智能技術(shù)與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合

杜 華 ，羅 英 ，余志偉 ，方浩宇 ，劉 盈 ，莫錦濤

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610231；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610231）

1 反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

核反應(yīng)堆提供的核能是世界能源的重要組成部分，應(yīng)用于核電站、浮動(dòng)式平臺(tái)等多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于不同的使用環(huán)境和功率需求，需要適應(yīng)性地采用不同的核反應(yīng)堆堆型。因此核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)部門(mén)，面臨著多種型號(hào)的設(shè)計(jì)任務(wù)。同時(shí)由于核燃料固有的高能量密度和高放射性，其泄漏后將對(duì)環(huán)境造成災(zāi)難性的后果，因此核反應(yīng)堆為確保其安全性形成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱工水力、堆芯核物理、輻射屏蔽、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)。目前反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依賴(lài)基于文檔的設(shè)計(jì)形式。面對(duì)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中型號(hào)多樣、多專(zhuān)業(yè)交叉、接口復(fù)雜的難點(diǎn)，以及任務(wù)多、工期短的緊迫性，目前基于文檔的設(shè)計(jì)形式已難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

此外，現(xiàn)有的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段還停留在“二維設(shè)計(jì)為主+三維設(shè)計(jì)為輔”的階段，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式以文檔交付物為核心，從項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)管理到數(shù)據(jù)管理均以文檔交付物為準(zhǔn)。在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)需對(duì)外提交的交付物包括二維圖紙、技術(shù)文件、接口信息單、設(shè)計(jì)變更單、技術(shù)聯(lián)系單等。雖然經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)在核動(dòng)力相關(guān)基礎(chǔ)研究、模型和軟件開(kāi)發(fā)等方面取得了一定進(jìn)展，設(shè)計(jì)研發(fā)能力有了較大提高，但反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能化和協(xié)同化水平仍與世界先進(jìn)水平存在明顯的差距。

我國(guó)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段提升任重而道遠(yuǎn)。在智能化方面雖然已經(jīng)開(kāi)始了一系列嘗試，但仍然處于起步階段。

2 智能技術(shù)在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方向

2.1 智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，人工智能大數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)還沒(méi)有在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，甚至一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得較好的應(yīng)用，只是在核用機(jī)器人方面提供了大量案例供借鑒。主要原因在于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身是一種高度抽象的活動(dòng)，而現(xiàn)階段還沒(méi)有一種較好的辦法能夠?qū)⒕唧w機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行關(guān)聯(lián)。但是，基于參數(shù)化模型庫(kù)，可以利用相關(guān)的人工智能技術(shù)完成一些結(jié)構(gòu)選型以及參數(shù)確定的工作。

反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往基于總體輸入?yún)?shù)和相關(guān)堆型的基版文件進(jìn)行參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程過(guò)分依賴(lài)設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)和人工操作，且尺寸的確定缺少規(guī)范化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)校核依據(jù)，難以保證效率和質(zhì)量。另一方面，多年的經(jīng)驗(yàn)積累使各組件結(jié)構(gòu)形式具有趨同性，許多設(shè)計(jì)工作往往主要通過(guò)改變各結(jié)構(gòu)部件的布置、形式和參數(shù)以滿(mǎn)足不同改型設(shè)計(jì)要求。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度較高，規(guī)范性非常強(qiáng)。在總結(jié)這些部件的相似結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析計(jì)算及人工智能技術(shù)，將選型及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果作為三維參數(shù)化模型的輸入，可以快速將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，最終形成系統(tǒng)、完整、智能且快速的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

2.2 智能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

人工智能大數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)，甚至包括一些較早的優(yōu)化算法，都可以在一定程度上提供一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案。智能結(jié)構(gòu)優(yōu)化所面臨的最大問(wèn)題是數(shù)據(jù)樣本的獲取，尤其隨著有限元計(jì)算水平的進(jìn)步，現(xiàn)在的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)相關(guān)計(jì)算越來(lái)越強(qiáng)調(diào)建立復(fù)雜精細(xì)化多物理場(chǎng)耦合模型，進(jìn)而帶來(lái)參數(shù)量和計(jì)算量的激增，結(jié)構(gòu)優(yōu)化迭代壓力巨大。但是隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高，相信反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化也可以取得一定的突破。

智能優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要包含兩個(gè)方面，一是建立三維結(jié)構(gòu)模型與仿真模型之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為結(jié)構(gòu)仿真的智能迭代提供基礎(chǔ)；二是集成創(chuàng)新方法與智能優(yōu)化算法，幫助智能仿真迭代迅速找到結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

（1）建立三維結(jié)構(gòu)模型與仿真模型之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析之間設(shè)計(jì)流程，建立三維結(jié)構(gòu)模型與仿真模型之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)上游模型的變化能夠自動(dòng)傳遞到下游仿真模型，并自動(dòng)更新計(jì)算結(jié)果，返回新的仿真評(píng)估分析和優(yōu)化建議，形成結(jié)構(gòu)仿真迭代的閉環(huán)。

（2）集成創(chuàng)新方法與智能優(yōu)化算法。

集成智能優(yōu)化算法，降低理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耦合迭代次數(shù)，更高效實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 反應(yīng)堆智能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3 智能全息感知

反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研發(fā)周期長(zhǎng)，造價(jià)昂貴。在反應(yīng)堆建造之前，為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)提供數(shù)字孿生模型，對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行仿真和模擬，能夠有效減少誤差和風(fēng)險(xiǎn)。待反應(yīng)堆建成之后，日常的運(yùn)行和維修通過(guò)數(shù)字孿生進(jìn)行交互，能夠迅速找出問(wèn)題所在，提高效率和安全性。

建立反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生模型，該模型基于高保真的三維CAD模型，并與反應(yīng)堆數(shù)據(jù)工程中設(shè)計(jì)、制造、維修、性能分析等數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。同時(shí)，將反應(yīng)堆實(shí)體與數(shù)字孿生體進(jìn)行物聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)饋送來(lái)映射反應(yīng)堆物理實(shí)體和對(duì)反應(yīng)堆的實(shí)時(shí)多維動(dòng)態(tài)感知。

最終，結(jié)合反應(yīng)堆技術(shù)研究、大數(shù)據(jù)處理和人工智能的建模分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、反應(yīng)堆故障的診斷、以及反應(yīng)堆安全性和可靠性預(yù)測(cè)；實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型與相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維修、性能等信息的強(qiáng)綁定，并可以對(duì)反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行動(dòng)態(tài)全息感知；針對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對(duì)不同結(jié)構(gòu)故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專(zhuān)家處理記錄，將其形成未來(lái)對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，并可針對(duì)不同的新形態(tài)的故障進(jìn)行特征庫(kù)的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決，將原先模糊而很難把握的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化，使其可以被保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移。

反應(yīng)堆數(shù)字孿生遠(yuǎn)景很宏大，但現(xiàn)階段主要還是要解決復(fù)雜精細(xì)化多物理場(chǎng)耦合模型、高性能計(jì)算能力等關(guān)鍵問(wèn)題。

2.4 智能知識(shí)工程

知識(shí)工程是新時(shí)代的智能制造的重要內(nèi)容，要實(shí)現(xiàn)智能化的研發(fā)設(shè)計(jì)，離不開(kāi)知識(shí)工程的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程的融合，即收集、梳理、存儲(chǔ)研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的各類(lèi)知識(shí)，同時(shí)在研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中推送對(duì)當(dāng)前環(huán)節(jié)有指導(dǎo)作用的知識(shí)以提升研發(fā)效率。

內(nèi)容層面：構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化知識(shí)服務(wù)的智能應(yīng)用，如通過(guò)AI實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)應(yīng)答，釋放大量的標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)服務(wù)空間；構(gòu)建個(gè)性化的知識(shí)圖譜，通過(guò)員工畫(huà)像、大數(shù)據(jù)分析、知識(shí)需求聚類(lèi)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)內(nèi)容的智能挖掘服務(wù)。

管理層面：構(gòu)建知識(shí)管理網(wǎng)絡(luò)，將大量的知識(shí)管理應(yīng)用模塊嵌入研發(fā)平臺(tái)，形成工作模板標(biāo)準(zhǔn)化，工作內(nèi)容模板化，工作行為規(guī)范化的工作模式，快速開(kāi)發(fā)不同的知識(shí)小工具為員工提供即開(kāi)即用的便利。

但是反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要基于PLM平臺(tái)，而智能數(shù)據(jù)挖掘、推送等技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)公司的強(qiáng)項(xiàng)，因此如何能夠?qū)煞矫娴牧α枯^好得整合是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能知識(shí)工程的關(guān)鍵。

圖2 反應(yīng)堆智能知識(shí)工程

2.5 智能規(guī)范檢查

一些成熟的商用三維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)集成了相關(guān)功能，允許用戶(hù)定制相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中自動(dòng)根據(jù)輸入的設(shè)計(jì)規(guī)則運(yùn)行規(guī)范檢查，利用軟件功能自動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，減少校審難度，提高設(shè)計(jì)規(guī)范程度以及正確率。

因此，這方面的主要工作是基于MBD技術(shù)，研究并建立反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維建模規(guī)范、三維裝配規(guī)范、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)規(guī)范和MBD信息標(biāo)注規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，利用數(shù)據(jù)規(guī)范和質(zhì)量檢查功能將反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范轉(zhuǎn)化成檢查指令，自動(dòng)快速檢查三維設(shè)計(jì)數(shù)模的質(zhì)量，通過(guò)可視化的方式高亮標(biāo)記設(shè)計(jì)模型錯(cuò)誤及對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤列表和報(bào)告，同時(shí)在提交設(shè)計(jì)模型用于最終發(fā)布時(shí)，模型質(zhì)量檢查報(bào)告能一并保存。此外，在審核流程中檢查模型和圖紙質(zhì)量或獲取模型和圖紙的質(zhì)量檢查結(jié)果，決定流程是否可以發(fā)起或繼續(xù)。

圖3 反應(yīng)堆智能規(guī)范檢查

2.6 基于先進(jìn)制造技術(shù)的智能設(shè)計(jì)

隨著增材技術(shù)制造的發(fā)展，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也開(kāi)始在3D打印領(lǐng)域做了相應(yīng)的嘗試。例如，核動(dòng)力院與南方增材聯(lián)合研發(fā)的ACP100反應(yīng)堆（小堆）壓力容器增材制造（3D打?。┰嚰?，通過(guò)了包括國(guó)家能源局中國(guó)核電發(fā)展中心、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院等單位13位專(zhuān)家的科研成果鑒定。

3D打印件的特點(diǎn)是內(nèi)部組織及性能均勻，成型速度相對(duì)較快在復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)制造上可以大展身手，其強(qiáng)度等指標(biāo)都優(yōu)于鍛件。但是其材料抗輻照性能及疲勞特性還需要相應(yīng)的試驗(yàn)研究進(jìn)行充分論證。

若3D打印件能夠被用于反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式帶來(lái)顛覆。反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)中將出現(xiàn)各種復(fù)雜異形件，設(shè)計(jì)中首要保證的將會(huì)是性能參數(shù)，而設(shè)計(jì)件的可加工性將不會(huì)是主要考慮因素。目前已經(jīng)出現(xiàn)基于3D打印技術(shù)的蒸汽換熱器，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)保證了換熱效率的極大提升。

可以預(yù)見(jiàn)，該技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用，將大幅縮短設(shè)備制造周期，降低設(shè)備造價(jià)，提高設(shè)備質(zhì)量和反應(yīng)堆設(shè)備安全性，為核電設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力提升提供重要技術(shù)支撐。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段在智能化方面仍然處于起步階段。本文對(duì)智能技術(shù)有可能應(yīng)用到反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的五個(gè)方面包括智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能結(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能全息感知、智能知識(shí)工程、智能規(guī)范檢查以及基于先進(jìn)制造技術(shù)的智能設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，分析了其發(fā)展前景，得出如下結(jié)論：

在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，智能化的工作主要是能基于參數(shù)化模型庫(kù)，利用相關(guān)的人工智能技術(shù)完成一些結(jié)構(gòu)選型以及參數(shù)確定的工作。同時(shí)集成智能優(yōu)化算法，降低理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耦合迭代次數(shù)，更高效實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

反應(yīng)堆數(shù)字孿生遠(yuǎn)景很宏大，但現(xiàn)階段主要還是要解決復(fù)雜精細(xì)化多物理場(chǎng)耦合模型、高性能計(jì)算能力等關(guān)鍵問(wèn)題。

智能知識(shí)工程和智能規(guī)范檢查等都可以利用現(xiàn)有技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。

增材制造如果材料被證明在抗疲勞以及輻照方面可以滿(mǎn)足反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的要求，將會(huì)對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式帶來(lái)顛覆，因此現(xiàn)階段應(yīng)該作必要的技術(shù)準(zhǔn)備。

智能化技術(shù)在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在提升工作效率的同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化。在后續(xù)階段，應(yīng)加大對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能化系統(tǒng)和設(shè)備的研發(fā)，從而更好地促進(jìn)核行業(yè)的快速有效發(fā)展。