регламентом осмотров оборудования.

Каждая из приведенных ниже точек соответствует пункту маршрута обхода, который выполняет оператор реакторного отделения (ОРО) для контроля оборудования и помещений. Позиции, связанные с задвижками, относятся к регламентным мероприятиям (таким как работы в системе очистки, регенерация, запуск насосов и т.д.). В этих точках также осуществляется контроль за отсутствием утечек и наличием эксплуатационных обозначений на арматуре. Далее представлено подробное описание периодически обслуживаемого помещения бассейна выдержки через описание маршрутных позиций. В каждой точке проводятся замеры мощности дозы (мкЗв/ч).

Обход данного помещения является частью ежедневного регламента осмотра оборудования, проводимого оператором три раза за смену. В течение обхода оператор находится в помещении примерно 10–15 минут. При выполнении регламентных работ и переключений время пребывания может увеличиваться до 60 минут. Однако нахождение в помещении в течение этого времени не приводит к значительному облучению персонала и не превышает установленные пределы доз для объектов использования атомной энергии.

Для минимизации итоговой эффективной дозы радиации при посещении 19 точек обхода в радиационно-опасном помещении можно использовать несколько подходов. Основная цель — оптимизировать маршрут так, чтобы свести к минимуму общее время пребывания в зоне с радиацией, учитывая мощность дозы в каждой точке. Шаги, которые предприняты для решения данной задачи.

1. Сбор данных. Произведен замер мощности дозы (в мкЗв/ч) для каждой из 19 точек. Определены расстояния между точками, чтобы учитывать время, необходимое для перемещения между ними.

2. Определение стратегии посещения. Разработана стратегия, которая минимизирует время нахождения в точках с высокой мощностью дозы. Например, посещение точек с низкой мощностью дозы в первую очередь. Группировку близко расположенных точек для уменьшения времени перемещения.

3. Моделирование времени пребывания. Оценка времени: для каждой точки произведена оценка времени, принято, что нахождение в каждой точке составляет, в среднем 30–60 секунд.

4. Практическое выполнение. Оптимизация маршрута. В данный момент времени производится работа над решением задачи коммивояжера, чтобы найти оптимальный маршрут, который минимизирует общее расстояние/время перемещения между всеми точками. Если количество точек велико, можно использовать эвристические методы (например, алгоритм ближайшего соседа, генетические алгоритмы или муравьиный алгоритм) для нахождения хорошего, но не обязательно оптимального решения.

5. Анализ результатов и визуализация. Сравнение маршрутов. После решения задачи маршрутной оптимизации, необходимо произвести анализ различных маршрутов и стратегий, чтобы определить тот, который дает минимальную эффективную дозу. Также необходимо визуализировать оптимальный маршрут и распределение радиационных полей в помещении (как представлено на рисунке 3).

Перечисленные выше шаги являются частью сложной системы планирования и реализации организационных и технических мероприятий. Ключом к успешному управлению профессиональным облучением является тщательное планирование и выполнение работ на атомных электростанциях, которое называется организацией работы. Организация работы подразумевает деятельность сборной команды работников различных служб и полного наблюдения за работами на всех этапах их выполнения. Если уделять такое внимание работам, которые должны быть выполнены, можно гарантировать их успешное выполнение — по графику, в рамках бюджета, с выполнением поставленной цели и оптимальное с точки зрения радиационной защиты от профессионального облучения

При этом важнейшей составляющей процесса планирования, определяющей его качество и эффективность является возможность оперативного доступа к огромному массиву данных по радиационным параметрам в различных точках рабочей зоны, геометрическим характеристикам, материалам изготовления, истории эксплуатации, аварийных ситуаций и т.п. для всех конструкционных элементов атомной электростанции

Отметка 0.00

1. Позиция входа в помещение расположена под трубопроводами движения воды на охлаждение и очистку БВ.

2. Позиция контроля показаний расходомера и взаимодействия с задвижками (вода после очистки из БВ).

3. Позиция контроля состояния ловушки ионообменной смолы. Контроль осуществляется через смотровое окошко, установленное в ловушке (диаметром 150мм). Наличие фильтрующего материала в окошке, означает, что проходимость ловушки снижена и необходимо выполнить регенерацию ловушки. Дополнительно контроль осуществляется по перепаду давления. Контроль давления на манометрах до и после ловушки, разность давления равна перепаду.

4. Позиция маршрута следования через помещение.

5. Позиция контроля показаний манометров. Контроль перепада на ловушке фильтрующего материала. Контроль состояния ловушки фильтрующего материала через смотровое окошко.

6. Позиция контроля работы насосов и проведения переключений на насосах.

7. Позиция контроля работы насосов и проведения переключений на насосах.

8. Позиция контроля работы насосов и проведения переключений на насосах.

9. Позиция контроля работы насосов и проведения переключений на насосах. Оператор осуществляет проверку проверка уровня масла в маслованнах промвалов насосов, контроль за работой, отсутствие посторонних звуков, дыма, искрения. Переключениями являются переходы с рабочего насоса на резервный, осуществляются 1 раз в месяц. Насосы продувочные бассейна выдержки предназначены для осуществления циркуляции воды через системы охлаждения и очистки. Один насос является рабочим, второй резервным.

10. Позиция контроля показаний манометров, место подъема на площадку обслуживания (лестница). Контроль показаний давления до и после ловушки ионообменной смолы (перепад).

11. Позиция маршрута следования через помещение.

12. Позиция контроля работы влагомаслоотделителя. Влагомаслоотделитель предназначен для отстаивания и удаления компрессорного масла из системы сжатого воздуха. В обходе оператором производится проверка отсутствия течей. 1 раз в неделю осуществляется проверка отсутствия масла в дренаже.

13. Позиция взаимодействия со штурвалами задвижек, вход в следующее помещение. Оператором в обходе осуществляется контроль положения задвижек, наличие эксплуатационных обозначений, исправность штурвалов. При регламентных работах на данных задвижках производятся переключения. Вход в соседнее помещение фильтров бассейна выдержки. Является необслуживаемым. Высокая мощность дозы (фоновая свыше 200мкЗв/ч) не допускает нахождение персонала.

14. Позиция контроля наличия среды с воздушников фильтров. В обходе оператор проверяет отсутствие течей с воздушников в дренажную воронку. При регламентных работах данные воздушники используются при заполнении фильтров бассейна выдержки водой.

15. Позиция контроля показаний манометров. Контроль оператором давления в механических и ионитных фильтрах, а также величины перепада на данных фильтрах. Контроль показаний расходомеров (расход воды через систему очистки).

Отметка 2.00, площадка обслуживания 

16. Позиция взаимодействия с задвижками (проведение переключений) (площадка обслуживания).

17. Позиция взаимодействия с задвижками (проведение переключений) (площадка обслуживания).

18. Позиция взаимодействия с задвижками (проведение переключений) (площадка обслуживания).

19. Позиция взаимодействия с задвижками (проведение переключений) (площадка обслуживания). Основная часть взаимодействия с оборудованием, находящимся на отм.2.00 приходится на выполнение регламентных и ремонтных работ, связанных с переключениями в системе. В обходах оператор контролирует отсутствие течей, положение задвижек.

Согласно

где Hi — мощность дозы в i-ой изодозной области, ti — время нахождения человека в i-той изодозной области.

Согласно формуле (1), производится решение задачи по маршрутной оптимизации. Задача коммивояжера — это классическая задача оптимизации, которая заключается в нахождении кратчайшего маршрута, проходящего через заданный набор городов и возвращающегося в исходный пункт. В исследовании применяются несколько методов решения данной задачи, которые можно разделить на точные и приближенные.

Точные методы

1. Метод ветвей и границ. Данный подход строит дерево решений, отслеживая возможные комбинации маршрутов. Он позволяет находить оптимальное решение, но требует значительных вычислительных ресурсов для больших наборов данных.

2. Динамическое программирование. Алгоритм использует подход, основанный на разбиении задачи на подзадачи и сохранении промежуточных результатов. Это значительно уменьшает вычислительные затраты в сравнении с грубой силой. 

Приближенные методы

1. Жадные алгоритмы. Указанные алгоритмы выбирают наилучший локальный вариант на каждом шаге, например, выбор ближайшего города. Хотя такие подходы быстро находят решения, они не гарантируют оптимальности.

2. Генетические алгоритмы. Данные алгоритмы основываются на биологических принципах, таких как отбор, кроссовер и мутация. Генетические алгоритмы могут эффективно искать ближайшее к оптимальному решение. 

Выбор метода зависит от размера задачи и требований к точности решения. Для малых наборов данных предпочтительны точные методы, тогда как для больших наборов эффективно применять приближенные. Подходы к решению задачи коммивояжера активно развиваются, что открывает новые возможности для оптимизации в различных областях, таких как логистика и маршрутизация. В данный момент уже готово решение задачи маршрутной задачи методом «жадных алгоритмов» и находится в процессе визуализации.  Для практической реализации математической модели была разработана программа для суперкомпьютера «Уран» на языке программирования C++. Программа работает в среде 64-разрядной операционной системы семейства Linux. Вычислительный эксперимент проводился на вычислительных узлах кластера «Уран».

Рисунок 3 - Визуализация маршрута и радиационных полей

DOI:10.60797/IRJ.2025.160s.18.4

Снижение рисков и увеличение производительности является основной целью в различных сферах промышленности. Техногенные риски могут исходить как от очевидных и заметных угроз, так и от факторов, влияние которых необходимо ограничивать на этапе проектирования или планирования работ. К таким факторам относятся ионизирующее излучение и ключевая единица измерения — время. Уменьшение индивидуальных и коллективных доз, количества облученных людей и рисков превышения установленных норм облучения прямо связано с внедрением новых технологий во всех областях, где происходит работа с источниками ионизирующего излучения. Реализуется это при помощи инструментов организационных и технических мероприятий

1. Защита. Использование свинцовых, бетонных или других защитных материалов для поглощения излучения.

2. Дистанция. Увеличение расстояния между источником излучения и работниками.

3. Оптимизация времени. Снижение времени, проводимого в зонах с высоким уровнем радиации.

4. Мониторинг. Постоянный контроль уровня радиации с помощью дозиметров и радиационных мониторинговых систем.

5. Обучение. Регулярное обучение сотрудников, оттачивание навыков работ и тренировки по действиям в случае аварии.

6. Средства индивидуальной защиты. Использование спецодежды, респираторов, дополнительных комплектов защиты, дыхательных аппаратов и изолирующих костюмов для уменьшения воздействия.

7. Лимиты облучения. Установление и соблюдение допустимых норм облучения для персонала. Разработка процедур и планов реагирования на случаи превышения норм радиации.

Такого рода комплекс мер и представляет собой радиационную защиту персонала, согласно основным принципам радиационной безопасности. Для оптимизации времени, мониторинга и обучения персонала используются результаты комплекса исследований, представленные в данной статье. Цифровые технологии значительно упрощают проведение оптимизации.

Однако, помимо преимуществ, существуют и недостатки. Во-первых, требуется наличие программного и аппаратного обеспечения, а также квалифицированного персонала. Во-вторых, стоит отметить экономическую выгоду от реализации подобных проектов. Как было сказано ранее, оптимизация представляет собой улучшение производственных процессов таким образом, чтобы выгода от нее превышала затраты на реализацию. Внедрение технологий информационного моделирования на действующих промышленных объектах является трудоемким процессом. Нецелесообразно создавать цифровой двойник для существующей атомной станции; гораздо эффективнее действовать «точечно», выбирая проблемные участки. Это могут быть как целые технологические системы или связанные помещения, так и отдельные единицы оборудования. В данной статье приведен пример целевого использования технологий информационного моделирования на радиационно-опасном объекте

Эта работа ведется уже несколько лет. Реализован комплекс мероприятий по оптимизации производственной деятельности на примере небольшой части атомной станции. Цель состоит в том, чтобы продемонстрировать перспективы внедрения технологий информационного моделирования на существующих промышленных объектах с высокой степенью техногенного риска.

После завершения последнего этапа работ комплекс мероприятий, созданный с помощью компьютерных программ, позволит снизить неопределенность в оценке радиационного воздействия при выполнении производственных операций, что обеспечит более точное представление о возможных дозах облучения.

Результатом работы является информационная трехмерная модель радиационно-опасного помещения с распределением зон по мощности дозы, для которой был построен оптимальный маршрут посещения оператором контрольных точек с использованием математического моделирования.