自主化軟件在核電先進(jìn)研發(fā)體系中的作用

趙飛云++葉成+姚彥貴

摘要： 針對(duì)我國(guó)構(gòu)建核電強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略，為建設(shè)先進(jìn)的核電研發(fā)體系，梳理三代核電技術(shù)引進(jìn)過程中自主化軟件的研發(fā)，剖析自主化軟件的布局和發(fā)展策略，并結(jié)合我國(guó)核電發(fā)展現(xiàn)狀提出發(fā)展自主化軟件的方法和建議.

關(guān)鍵詞：

自主化軟件； 核電技術(shù)； 研發(fā)體系； 方法； 建議

中圖分類號(hào)： TM623.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

為加快推進(jìn)核電技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，我國(guó)決定引進(jìn)具有世界先進(jìn)水平的AP1000三代核電技術(shù)，并通過建設(shè)三門和海陽2個(gè)依托項(xiàng)目，組織對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的消化、吸收、攻關(guān)和研發(fā)，走出一條消化—吸收—再創(chuàng)新的核電自主發(fā)展的新道路.自2004年國(guó)務(wù)院?jiǎn)?dòng)三代核電技術(shù)引進(jìn)工作以來，我國(guó)核電在研發(fā)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、試驗(yàn)驗(yàn)證以及其他硬件等方面迅速發(fā)展，大設(shè)計(jì)、大臺(tái)架和大裝備的實(shí)現(xiàn)正逐步縮小與國(guó)際先進(jìn)核電技術(shù)的差距.特別是2006年發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將大型先進(jìn)壓水堆和高溫氣冷堆核電站確定為16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一，從此我國(guó)核電進(jìn)入跨越式發(fā)展的新階段.

消化—吸收—再創(chuàng)新發(fā)展模式的根本目標(biāo)是形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)及品牌，而實(shí)現(xiàn)核電技術(shù)自主化的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)自主化，包括設(shè)計(jì)能力、設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)工具的自主化.相比硬件自主化水平的提升，我國(guó)核電軟件自主化水平發(fā)展相對(duì)比較薄弱，同時(shí)，由于核電信息化程度和管理效率方面的落后使得自主化軟件發(fā)展遠(yuǎn)落后于核電發(fā)達(dá)國(guó)家.核電軟件自主化發(fā)展滯后，嚴(yán)重影響國(guó)內(nèi)核電行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和核電研發(fā)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力.因此，大力推動(dòng)自主化軟件的發(fā)展對(duì)核電先進(jìn)研發(fā)體系建設(shè)和核電技術(shù)自主創(chuàng)新發(fā)展都具有重要意義.

1核電自主化軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

軟件是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而逐漸形成的.在60多年的世界核電技術(shù)發(fā)展過程中，西方國(guó)家將其與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合，形成多種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專用軟件.著名商用有限元軟件ANSYS最早就是在美國(guó)西屋公司計(jì)算機(jī)部門的幾名員工開發(fā)的專用電廠分析軟件的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的.

我國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚，大規(guī)模的發(fā)展和普及是在新世紀(jì)以后.我國(guó)核電的早期發(fā)展主要建立在手算和試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上.例如，秦山一期核電廠建設(shè)過程中，上海核工程研究院完成400多項(xiàng)針對(duì)設(shè)備的試驗(yàn)以支撐工程設(shè)計(jì)試驗(yàn).20世紀(jì)90年代起，隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的崛起，核電設(shè)計(jì)中開始采用大量的軟件輔助設(shè)計(jì).隨著第三代核電技術(shù)的引進(jìn)，核電輔助設(shè)計(jì)軟件也越來越廣泛.歸納我國(guó)第三代核電研發(fā)軟件的來源大致可以分為4類.

1）通用商業(yè)軟件.通用商業(yè)軟件是計(jì)算機(jī)輔助工程發(fā)展的必然結(jié)果.這類軟件不限于核電產(chǎn)業(yè)，需求量大且更新?lián)Q代速度快，有強(qiáng)大的社會(huì)需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可極大地提高工業(yè)設(shè)計(jì)效率.如數(shù)學(xué)計(jì)算軟件Mathcad和Mathematics等.

2）專用商業(yè)軟件.這類軟件具有專業(yè)共性特點(diǎn)，一般經(jīng)歷從專用程序向通用程序的轉(zhuǎn)化過程，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)較強(qiáng)，是一段時(shí)期內(nèi)技術(shù)發(fā)展最新成果的集中體現(xiàn).如CAD軟件Inventor和CAE軟件ANSYS等.

3）技術(shù)轉(zhuǎn)讓軟件.技術(shù)轉(zhuǎn)讓軟件是跨國(guó)公司技術(shù)獨(dú)享成果的集中體現(xiàn).例如，西屋公司等核電巨頭在50多年多個(gè)堆型的核電設(shè)計(jì)中，將積累的經(jīng)驗(yàn)通過轉(zhuǎn)化成程序的方法進(jìn)行固化.早期這些程序都是公司的技術(shù)秘密，在技術(shù)轉(zhuǎn)讓過程中都以高額的價(jià)格賣出，如堆內(nèi)壓降THRIVE程序，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)三維兩相流場(chǎng)ATHOS程序和安全殼分析WGOTHIC程序等.

4）自主開發(fā)軟件.這類軟件在核電研發(fā)中占比較低，主要是因?yàn)槲覈?guó)核電規(guī)?；ㄔO(shè)一直沒有成型，體現(xiàn)不出專用程序開發(fā)的價(jià)值，僅在秦山自主設(shè)計(jì)過程中，形成零星的幾個(gè)程序，如Pipe728程序等.

從上面的梳理不難看出，核電技術(shù)的發(fā)展過程需要多種軟件的支撐，但這些軟件的價(jià)值卻有所不同：通用商業(yè)軟件和專用商業(yè)軟件可以通過市場(chǎng)采購(gòu)，技術(shù)轉(zhuǎn)讓軟件可以通過買斷技術(shù)獲得，但自主開發(fā)軟件卻需要長(zhǎng)期堅(jiān)持研究和經(jīng)驗(yàn)積累才能具備.核電自主軟件依然是我國(guó)核電先進(jìn)研發(fā)體系建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié).如何加強(qiáng)和加快適合我國(guó)核電技術(shù)需要的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件研發(fā)，以推動(dòng)核電技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，已成為擺在核電研發(fā)企業(yè)面前的重要任務(wù).

2自主化軟件在核電先進(jìn)研發(fā)體系中的作用

自主化軟件對(duì)核電先進(jìn)研發(fā)體系的支撐作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

1）軟件是技術(shù)傳承的重要載體.

核電專用軟件集成研發(fā)過程中得到的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)和成果，具有傳承性，可以讓后人少走前人走過的彎路.專用軟件可以極大地提高系列產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程，有效地節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本，減少試驗(yàn)驗(yàn)證工作量.

例如，在CAP1400核電廠研發(fā)過程中，開展蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流阻試驗(yàn)和反應(yīng)堆水力模型試驗(yàn)等，獲得一回路主設(shè)備局部流阻系數(shù).在此基礎(chǔ)上開發(fā)一維計(jì)算軟件，可專門用于計(jì)算一回路壓降，該軟件計(jì)算結(jié)果可由電廠實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證或修正，提高程序的準(zhǔn)確性.此后，堆型研發(fā)中的類似試驗(yàn)工作由此計(jì)算程序分析代替，可大大提高研發(fā)效率和工程可靠性，見圖1.

軟件是企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn).在核電站堆型設(shè)計(jì)中，必定要開發(fā)大型設(shè)備，如果將整個(gè)設(shè)計(jì)流程規(guī)范化形成程序，將成熟的設(shè)計(jì)分析方法通過程序進(jìn)行固化，會(huì)形成一大批設(shè)備設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及儀器控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)程序.這些程序代表最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、最核心的競(jìng)爭(zhēng)力，人員可以流動(dòng)、可以新老更替，但這些程序標(biāo)準(zhǔn)的固化能有效保證設(shè)計(jì)能力的持續(xù)提升.此外，通過軟件自主化發(fā)展能夠形成軟件品牌，對(duì)提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和推進(jìn)技術(shù)發(fā)展都有舉足輕重的作用.

2）軟件是設(shè)計(jì)研發(fā)規(guī)范化的重要組成部分.

核電先進(jìn)研發(fā)體系的重要標(biāo)志之一就是通過規(guī)范化的運(yùn)作實(shí)現(xiàn)研發(fā)的規(guī)范化.與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，核電要想實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，就必須建立持續(xù)的經(jīng)驗(yàn)反饋機(jī)制，通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過程，形成一套能應(yīng)用于所有類似項(xiàng)目的規(guī)范化解決方案.這種固化設(shè)計(jì)流程的工作，通過軟件實(shí)現(xiàn)是切實(shí)可行的.為形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAP1400核電廠，在整個(gè)研發(fā)過程要注意設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和程序化.一個(gè)好的工程師不是把所有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)裝在自己腦子里，而是能夠形成一個(gè)可以共享的資源，形成具有規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的程序或方法.這也是提高整個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)能力的重要途徑.

3）軟件是提高設(shè)計(jì)效率重要手段.

核電不僅需要考慮安全性，還需要考慮經(jīng)濟(jì)性.自主開發(fā)軟件的應(yīng)用可以大大提高設(shè)計(jì)效率，壓縮設(shè)計(jì)成本，從而降低電廠的建造成本，提高經(jīng)濟(jì)性.因此，具有國(guó)際發(fā)展戰(zhàn)略的核電設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)都應(yīng)該加強(qiáng)自主軟件的開發(fā)，從而在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出.

3自主化軟件的發(fā)展措施和建議

西屋公司在第三代核電技術(shù)研發(fā)過程中形成大量自主化程序，這些程序的來源基本分為2個(gè)部分.一部分是通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)形成分析軟件，如非能動(dòng)安全殼分析程序WGOTHIC，其程序中實(shí)現(xiàn)控制容積、流道和固體構(gòu)件的模型都是西屋1991年購(gòu)買的GOTHIC中的基本模型.西屋公司通過對(duì)GOTHIC的改進(jìn)，增加流傳熱傳質(zhì)關(guān)系式、液膜分布模型、一維壁面導(dǎo)熱模型和壁面間的輻射傳熱模型，模擬PCS系統(tǒng)的熱導(dǎo)出能力.經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，包括與基本算例的比較和與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，西屋在GOTHIC基礎(chǔ)上開發(fā)形成WGOTHIC程序，并得到認(rèn)可.另一部分是西屋通過與專門的軟件公司合作開發(fā)的專業(yè)軟件，如蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱工水力分析程序ATHOS最早是美國(guó)電力研究院出資由CFD軟件公司CHAM開發(fā)，后來西屋公司引進(jìn)后進(jìn)行改進(jìn)，使軟件的功能更加完善.同時(shí)，西屋公司借助外協(xié)CFD公司的力量開發(fā)大量的分析軟件.可以看出，在軟件自主化過程中，除由核電工程師總結(jié)開發(fā)外，與專業(yè)軟件公司合作更重要.專業(yè)公司可針對(duì)核電領(lǐng)域的問題開發(fā)專用程序，并通過驗(yàn)證和修正形成專用軟件.

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開發(fā)第一座核電廠開始，核電研發(fā)設(shè)計(jì)已經(jīng)走過了40多年.[9]雖然老一代核電人建立起具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的秦山核電站，基本掌握核電設(shè)計(jì)技術(shù)，但是由于各種條件制約，這一過程中所創(chuàng)建的自主化軟件一直可謂是鳳毛麟角.在當(dāng)前新一波核電建設(shè)與研發(fā)浪潮中，每個(gè)核電技術(shù)設(shè)計(jì)人員、領(lǐng)導(dǎo)層和決策層均應(yīng)抓住機(jī)會(huì)，重視和關(guān)注設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)手段的程序化與規(guī)范化，努力實(shí)現(xiàn)自主化軟件的發(fā)展.

因此，加強(qiáng)自主軟件開發(fā)，特別是三代核電技術(shù)自主軟件開發(fā)，提升核電設(shè)計(jì)軟實(shí)力，進(jìn)一步完善核電研發(fā)設(shè)計(jì)體系，顯得尤為重要.自主軟件發(fā)展總體思路如下.

1）推動(dòng)我國(guó)三代核電軟件自主化發(fā)展必須堅(jiān)持自主創(chuàng)新，在自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上加強(qiáng)國(guó)際合作與競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)更高層次的自主創(chuàng)新.國(guó)家在軟件領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不可能產(chǎn)生于要素稟賦依賴的比較優(yōu)勢(shì)，更不可能從對(duì)國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)和模仿、跟蹤中獲得，而是來自關(guān)鍵核心技術(shù)的獲取和突破.國(guó)際合作和競(jìng)爭(zhēng)要以自主創(chuàng)新為前提，不斷增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力.努力加快完善軟件技術(shù)創(chuàng)新體制，推動(dòng)科研機(jī)構(gòu)、高等院校與企業(yè)建立產(chǎn)學(xué)研互動(dòng)創(chuàng)新的體制，開發(fā)面向產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的項(xiàng)目，支持以企業(yè)為核心的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，充分發(fā)揮各方優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)集成互動(dòng)創(chuàng)新.

2）推動(dòng)軟件體系的更新?lián)Q代、二次開發(fā)與系統(tǒng)集成.根據(jù)工程設(shè)計(jì)研發(fā)需求及最新研究成果，提出核電專業(yè)軟件研制或改進(jìn)開發(fā)的需求，并組織國(guó)內(nèi)外科研院所、研發(fā)中心、高校、軟件開發(fā)機(jī)構(gòu)等單位完成軟件設(shè)計(jì)、模型開發(fā)、試驗(yàn)研究、軟件編程以及軟件測(cè)試和認(rèn)證（包括軟件二次開發(fā)與系統(tǒng)集成）等工作，實(shí)現(xiàn)核心軟件的自主開發(fā)與持續(xù)改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)以引進(jìn)實(shí)施為主到自主實(shí)施為主的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而開發(fā)出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)功能完善的核電專用軟件.

具體開發(fā)措施如下.

1）充分消化吸收已引進(jìn)的成熟軟件，結(jié)合國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)境和特點(diǎn)開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)專用軟件.這類自主化軟件從功能和適用范圍上可優(yōu)于原有程序，其實(shí)現(xiàn)方法具有快捷性和針對(duì)性.如蒸汽發(fā)生器熱工水力軟件ATHOS的開發(fā)[11]：首先對(duì)ATHOS軟件進(jìn)行消化吸收，認(rèn)識(shí)ATHOS是采用多孔介質(zhì)引入分布阻力對(duì)二次側(cè)管束區(qū)進(jìn)行模擬；然后，充分調(diào)研國(guó)內(nèi)開展多孔介質(zhì)研究的高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域已有的理論基礎(chǔ)，將分析管束區(qū)的流動(dòng)和換熱情況等成熟技術(shù)與核電工程相結(jié)合；最后，開發(fā)用于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管束流場(chǎng)分析的專用軟件，形成可替代ATHOS的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)專用軟件.國(guó)際上已形成的類似軟件見表1.

2）對(duì)國(guó)內(nèi)已有的專業(yè)軟件進(jìn)行驗(yàn)證和功能擴(kuò)展，形成軟件品牌.如引進(jìn)于西屋公司的GENF程序?qū)ｉT用于蒸汽發(fā)生器一維穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算，是蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵程序.國(guó)內(nèi)也有類似的程序，早在進(jìn)行300 MW核電廠蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)中，上海核工程研究院曾與國(guó)內(nèi)某高校合作開發(fā)類似功能的程序.由于該程序開發(fā)基于當(dāng)時(shí)的設(shè)備規(guī)模結(jié)構(gòu)，隨著蒸汽發(fā)生器傳熱管數(shù)量的增多，目前已不適用于AP1000或CAP1400等設(shè)備的設(shè)計(jì).因此，可以結(jié)合國(guó)內(nèi)專業(yè)軟件公司或高校的力量，通過資源共享的合作方式，進(jìn)一步對(duì)已有程序的限制參數(shù)和適用范圍進(jìn)行改進(jìn)和完善，快速形成有效的自主化軟件.

3）結(jié)合重大專項(xiàng)研究，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)處理形成可連續(xù)開發(fā)的工具和軟件.試驗(yàn)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，一項(xiàng)大型試驗(yàn)要花費(fèi)大量資金和時(shí)間投入，如高溫高壓回路中開展的蒸汽發(fā)生器傳熱管流阻試驗(yàn)（見圖2），蒸汽發(fā)生器縮比模型試驗(yàn)獲得進(jìn)出口管嘴流阻系數(shù)試驗(yàn)（見圖3）.試驗(yàn)花費(fèi)大量人力物力，所以應(yīng)充分利用試驗(yàn)結(jié)果.科研單位不能僅僅停留在證明自己設(shè)計(jì)的東西好用就行，將試驗(yàn)臺(tái)架、數(shù)據(jù)丟棄不用，下次研發(fā)再重復(fù)建設(shè)，缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)目光、缺少長(zhǎng)久規(guī)劃.應(yīng)對(duì)一次成功大型試驗(yàn)形成的珍貴數(shù)據(jù)充分分析利用，總結(jié)尋找規(guī)律性，形成程序，以替代類似試驗(yàn).

4結(jié)束語

過去，我們對(duì)于知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)傳承不夠重視，知識(shí)相傳還停留在口手相傳，過多依賴人為因素，沒有形成可持續(xù)發(fā)展的軟件開發(fā)能力.這一不足導(dǎo)致大量試驗(yàn)臺(tái)架廢棄，珍貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得不到充分利用.試想，如果能夠把秦山一期等電廠設(shè)計(jì)中一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)分析方法、設(shè)計(jì)流程程序化后形成自主化程序.這些經(jīng)過電廠試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證的自主化程序在重大專項(xiàng)研發(fā)中可以大展拳腳，可以少做大量試驗(yàn)，少走很多彎路，節(jié)約大量研發(fā)經(jīng)費(fèi)和設(shè)計(jì)時(shí)間.

總之，作為核電先進(jìn)研發(fā)體系建設(shè)的重要內(nèi)容，自主化軟件的發(fā)展不僅有利于提升企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)一批高水平的研發(fā)設(shè)計(jì)隊(duì)伍，同時(shí)也有利于提升核電廠數(shù)字化的設(shè)計(jì)水平，為我國(guó)核電技術(shù)的連續(xù)性和可持續(xù)發(fā)展提供支撐和保障.

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（編輯武曉英）