數(shù)字化反應(yīng)堆關(guān)鍵數(shù)據(jù)梳理及數(shù)據(jù)框架研究

劉 盈 羅 騫 張思原 唐 雷 徐海燕

0 概述

數(shù)字化反應(yīng)堆是目前國際核工業(yè)界的一個研究熱點，是數(shù)字化技術(shù)發(fā)展及核反應(yīng)堆需求發(fā)展到現(xiàn)階段的必然趨勢和產(chǎn)物。[1]數(shù)字化反應(yīng)堆技術(shù)是基于高性能軟硬件系統(tǒng)，具有高精度計算、高智能化研發(fā)設(shè)計、高仿真可視化輸出以及大數(shù)據(jù)管理等特點的先進軟件技術(shù)，是構(gòu)建智能化綜合研發(fā)平臺的關(guān)鍵技術(shù)。[2]伴隨數(shù)字化反應(yīng)堆開展的各項設(shè)計與仿真業(yè)務(wù)活動會產(chǎn)生大量的工作成果，這些工作成果蘊含了極大價值，需要對這些數(shù)據(jù)進行認真梳理并實現(xiàn)合理的組織，同時建立符合不同類型用戶需要的數(shù)據(jù)框架，為核反應(yīng)堆中數(shù)據(jù)的科學(xué)利用、數(shù)字化移交奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)字化反應(yīng)堆關(guān)鍵數(shù)據(jù)梳理

數(shù)字化反應(yīng)堆的各項研發(fā)數(shù)據(jù)中會產(chǎn)生大量的工作成果，其成果主要以數(shù)據(jù)的形式進行呈現(xiàn)，從數(shù)據(jù)類型上來看，主要包含了三維結(jié)構(gòu)模型、計算數(shù)據(jù)（計算軟件的輸入、輸出文件與性能參數(shù)）和相關(guān)圖文檔等三類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型豐富，有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，也有大量的文本、圖像、聲音等非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。[3]其具體描述如下，三維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)：包含核反應(yīng)堆系統(tǒng)或者設(shè)備的幾何體構(gòu)成、幾何尺寸、材料信息、工藝信息以及其他屬性。計算類數(shù)據(jù)：包含核反應(yīng)堆系統(tǒng)或者設(shè)備在物理、燃料、流體、力學(xué)等分析時使用的計算輸入和輸出參數(shù)，以及對應(yīng)的文本數(shù)據(jù)。圖文檔數(shù)據(jù)：在核反應(yīng)堆系統(tǒng)或者設(shè)備設(shè)計、建造、退役過程中，形成的設(shè)計報告、設(shè)計圖紙、技術(shù)規(guī)范、圖紙清單等。為了便于對上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，通過研究分析，關(guān)鍵數(shù)據(jù)采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的方式進行組織。圖1 是華龍一號關(guān)鍵數(shù)據(jù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹示例，第一層節(jié)點包括了核反應(yīng)堆系統(tǒng)，第二層節(jié)點包括了相應(yīng)系統(tǒng)下的設(shè)備組成，上述的關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以按照其物理屬性綁定在特定節(jié)點上，實現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的統(tǒng)一的管理。

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹（PST）是描述某一產(chǎn)品的物料組成及各部分文件組成的層次結(jié)構(gòu)樹狀圖。它是將產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理中的產(chǎn)品信息，結(jié)合各個零部件之間的層級關(guān)系組成一種有效的屬性管理結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹根據(jù)該產(chǎn)品的層次關(guān)系，將產(chǎn)品各種零部件按照一定的層次關(guān)系組織起來，可以清晰地描述產(chǎn)品各個部件、零件之間的關(guān)系，樹上的節(jié)點代表部件、零件或者組件，每個節(jié)點都會與該部件的材質(zhì)、規(guī)格、型號等屬性信息以及相關(guān)技術(shù)文檔進行關(guān)聯(lián)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的層次劃分必須反映產(chǎn)品的功能劃分與組成，同時要根據(jù)產(chǎn)品復(fù)雜程度決定劃分層次的細化程度。核反應(yīng)堆系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹如圖2 所示。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹屬性映射

圖1 反應(yīng)堆數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖

完成核反應(yīng)堆系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹后，還需要以結(jié)構(gòu)化的方式實現(xiàn)每個結(jié)構(gòu)樹節(jié)點下對應(yīng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行管理，以支持對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行搜索統(tǒng)計等功能。要實現(xiàn)上述效果，需要進行屬性映射配置。進行設(shè)置屬性映射時，需要將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上相應(yīng)節(jié)點零部件模型的參數(shù)與系統(tǒng)中相應(yīng)數(shù)據(jù)屬性（包括了三維結(jié)構(gòu)模型、計算數(shù)據(jù)及圖文檔數(shù)據(jù)）進行一對一的映射設(shè)置，完成數(shù)據(jù)的組織管理。初始配置的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中主要包括了系統(tǒng)節(jié)點與設(shè)備節(jié)點。為此，下面將以兩個層次，分別對系統(tǒng)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)進行詳細梳理與描述。

圖2 核反應(yīng)堆系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

以“壓力安全系統(tǒng)”為例說明系統(tǒng)類的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)第一層次的數(shù)據(jù)包括：功能描述、壽期大事記和經(jīng)驗總結(jié)?！肮δ苊枋觥笔且欢挝淖?，簡要描述該系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的功能，如：在反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)啟動、穩(wěn)態(tài)功率運行、正常功率變化、停堆和事故工況下，本系統(tǒng)具有壓力調(diào)節(jié)和壓力保護的功能；同時還具有除去反應(yīng)堆冷卻劑中的放射性氣體的功能?！皦燮诖笫掠洝卑凑諘r間順序反映全壽期內(nèi)發(fā)生的重大事件?！敖?jīng)驗總結(jié)”包括一系列的文件，用于記錄全壽期內(nèi)的各種經(jīng)驗和教訓(xùn)。

第二層次的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的改造情況進行組織。系統(tǒng)如果對工藝流程進行過大的改變（如增加設(shè)備）或更換過非標(biāo)設(shè)備則認為是進行過改造。第一次交付使用的系統(tǒng)稱為“初始交付系統(tǒng)”，以后的稱為“改造系統(tǒng)1”、“改造系統(tǒng)2”（按時間排序）。各版次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基本相同?！俺跏冀桓断到y(tǒng)”的主要數(shù)據(jù)包括a.研制前期文件：包括研制任務(wù)下達前的項目建議書、可行性論證報告等一系列的前期文件。研制任務(wù)書：正式下達的研制要求、任務(wù)書或合同等文件。b.主要技術(shù)參數(shù)反映系統(tǒng)主要技術(shù)特性的一系列參數(shù)，如：設(shè)計壓力、設(shè)計溫度等等。c.設(shè)計數(shù)據(jù)。設(shè)計三維模型：該系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)模型（可包含版次）。設(shè)計說明書：該系統(tǒng)的設(shè)計說明書（可包含版次）。設(shè)計計算文件：該系統(tǒng)的計算文件（可包含版次）。系統(tǒng)流程圖：該系統(tǒng)的工藝流程圖（可包含版次）。等等其它文件。d.安裝數(shù)據(jù)。系統(tǒng)布置圖：該系統(tǒng)的布置圖（二維）（可包含版次）?，F(xiàn)場安裝文件：各種安裝技術(shù)要求文件（可包含各版次）?，F(xiàn)場安裝圖：由安裝單位出的各種安裝工藝圖（可包含版次）?，F(xiàn)場變更記錄：現(xiàn)場各種變更和不符合項處理記錄。e.調(diào)試數(shù)據(jù)。調(diào)試手冊：各種指導(dǎo)調(diào)試的技術(shù)說明文件。調(diào)試變更記錄：在調(diào)試過程中對調(diào)試手冊進行的修改。調(diào)試記錄：調(diào)試活動和結(jié)果的記錄文件。調(diào)試事件：調(diào)試過程中發(fā)生的各種問題及其處理記錄。如：發(fā)現(xiàn)某設(shè)備損壞，進行了更換?？⒐D：調(diào)試完成系統(tǒng)交付后出的系統(tǒng)流程圖和布置圖，反映交付狀態(tài)?？⒐とS模型：與竣工圖對應(yīng)的三維模型。f.運行維修維護數(shù)據(jù)。操作規(guī)程：系統(tǒng)操作規(guī)程文件。運行事件：運行過程中發(fā)生的重大事項。如：某閥門損壞。運行事件需關(guān)聯(lián)運行原始記錄。運行原始記錄：運行記錄不經(jīng)整理，直接電子化后生成的文檔。維修維護事件：發(fā)生的維修維護活動。需關(guān)聯(lián)維修維護原始記錄。維修維護原始記錄：維修維護記錄不經(jīng)整理，直接電子化后生成的文檔。在役檢查事件：所有開展在役檢查活動。需關(guān)聯(lián)在役檢查原始記錄。在役檢查原始記錄：在役檢查記錄不經(jīng)整理，直接電子化后生成的文檔。g.退役數(shù)據(jù)。退役數(shù)據(jù)只有最后一次改造后的系統(tǒng)才有。退役方案：頂層的退役活動設(shè)計文件。退役操作技術(shù)文件：指導(dǎo)具體退役操作的技術(shù)文件。退役記錄：退役活動中的各種記錄。退役檢查記錄：退役后進行解剖和檢查產(chǎn)生的各種記錄。廢物處理文檔：放射性廢物的處理記錄、去向。

1.4 設(shè)備數(shù)據(jù)

1.4.1 通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)

設(shè)備數(shù)據(jù)中第一層次數(shù)據(jù)是通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的型號，每種型號包換的數(shù)據(jù)為：主要技術(shù)參數(shù)、采購技術(shù)規(guī)格書、圖紙等。

1.4.2 非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)

以核反應(yīng)堆冷卻劑泵為例，說明非標(biāo)設(shè)備數(shù)據(jù)。第一層次的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)相同，包括：功能描述、壽期大事記和經(jīng)驗總結(jié)。由于核反應(yīng)堆中存在多臺反應(yīng)堆冷卻劑泵，第二層次數(shù)據(jù)按照具體設(shè)備組織，如：1 號反應(yīng)堆冷卻劑泵、2 號反應(yīng)堆冷卻劑泵。第三層次的數(shù)據(jù)按照各設(shè)備的更換情況進行組織。第一次交付使用的設(shè)備稱為“初始交付系統(tǒng)”，以后的稱為“第一次更換設(shè)備”、“第二次更換設(shè)備”（按時間排序）。各版次設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本相同。

2 數(shù)字化反應(yīng)堆數(shù)據(jù)框架設(shè)計

通過對上述關(guān)鍵數(shù)據(jù)的梳理及組織，形成了數(shù)字化反應(yīng)堆數(shù)據(jù)框架。下文將對數(shù)據(jù)框架的功能進行詳細描述。

2.1 數(shù)據(jù)框架功能描述

數(shù)字化反應(yīng)堆數(shù)據(jù)框架的功能包括以下五大功能模塊，登錄管理，數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)模型管理，數(shù)據(jù)采集，審計管理。登錄管理包括：系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)退出。數(shù)據(jù)查詢包括：型號查詢、階段查詢、分類查詢、跨庫查詢、三維模型查詢、二維圖紙查詢、全文檢索、我的查詢。

數(shù)據(jù)模型管理包括：堆型管理、對象管理、元模型管理、全壽期階段管理、數(shù)據(jù)分類管理。

數(shù)據(jù)采集管理包括：數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)導(dǎo)入。系統(tǒng)管理包括：用戶管理、角色管理。

審計管理包括：審計信息查詢、審計信息顯示、審計信息記錄。

2.2 數(shù)據(jù)框架用戶分類與特征

作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，表結(jié)構(gòu)的設(shè)計要提高表現(xiàn)力，使其做到自我描述。并且滿足系統(tǒng)的擴展性需求，對數(shù)據(jù)進行合理的建模，為后期的維護做良好的基礎(chǔ)。把現(xiàn)實世界中的元素抽象化，使其成為能夠存儲在數(shù)據(jù)庫中的記錄。[4]數(shù)據(jù)框架根據(jù)用戶的使用特征分成使用用戶和管理員兩大類。使用用戶使用本系統(tǒng)檢索數(shù)據(jù)，并根據(jù)其自身的權(quán)限瀏覽信息。管理員是指為了保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)而設(shè)置的各種崗位或角色，根據(jù)系統(tǒng)的要求，可以把系統(tǒng)的角色分為數(shù)據(jù)管理員、系統(tǒng)管理員、安全管理員和審計管理員。（1）數(shù)據(jù)管理員：數(shù)據(jù)管理員負責(zé)向系統(tǒng)內(nèi)錄入和更新數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理員需要大量錄入各種信息，因此必須給該類用戶提供簡單快捷的操作界面。（2）系統(tǒng)管理員：系統(tǒng)管理員負責(zé)系統(tǒng)運行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)模型管理，配置系統(tǒng)運行參數(shù)和管理數(shù)據(jù)模型需要使用的單獨的操作界面。（3）安全管理員：安全管理員負責(zé)管理系統(tǒng)中用戶、角色和權(quán)限。安全管理員需要使用單獨的操作界面。（4）審計管理員：審計管理員負責(zé)審計系統(tǒng)事件、監(jiān)控其它各種用戶的行為。審計管理員使用單獨的操作界面。審計管理員不得擔(dān)任系統(tǒng)內(nèi)其它角色。

2.3 數(shù)據(jù)框架外部接口

（1）用戶界面：系統(tǒng)采用簡體中文顯示或輸入信息。用戶圖形界面要求風(fēng)格統(tǒng)一、簡潔明了。對顯示界面使用的文字、字體可以使用統(tǒng)一的風(fēng)格管理，要采用B/S 結(jié)構(gòu)，客戶端采用瀏覽器，顯示分辨率為1280*1024。錯誤信息采用中文方式顯示。

（2）硬件接口：系統(tǒng)無硬件接口。

（3）軟件接口：系統(tǒng)與數(shù)字化反應(yīng)堆綜合反應(yīng)平臺存在數(shù)據(jù)交互的接口。

2.4 數(shù)據(jù)框架邏輯架構(gòu)

數(shù)據(jù)框架能夠管理數(shù)字化反應(yīng)堆各種堆型在全周期過程中形成的成果數(shù)據(jù)，平臺框架分成三個基本層次：持久層、業(yè)務(wù)層、表示層，其邏輯架構(gòu)如下圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)框架邏輯架構(gòu)圖

（1）持久層 持久層負責(zé)數(shù)據(jù)持久化。采用關(guān)系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（DBMS）加文件庫方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化。對于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用DBMS 存儲，對于文檔等半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)其元數(shù)據(jù)采用DBMS存儲，文檔實體采用文件庫進行存儲。持久服務(wù)層的作用是：封裝持久層的功能，使應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層與持久層的具體實現(xiàn)解耦。持久服務(wù)層由O/R 映射框架、文件存取服務(wù)組成，均與業(yè)務(wù)無關(guān)。O/R 映射框架通過將oracle 中的數(shù)據(jù)封裝為對象，屏蔽了數(shù)據(jù)庫訪問的底層實現(xiàn)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲邏輯、資源管理和調(diào)度與上層應(yīng)用的分離。所有對數(shù)據(jù)庫的操作均通過O/R 映射框架進行。文件存取服務(wù)完成兩方面的功能：按照上層調(diào)用的要求，接收文檔并將其存儲到指定物理位置；按照上層調(diào)用的要求，從文件目錄中取得文檔，并以流的方式返回。文件存取服務(wù)屏蔽了文檔訪問的底層實現(xiàn)。

（2）業(yè)務(wù)層 業(yè)務(wù)層實現(xiàn)各種具有通用性的功能，供上層各種應(yīng)用調(diào)用。該層由十二個部分組成：“審計日志服務(wù)”、“內(nèi)容驗證服務(wù)”、“數(shù)據(jù)模型服務(wù)”、“數(shù)據(jù)編碼服務(wù)”、“三維模型處理服務(wù)”、“權(quán)限控制服務(wù)”、“身份鑒別服務(wù)”、“PDF 處理服務(wù)”、“文件管理服務(wù)”、“水印處理服務(wù)”和“全文檢索引擎”。“審計日志服務(wù)”實現(xiàn)審計日志的記錄和檢索功能。該模塊屏蔽審計日志記錄的具體實現(xiàn)細節(jié)?！皟?nèi)容驗證服務(wù)”實現(xiàn)電子數(shù)據(jù)防篡改功能，該模塊屏蔽了復(fù)雜實現(xiàn)細節(jié)?！皵?shù)據(jù)模型服務(wù)”負責(zé)管理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)模型，并提交上層使用。對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)模型的操作均依賴該層實現(xiàn)?！皵?shù)據(jù)編碼服務(wù)”是編碼生成工具，能夠根據(jù)設(shè)置的業(yè)務(wù)規(guī)則，根據(jù)用戶輸入生成數(shù)據(jù)編碼。該模塊屏蔽數(shù)據(jù)編碼生成和管理的具體細節(jié)?！叭S模型處理服務(wù)”完成以下幾方面的功能：對三維模型文件按照給定規(guī)則重命名；設(shè)置三維模型屬性；完成三維模型輕量化處理?！皺?quán)限服務(wù)”用于驗證用戶是否具有某種操作權(quán)限或是否擁有對應(yīng)的密級。該模塊屏蔽權(quán)限管理的具體實現(xiàn)細節(jié)?！吧矸蓁b別服務(wù)”用于鑒別用戶身份，該模塊屏蔽身份鑒別的具體實現(xiàn)細節(jié)?！癙DF 處理服務(wù)”完成四方面的功能：對PDF 文件按照給定規(guī)則重命名；設(shè)置PDF 文檔的各種屬性；向PDF 文件中寫入給定內(nèi)容；對圖像性質(zhì)的PDF 文件進行OCR 掃描，并將掃描結(jié)果作為不可見層（僅為全文檢索引擎使用）。“文件管理服務(wù)”完成三方面功能：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則確定調(diào)用相關(guān)模塊對要存儲的文件進行預(yù)處理；接收上層模塊提交的文件全息瀏覽請求，調(diào)用“文件存取服務(wù)”，獲得文件并返回對應(yīng)的文件流?！八√幚矸?wù)”專用于文本電子數(shù)據(jù)安全。在合法用戶打印數(shù)據(jù)時，通過文本數(shù)字水印技術(shù)將審計信息（如操作人、操作事件）加載到打印輸出的紙質(zhì)文件，以便進行追蹤。“全文檢索引擎”建立系統(tǒng)內(nèi)所用文檔的全文索引，接收用戶輸入的檢索條件，完成分詞，進行檢索并按照匹配規(guī)則返回結(jié)果。

（3）表示層 表示層直接對應(yīng)系統(tǒng)功能。該層包括：“登錄管理”、“數(shù)據(jù)查詢”、“模型管理”、“數(shù)據(jù)采集”、“系統(tǒng)管理”、“二維檢索”、“全文檢索”、“屬性檢索”、“三維檢索”、“跨庫檢索”、“審計管理”各模塊包括了用戶界面和與用戶行為相關(guān)的邏輯處理部分。

2.5 數(shù)據(jù)框架技術(shù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)框架采用三層體系結(jié)構(gòu)，如下圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)框架體系結(jié)構(gòu)圖

表示層中面向最終用戶的展現(xiàn)采用基于ExtJS3.2 框架的富客戶端技術(shù)，目的是為用戶提供更好的體驗，客戶端發(fā)出Http 請求后，Struts2 的FilterDispatcher 對請求進行分發(fā)，在分發(fā)到具體的業(yè)務(wù)服務(wù)對象前，由一系列的驗證、審計等安全過濾器對請求進行預(yù)處理。該層實現(xiàn)了邏輯架構(gòu)中的應(yīng)用層。業(yè)務(wù)層的業(yè)務(wù)服務(wù)由Struts2 Action 調(diào)用相關(guān)業(yè)務(wù)組件完成，業(yè)務(wù)服務(wù)組件不直接存取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，業(yè)務(wù)服務(wù)組件的操作對象是與Oracle 數(shù)據(jù)庫進行O/R 映射后的數(shù)據(jù)實體。該層實現(xiàn)了邏輯架構(gòu)中的業(yè)務(wù)層。數(shù)據(jù)源層的核心是HibernateUtil，該組件通過調(diào)用Hibernate 框架所提供的功能與數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終持久化。該層實現(xiàn)了邏輯架構(gòu)中的持久層。

3 結(jié)論

本文對伴隨數(shù)字化反應(yīng)堆各項設(shè)計和仿真業(yè)務(wù)等產(chǎn)生的大量成果數(shù)據(jù)進行了梳理，采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的方式對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行有效管理，搭建了數(shù)字化反應(yīng)堆數(shù)據(jù)框架，對框架中各項功能、用戶分類與特征以及外部接口進行了詳細描述，形成了數(shù)據(jù)框架邏輯架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)，為后續(xù)數(shù)字化反應(yīng)堆數(shù)據(jù)應(yīng)用管理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。