核反應堆數(shù)字化設計全面集成模型研究

張 亮

(核工業(yè)計算機應用研究所 北京 100048)

0 引 言

核反應堆結構復雜，設計過程需要多學科、多系統(tǒng)的設計人員共同參與，設計開發(fā)一個新的核反應堆通常是一個漫長、耗費巨大的過程。在設計過程中綜合使用計算機工具、信息化技術(簡稱“數(shù)字化設計”)成為提高核反應堆設計效率、縮短研發(fā)周期不可或缺的手段。隨著計算機軟硬件技術的快速發(fā)展，三維設計技術、集成開發(fā)技術、高性能數(shù)值計算技術、虛擬驗證技術、仿真分析技術等相繼在反應堆設計階段得到應用[1]。將先進的數(shù)字化技術與IT基礎設施、軟硬件系統(tǒng)以及反應堆設計業(yè)務流程整合，構建面向反應堆設計全過程的全面集成的設計工作環(huán)境是一個新的挑戰(zhàn)。

1 核反應堆設計業(yè)務分析

1.1 業(yè)務分析方法

EA方法是一種能夠將組織戰(zhàn)略目標映射到信息技術(IT)建設目標的藍圖規(guī)劃設計方法，有利于實現(xiàn)IT 建設與企業(yè)業(yè)務戰(zhàn)略的緊密結合[2]。由于核反應堆設計的業(yè)務復雜，采用EA 方法能夠使數(shù)字化設計業(yè)務架構得到系統(tǒng)的分析與梳理，進一步結合數(shù)字化設計對信息化需求的定義，推導出核反應堆數(shù)字化設計的IT層次結構。需要特別說明的是，EA 的本質是企業(yè)的價值架構，在能夠創(chuàng)造價值的地方遵從利益相關者的要求，引入能夠實現(xiàn)此領域利益的信息，并合并某些信息。如果全面集成的工作投入太多，將抵消集成帶來的價值。

1.2 數(shù)字化設計業(yè)務架構

業(yè)務架構的分析與建立是全面集成模型的核心與源頭，借鑒EA 方法，如圖1所示，從整體上分析反應堆設計業(yè)務過程，將反應堆數(shù)字化設計業(yè)務領域分為項目管理層、型號開發(fā)層以及基礎研究層。

圖1 核反應堆數(shù)字化設計業(yè)務架構

(1) 項目管理層: 項目管理層完成項目定義(包括項目組合/項目立項和項目開發(fā)團隊組成)、流程與計劃分解，并監(jiān)控項目的執(zhí)行過程，管理項目執(zhí)行過程中產(chǎn)生的文檔數(shù)據(jù)。

(2) 型號開發(fā)層: 型號開發(fā)層主要包括設計、試驗以及設計支撐三個領域，其中設計領域按照設計階段劃分概念設計、初步設計以及施工設計，按照系統(tǒng)設計劃分為總體設計、回路設計、堆芯設計以及儀控電設計等。從工作流程上看，設計過程依次為設計輸入管理、設計任務執(zhí)行、設計驗證、設計文件輸出等環(huán)節(jié)，同時伴隨著設計接口管理、設計變更管理、設計標準化管理等內容。

反應堆設計研究過程中會進行大量的設備、系統(tǒng)方案試驗論證，通過建立實驗臺架和試驗設施，開展試驗驗證，對試驗過程中涉及的試驗流程 、試驗數(shù)據(jù)、相關資源等內容進行全面細致和有效的管理。從工作流程上看，試驗過程包括了試驗任務接收、試驗方案編制、試驗任務執(zhí)行、試驗報告審批等環(huán)節(jié)，同時伴隨著安全質量管理、試驗資源、場地環(huán)境、停工檢查等內容。

設計支持領域包括了參數(shù)化研發(fā)設計、三維設計、虛擬驗證、仿真分析、高性能計算等先進數(shù)字化技術的應用。參數(shù)化研發(fā)設計將各種專業(yè)方法和工具封裝為知識組件，并通過流程驅動，實現(xiàn)反應堆各專業(yè)內部及專業(yè)之間的協(xié)同設計。三維設計支持管道、設備、結構、電氣、暖通、支吊架等多專業(yè)協(xié)同設計，支持實時碰撞檢查和自動出圖。利用虛擬現(xiàn)實技術開展多專業(yè)協(xié)同設計驗證和交互式操作、成果展示、技術評審、設計人員培訓、技術交流等工作。仿真分析包括了專業(yè)理論仿真(力學、流體、結構及疲勞等)和數(shù)字化系統(tǒng)仿真(工藝系統(tǒng)驗證、運行工況和方式驗證等)。

(3) 基礎研究層: 基礎研究層是反應堆設計的基礎，包括了中子物理研究、熱工水力研究、輻照技術研究、反應堆材料研究、安全分析等專業(yè)，通常在基礎研究方面要開展大量的材料和燃料研究、熱工流體和物理試驗[3]。

2 數(shù)字化設計全面集成模型

2.1 數(shù)字化設計IT系統(tǒng)規(guī)劃

反應堆設計業(yè)務架構分析之后，對數(shù)字化設計進一步“架構規(guī)劃”，包括應用架構、數(shù)據(jù)架構和IT 技術架構，形成IT系統(tǒng)架構，如圖2所示。

從分析結果(見圖4)來看：側壁厚度越接近主壁厚，翹曲變形量越小。整體厚度趨近一致，收縮相對均勻，因此翹曲變形量相對較小。

圖2 數(shù)字化設計IT系統(tǒng)架構

對數(shù)字化設計IT系統(tǒng)架構說明如下：

(1) 應用架構以業(yè)務架構中業(yè)務分析、信息系統(tǒng)支撐需求為出發(fā)點，根據(jù)專業(yè)領域和用戶范圍，參考國內外核工業(yè)同行設計院所的信息系統(tǒng)分布，以及主流商業(yè)軟件產(chǎn)品、套裝軟件、解決方案的特點和功能，定義數(shù)字化設計應用架構圖。應用架構本質上是業(yè)務架構的映射，數(shù)字化設計過程中的主要應用系統(tǒng)有企業(yè)門戶、項目管理系統(tǒng)、協(xié)同辦公系統(tǒng)、協(xié)同設計平臺(包括專業(yè)設計軟件、參數(shù)化協(xié)同設計等)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、知識管理系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)、虛擬驗證和工藝仿真系統(tǒng)等。

(2) 數(shù)據(jù)架構以數(shù)據(jù)為中心，重點在于管理支撐關鍵業(yè)務功能的關鍵數(shù)據(jù)，并保證這些數(shù)據(jù)能夠通過應用系統(tǒng)進行訪問、共享、更新以及修改，同時也規(guī)范了數(shù)據(jù)管理、安全以及共享的策略。數(shù)字化設計過程中的關鍵數(shù)據(jù)概括為與知識工程相關的知識與流程、標準文件庫，與產(chǎn)品數(shù)據(jù)歸集管理相關的基礎數(shù)據(jù)庫、型號數(shù)據(jù)庫，與協(xié)同設計平臺相關的過程數(shù)據(jù)庫、工具庫，與試驗數(shù)據(jù)管理相關的試驗數(shù)據(jù)庫，以及與項目管理相關的任務信息庫。

(3) 技術架構確定了技術參考模型，主要涵蓋IT基礎設施、信息安全等方面的內容。網(wǎng)絡設施中的網(wǎng)絡設備、信息安全系統(tǒng)、應用系統(tǒng)、容災中心機房系統(tǒng)、集中輸入輸出系統(tǒng)、終端建設、涉密無紙化會議系統(tǒng)等都屬于技術架構的范疇。

2.2 數(shù)字化設計整體集成層次結構

數(shù)字化IT系統(tǒng)架構明確后，既要考慮業(yè)務流程和業(yè)務實踐的完整性，又要尊重各軟硬件系統(tǒng)的專業(yè)性，信息系統(tǒng)之間存在必然的聯(lián)系。整體集成通常是指在集成技術規(guī)范的指導下，從不同層次上實現(xiàn)門戶集成、端到端流程集成、應用系統(tǒng)/設計工具集成、設計數(shù)據(jù)集成、安全集成和支撐環(huán)境集成。在核反應堆設計信息化發(fā)展的具體階段，根據(jù)不同的需求，實現(xiàn)整體集成的不同層次和深度。

參考通用企業(yè)整體集成方法[5]，在解決傳統(tǒng)“信息孤島”問題基礎上，著眼于實現(xiàn)核反應堆設計過程中信息、資源的共享與集成，提出如圖3所示的數(shù)字化設計整體集成層次結構圖。其中ESB企業(yè)服務總線是企業(yè)應用系統(tǒng)集成的核心中間件，數(shù)據(jù)總線和工程中間件用來集成專業(yè)的設計工具軟件，數(shù)值反應堆集成平臺整合了堆芯、熱工水力、結構力學等專業(yè)設計軟件。借鑒MBD思想，將三維設計數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成在PDM系統(tǒng)中，建立基于PDM數(shù)字化集成平臺的MBD三維數(shù)模數(shù)據(jù)管理體系。

圖3 數(shù)字化設計整體集成層次結構圖

2.3 數(shù)字化設計全面集成模型

以IT系統(tǒng)架構為依據(jù)，通過對業(yè)務架構中集成關系和數(shù)據(jù)交互的梳理，結合數(shù)字化設計整體集成層次方法，給出核反應堆數(shù)字化設計全面集成模型，如圖4所示。

圖4 數(shù)字化設計全面集成模型

業(yè)務流程的展示界面可以集成到數(shù)字化設計門戶；數(shù)字化設計門戶可直接調用應用集成平臺上的服務。數(shù)據(jù)中心的共享數(shù)據(jù)服務注冊到集成平臺，供其他系統(tǒng)使用。數(shù)據(jù)交換平臺的服務注冊到應用集成平臺，供其他系統(tǒng)使用。應用集成平臺為應用中心提供基礎接入通道，同時為應用中心提供服務共享平臺和流程協(xié)作平臺。

在應用中心，通過工程中間件集成設計工具、數(shù)據(jù)、流程和規(guī)范[4]；通過項目管理系統(tǒng)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及檔案系統(tǒng)的集成，打通“項目管理-任務發(fā)放-交付物審簽-數(shù)據(jù)歸檔”的反應堆研發(fā)設計管理全流程；通過知識管理系統(tǒng)的實施，采集來自各應用系統(tǒng)的知識，建立反應堆研發(fā)設計統(tǒng)一知識庫；通過數(shù)值反應堆集成平臺整合堆芯、熱工水力、結構力學等專業(yè)設計軟件。

在高性能計算中心，建設高性能設計一體化平臺，打通從PDM到CAD建模，再到后續(xù)前處理-高性能計算-后處理，迭代回到CAD建模的整個數(shù)字化設計流程，整合三維設計和高性能計算這兩大專業(yè)。

對于涉及國家秘密的核反應堆型號設計，依據(jù)國家對涉密信息系統(tǒng)的建設要求，不斷優(yōu)化信息安全措施，達到既保證安全、又方便工作的目標。基礎環(huán)境集成位于全面集成模型的底層，運維集成則實現(xiàn)對信息系統(tǒng)及基礎運行環(huán)境的可視、可控、可管理。

3 全面集成模型應用研究

某型號核反應堆設計在無直接參考堆型，自主研發(fā)的大背景下，開展了工程科研和設計條件保障建設工作，需要實現(xiàn)核反應堆研發(fā)設計的硬件基礎條件集成和應用系統(tǒng)集成。參考數(shù)字化設計全面集成模型，規(guī)劃了如圖5所示的集成架構，目前集成實施進展順利。

圖5 某型號核反應堆集成架構設計

對基礎環(huán)境、網(wǎng)絡系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)、高性能計算中心、涉密信息系統(tǒng)進行支撐環(huán)境系統(tǒng)集成。應用支撐平臺包括了單點登錄與統(tǒng)一身份管理平臺，企業(yè)服務總線平臺，流程管理平臺以及統(tǒng)一應用開發(fā)平臺。在企業(yè)架構(EA)框架下，保證業(yè)務系統(tǒng)應用建設的“合規(guī)性”，依據(jù)集成標準和規(guī)范，實現(xiàn)業(yè)務系統(tǒng)應用集成，梳理服務目錄。最終展現(xiàn)給管理、科研、設計、試驗人員一個統(tǒng)一的數(shù)字化設計門戶，設計人員在由各應用系統(tǒng)組成的協(xié)同設計平臺上開展設計工作。

全面集成要滿足工程技術規(guī)范和標準以及工程項目管理制度，通過多種集成方式的實施，滿足核反應堆自主設計條件保障項目的業(yè)務目標和建設目標。

進一步從全面集成角度分析該型號核反應堆數(shù)字化設計著眼點如下：

(1) 建立面向數(shù)字化設計的完整知識分類體系，全面集成來自各業(yè)務系統(tǒng)的知識資源，積累各專業(yè)學科、業(yè)務領域的顯性知識和隱形經(jīng)驗?；诮y(tǒng)一的知識工程平臺，形成向導式知識服務環(huán)境，將知識推送至各業(yè)務活動中，提升核反應堆設計的創(chuàng)新能力。

(2) 在目前三維設計的基礎上，集成已有的PDM系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的三維設計環(huán)境，在設計過程中，基于三維數(shù)字化樣機進行產(chǎn)品設計、模型標注、模型檢查、模型審簽及下發(fā)，通過試點開展可視化協(xié)同設計。

(3) 依托國家科技立項，建設核能數(shù)值反應堆設計軟件集成平臺，開發(fā)統(tǒng)一的集成環(huán)境和架構，形成標準的接口，實現(xiàn)多尺度、多物理專業(yè)軟件的集成。

(4) 搭建以ESB為核心的應用集成平臺，促進應用集成標準規(guī)范的實施，實現(xiàn)研發(fā)、設計業(yè)務線應用系統(tǒng)集成，對待建系統(tǒng)提出集成規(guī)范要求。

(5) 梳理數(shù)字化設計的綜合管理類、生產(chǎn)業(yè)務類流程，搭建流程集成平臺，實現(xiàn)跨業(yè)務系統(tǒng)“端到端”流程的貫通，實現(xiàn)科研生產(chǎn)人員、行政管理人員工作協(xié)同水平，提高整體工作效率，為管理人員提供統(tǒng)一的流程處理平臺。

4 結 語

數(shù)字化設計全面集成模型以核反應堆研發(fā)設計業(yè)務為驅動，全面整合先進數(shù)字化技術、IT系統(tǒng)以及硬件基礎條件，將孤立的管理、設計、驗證等過程整合成一個有機的整體，助力反應堆型號研發(fā)工作安全、高效開展。全面集成模型的落地應尊重軟硬件系統(tǒng)的專業(yè)性，充分發(fā)揮各系統(tǒng)的卓越優(yōu)勢，同時關注效率、成本與風險，通過有效集成，達成對數(shù)字化設計業(yè)務生產(chǎn)和管理支持的目標。