智能數(shù)字化設(shè)計(jì)提升核能質(zhì)量和效能

◆鄭明光 / 文

核能是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，為社會(huì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，全球約450個(gè)機(jī)組貢獻(xiàn)了全世界所需電力的約11%，其中中國(guó)大陸有38臺(tái)機(jī)組正在運(yùn)行，并有18臺(tái)機(jī)組正在建設(shè)中。上海核工程研究設(shè)計(jì)院（SNERDI，簡(jiǎn)稱上海核工院）作為一家具有近50年核電設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的綜合性設(shè)計(jì)院，全力參與和支持了即將發(fā)電的具有AP1000三代核電技術(shù)的中國(guó)浙江和山東的4臺(tái)機(jī)組，而目前正在采用數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法，全力推進(jìn)CAP1400的設(shè)計(jì)。

核能是人類可持續(xù)發(fā)展的核心能源之一，但是核能如何確保自身的可持續(xù)發(fā)展，從技術(shù)上徹底消除再發(fā)生福島事故的可能性，在提高安全性的同時(shí)具備良好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)帶動(dòng)全球產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，是上海核工院一直努力的方向。上海核工院目前承擔(dān)了國(guó)家重大專項(xiàng)CAP1400示范工程，聯(lián)合清華大學(xué)、上海交通大學(xué)和上海電氣集團(tuán)、沈鼓集團(tuán)等國(guó)內(nèi)外上百家核電上下游科研院校和企業(yè)，開展了大量的非能動(dòng)系統(tǒng)和設(shè)備試驗(yàn)、抗大型商用飛機(jī)撞擊試驗(yàn)、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)研發(fā)、福島事故后設(shè)計(jì)增強(qiáng)等一系列研究，切實(shí)提高了CAP1400的安全性和經(jīng)濟(jì)性，帶動(dòng)了上下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。

在CAP1400的研發(fā)過程中，得益于數(shù)字技術(shù)的高度發(fā)展，上海核工院圍繞核心業(yè)務(wù)，依托IT技術(shù)，探索工業(yè)化與信息化兩化融合，正在全力推進(jìn)、完善應(yīng)用于核電設(shè)計(jì)的智能數(shù)字化設(shè)計(jì)體系。整個(gè)體系以數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，通過研發(fā)、設(shè)計(jì)牽引和推動(dòng)制造、建造、驗(yàn)證和運(yùn)維的核電全壽期，綜合利用大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真平臺(tái)、專家診斷系統(tǒng)等各種數(shù)字化工具，融入質(zhì)量管理體系的各方面要求，深度改變了原始的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，提高了設(shè)計(jì)效率，改進(jìn)了設(shè)計(jì)質(zhì)量，并帶動(dòng)著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量提升。

綜合數(shù)據(jù)中心保障數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是建立一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)中心，包括二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心、三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心、分析計(jì)算數(shù)據(jù)中心、模擬驗(yàn)證數(shù)據(jù)中心等，將整個(gè)核電廠全壽期的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行集中有序管控，包括數(shù)據(jù)的收集、驗(yàn)證、傳輸、交互、關(guān)聯(lián)、管理、使用及變更，確保所有流程使用的數(shù)據(jù)都有唯一的來源，并且在數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)，如在數(shù)據(jù)與物項(xiàng)、模型、過程、資源、文件、規(guī)則、分析以及決策之間建立全方位的關(guān)聯(lián)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子來說，如果熱工水力計(jì)算結(jié)果提升了流量需求，將自動(dòng)反映給流體系統(tǒng)的管道尺寸設(shè)計(jì)和閥門設(shè)備設(shè)計(jì)系統(tǒng),繼而觸發(fā)力學(xué)計(jì)算確認(rèn)等系列需求。數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)，為知識(shí)管理奠定了非常好的基礎(chǔ)，便于知識(shí)的傳承，根據(jù)終端的不同需求可實(shí)現(xiàn)多樣化的數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式，并為專家支持系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)保障規(guī)則落實(shí)和協(xié)同。在綜合數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上，建立全院各專業(yè)協(xié)同的一體化數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，配合云平臺(tái)技術(shù)，上海核工院的員工可以在全球任何地方，只需要一臺(tái)電腦和網(wǎng)絡(luò)，就能實(shí)現(xiàn)多專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)平臺(tái)融合了數(shù)字化的專家知識(shí)和設(shè)計(jì)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程由專家系統(tǒng)完成智能化自動(dòng)診斷并完成自動(dòng)迭代，將原來上下游文件傳遞轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)直接傳遞，為實(shí)現(xiàn)“一鍵式”設(shè)計(jì)遠(yuǎn)景奠定基礎(chǔ)。

可視化設(shè)計(jì)降低設(shè)計(jì)成本。數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)結(jié)果的可視化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、力學(xué)、布置的一體化，而且設(shè)計(jì)的圖紙可以直接傳遞給制造廠進(jìn)行加工制造，給設(shè)計(jì)、制造、布置等帶來了極大的便利，顯著提高了設(shè)計(jì)制造效率并降低了成本，對(duì)整個(gè)核電制造產(chǎn)業(yè)鏈的能力提升起到了非常好的引領(lǐng)示范作用。

模塊化設(shè)計(jì)提高建造效能。數(shù)字化設(shè)計(jì)更加便于采用模塊化設(shè)計(jì)，CAP1400的核島共設(shè)計(jì)了50個(gè)機(jī)械設(shè)備模塊和81個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，這些模塊都可以在工廠事先進(jìn)行定制，或者在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行并行制作，然后到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝和安裝，可以極大地提高模塊內(nèi)部的制造精度，縮短核電廠的總體建造周期，從而顯著提高經(jīng)濟(jì)性。模塊化的設(shè)計(jì)提供的“積木式”建造，也更加便于為不同業(yè)主的個(gè)性化需求提供菜單式選擇服務(wù)。

數(shù)字化驗(yàn)證提高經(jīng)濟(jì)性安全性。數(shù)字化仿真為設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供了非常便捷、經(jīng)濟(jì)的途徑，通過強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，節(jié)省了原本需要大量試驗(yàn)所帶來的經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本和環(huán)境破壞；優(yōu)化設(shè)計(jì)階段的人因工程研究和嚴(yán)重事故模擬，極大地優(yōu)化了核電廠運(yùn)行的人機(jī)界面和改善了安全性。比如由高強(qiáng)度混凝土構(gòu)成的屏蔽廠房，通過嚴(yán)格的數(shù)字化模擬驗(yàn)證飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)、燃燒效應(yīng)、爆炸效應(yīng)等，確保能夠承受大型商用飛機(jī)撞擊，為核電廠的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

數(shù)字電廠提供全壽期服務(wù)。智能數(shù)字化設(shè)計(jì)不再是向業(yè)主簡(jiǎn)單交付一套設(shè)計(jì)圖紙，而是包含了所有設(shè)計(jì)成果的整個(gè)數(shù)字電廠，為業(yè)主提供了非常全面精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)信息，包括形象的三維動(dòng)態(tài)模型、模擬主控室等，對(duì)核電廠的工作人員了解核電廠、操縱員培訓(xùn)等提供了非常便捷的功能，更重要的是，數(shù)字電廠還提供了更好的全壽期服務(wù)。在核電廠長(zhǎng)達(dá)60年甚至更長(zhǎng)的運(yùn)行過程中，核電廠的運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)時(shí)反映到數(shù)字電廠中，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)的分析和預(yù)測(cè)能力，動(dòng)態(tài)顯示電廠的即時(shí)風(fēng)險(xiǎn)，分析故障率較高的設(shè)備類型，預(yù)測(cè)未來可能的故障形式和時(shí)間，為維修方案的選擇提供快速的定量風(fēng)險(xiǎn)依據(jù)，協(xié)助業(yè)主設(shè)計(jì)出更合理的庫(kù)存比例和更精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)檢查計(jì)劃，切實(shí)提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

安全是核能發(fā)展的根本，質(zhì)量是核能安全的基礎(chǔ)。為了確保核能的安全，上海核工院綜合考慮國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)、國(guó)家核安全局、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)于質(zhì)保的要求，建立了一套嚴(yán)格、整合型的質(zhì)量保證管理體系。而隨著近年智能數(shù)字化設(shè)計(jì)、管控現(xiàn)代化的要求，上海核工院在原有設(shè)計(jì)質(zhì)量管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上，同步升級(jí)并持續(xù)改進(jìn)數(shù)字化、可視化的設(shè)計(jì)質(zhì)量管控系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)質(zhì)量管控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化設(shè)計(jì)的流程特點(diǎn)，優(yōu)化甚至重建設(shè)計(jì)流程，在數(shù)字化流程中充分融入人員資格管理、流程管理等大量的質(zhì)保要求，并通過系統(tǒng)鎖定管控規(guī)則以避免人因錯(cuò)誤，提供了設(shè)計(jì)全過程的自動(dòng)、實(shí)時(shí)、透明、規(guī)范的監(jiān)督功能。數(shù)字化的設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠記錄全部過程質(zhì)量信息，提供強(qiáng)大的質(zhì)量趨勢(shì)分析功能和質(zhì)量追溯功能，并建立設(shè)計(jì)過程知識(shí)庫(kù)，實(shí)施設(shè)計(jì)過程知識(shí)管理，為知識(shí)形成、應(yīng)用和傳承奠定基礎(chǔ)。例如，我們將采購(gòu)合同系統(tǒng)與合格供方數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)鎖，確保所有合同只能和經(jīng)過嚴(yán)格篩選的合格供方簽署；我們將設(shè)計(jì)人員資格與設(shè)計(jì)流程聯(lián)鎖，從設(shè)計(jì)平臺(tái)上保證了所有工作是由有資格的人員來執(zhí)行的；我們?cè)O(shè)置了個(gè)人質(zhì)量統(tǒng)計(jì)規(guī)則和排序、報(bào)警規(guī)則，系統(tǒng)將自動(dòng)提醒質(zhì)量降級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)字化設(shè)計(jì)是一個(gè)持續(xù)升級(jí)和優(yōu)化的過程，需要在實(shí)踐中不斷完善，我們正在將這一整套系統(tǒng)應(yīng)用于模塊化小型堆設(shè)計(jì)上，并取得了比較好的效果。

智能數(shù)字化設(shè)計(jì)帶來設(shè)計(jì)流程的顛覆，極大改變工作方式的同時(shí)也帶來巨大的變革挑戰(zhàn)。比如數(shù)字化設(shè)計(jì)過程帶來全數(shù)字化的流程，如何確保過程和結(jié)果得到有效的質(zhì)量監(jiān)督，以及在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)明確責(zé)任？比如設(shè)計(jì)流程的變更帶來對(duì)人員能力要求的變化，以及組織結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)數(shù)字化流程？甚至，數(shù)字化設(shè)計(jì)的推廣將可能改變整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的布局和分工，帶來行業(yè)的革命性變化。

核能是人類發(fā)展和幸福生活的能源基礎(chǔ)，而質(zhì)量和安全是核能的生命線，智能數(shù)字化設(shè)計(jì)將極大提升核能質(zhì)量和安全，為人類奉獻(xiàn)清潔、安全、高效的能源，并將持續(xù)改變整個(gè)世界。

上海核工院一直秉承開放交流的態(tài)度，積極參與ASQ、IAQ、EOQ等國(guó)際高層次質(zhì)量平臺(tái)的各種活動(dòng)，Gregory H. Watson等國(guó)際質(zhì)量專家也多次來院交流，使我院能夠吸取更多頂級(jí)質(zhì)量理念，促進(jìn)質(zhì)量工作的提升，我們熱烈歡迎各位專家有機(jī)會(huì)能夠到上海核工院去指導(dǎo)、交流。