基于工程仿真機(jī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證管理方法研究

張立群，張玉峰，王少華，劉問(wèn)杰

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

隨著中國(guó)核電具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)新堆型的不斷研發(fā)，新設(shè)計(jì)的驗(yàn)證需求不斷增加[1]。同時(shí)，應(yīng)用仿真機(jī)的優(yōu)勢(shì)[2]開(kāi)展核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的研究方法越來(lái)越多[3-7]。從數(shù)字化主控室人機(jī)接口的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，到機(jī)組DCS缺省值驗(yàn)證，再到使用全流程數(shù)字化儀控平臺(tái)繪制儀控設(shè)計(jì)圖紙的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，再到工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)、新堆型的總體運(yùn)行研究的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，再到核電廠(chǎng)調(diào)試規(guī)程的驗(yàn)證，使得用工程仿真機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方向越來(lái)越多元化。

以往主要是參考核電廠(chǎng)全范圍模擬機(jī)的開(kāi)發(fā)流程跟蹤驗(yàn)證平臺(tái)的更新配置管理工作。全范圍模擬機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)單一，主要用途是核電廠(chǎng)操縱員運(yùn)行培訓(xùn)和操縱員考取運(yùn)行執(zhí)照[8]。另一方面，全范圍模擬機(jī)的設(shè)計(jì)輸入相對(duì)固化，主要分成設(shè)計(jì)固化、電廠(chǎng)調(diào)試和電廠(chǎng)運(yùn)行3個(gè)階段的數(shù)據(jù)更新。面向多元化驗(yàn)證任務(wù)的驗(yàn)證活動(dòng)，具有驗(yàn)證目標(biāo)多、涉及驗(yàn)證專(zhuān)業(yè)范圍廣、參與部門(mén)多等特點(diǎn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)輸入未固化，同一時(shí)間段有不同階段、不同批次、不同專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)輸入，交叉重疊地提交驗(yàn)證需求。這意味著工程仿真機(jī)的模型迭代更新次數(shù)頻繁，是逐步細(xì)化走向精準(zhǔn)的過(guò)程。各個(gè)驗(yàn)證單位的設(shè)計(jì)輸入具有先后關(guān)聯(lián)性，如綜合運(yùn)行研究相關(guān)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需要其它基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)提資。因此，如仍采用核電廠(chǎng)全范圍模擬機(jī)的開(kāi)發(fā)流程處理多元化驗(yàn)證任務(wù)，需要更大量的人力和精力，使得驗(yàn)證平臺(tái)的管理成本增加且使用效率降低。有必要從多元化驗(yàn)證任務(wù)的目標(biāo)和對(duì)象特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其驗(yàn)證活動(dòng)的管理方法進(jìn)行研究。

1 工程仿真機(jī)建立過(guò)程階段劃分

工程仿真機(jī)建立主要分為：前期初步建立階段、設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段和培訓(xùn)服務(wù)階段。

初步建立階段，平臺(tái)管理部門(mén)消化梳理新堆型或原有堆型優(yōu)化升級(jí)的總體設(shè)計(jì)方案，完成驗(yàn)證平臺(tái)的功能技術(shù)需求調(diào)研，驗(yàn)證平臺(tái)場(chǎng)地建設(shè)或選址改造，搭建主要基礎(chǔ)硬件系統(tǒng)和確定預(yù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。預(yù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的電廠(chǎng)仿真模型是新堆型設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作的基礎(chǔ)模型，通過(guò)對(duì)核電廠(chǎng)模擬機(jī)產(chǎn)品的市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，選擇與新堆型相似度最接近的模擬機(jī)作為預(yù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，設(shè)計(jì)單位和平臺(tái)管理單位共同參與工程仿真機(jī)的更新、測(cè)試和設(shè)計(jì)驗(yàn)證活動(dòng)。該階段需要雙方緊密配合，確保設(shè)計(jì)驗(yàn)證活動(dòng)順利完成。設(shè)計(jì)單位提出驗(yàn)證相關(guān)的設(shè)計(jì)輸入，包括總體功能需求，設(shè)計(jì)手冊(cè)詳細(xì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)提交批次、進(jìn)度，以及驗(yàn)證時(shí)間計(jì)劃。提資的過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)澄清與設(shè)計(jì)輸入相關(guān)的問(wèn)題，負(fù)責(zé)修改不符合導(dǎo)入規(guī)范的設(shè)計(jì)輸入。為排除與提資相關(guān)的驗(yàn)證平臺(tái)模型更新的仿真偏差問(wèn)題，設(shè)計(jì)單位需要針對(duì)驗(yàn)證功能進(jìn)行測(cè)試并記錄仿真偏差。同時(shí)，平臺(tái)管理單位負(fù)責(zé)收集反饋設(shè)計(jì)輸入規(guī)范性相關(guān)的問(wèn)題，向設(shè)計(jì)單位提出用于仿真實(shí)現(xiàn)的澄清問(wèn)題，協(xié)調(diào)平臺(tái)模型更新管理，如評(píng)估驗(yàn)證平臺(tái)更新開(kāi)發(fā)的工作量，修正驗(yàn)證平臺(tái)模型，負(fù)責(zé)管理仿真偏差記錄的復(fù)測(cè)并確保驗(yàn)證平臺(tái)通過(guò)驗(yàn)收測(cè)試，發(fā)布驗(yàn)證計(jì)劃，制定驗(yàn)證平臺(tái)的預(yù)約計(jì)劃和使用登記管理，負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)并承擔(dān)驗(yàn)證過(guò)程中的平臺(tái)技術(shù)支持工作。

培訓(xùn)服務(wù)階段，工程仿真機(jī)的電廠(chǎng)仿真模型已經(jīng)與新堆型核電廠(chǎng)的系統(tǒng)十分逼近，可以作為各相關(guān)技術(shù)人員的培訓(xùn)基地，也可以作為后續(xù)堆型研發(fā)或核電廠(chǎng)運(yùn)行前沿性課題研究的基礎(chǔ)平臺(tái)。同時(shí)，也可以作為核電廠(chǎng)運(yùn)行技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)的驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證工作流程與設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的流程類(lèi)似。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的管理特點(diǎn)

核電廠(chǎng)各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證存在交叉的強(qiáng)耦合關(guān)系。在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)進(jìn)度緊張，會(huì)存在同一專(zhuān)業(yè)的幾個(gè)子系統(tǒng)，甚至不同專(zhuān)業(yè)同時(shí)提出驗(yàn)證需求的情況。針對(duì)這些特點(diǎn)，需要在驗(yàn)證項(xiàng)目切換和驗(yàn)證管理程序策劃方面，著手研究更適用于多元化驗(yàn)證任務(wù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法。

2.1 廣義的驗(yàn)證管理過(guò)程

以往通常狹義地理解設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程，即僅對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證活動(dòng)本身[9]進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)際上，工程仿真機(jī)的更新測(cè)試管理與設(shè)計(jì)驗(yàn)證活動(dòng)的順利執(zhí)行密切相關(guān)。本文從廣義上探討基于工程仿真機(jī)的驗(yàn)證管理，即從驗(yàn)證需求提出到設(shè)計(jì)偏差修改閉環(huán)結(jié)束。其中，涵蓋的主要階段有：驗(yàn)證需求提出，輸入資料分析澄清，驗(yàn)證任務(wù)評(píng)估計(jì)劃，工程仿真機(jī)的基線(xiàn)版本狀態(tài)標(biāo)定，仿真模型更新、測(cè)試和仿真偏差項(xiàng)修改，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證活動(dòng)和設(shè)計(jì)偏差反饋修正等主要環(huán)節(jié)。核電廠(chǎng)驗(yàn)證過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偏差項(xiàng)，偏差項(xiàng)分為仿真偏差和設(shè)計(jì)偏差兩類(lèi)，往往這兩類(lèi)偏差外在表現(xiàn)相似，區(qū)分難度大。設(shè)計(jì)驗(yàn)證的目的是驗(yàn)證和確認(rèn)各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的正確性和安全性，識(shí)別出設(shè)計(jì)偏差。如果在前面驗(yàn)證更新環(huán)節(jié)沒(méi)有前提假設(shè)或識(shí)別仿真偏差的有效方法，那么在后面驗(yàn)證執(zhí)行環(huán)節(jié)出現(xiàn)過(guò)多的仿真偏差項(xiàng)，必定會(huì)干擾設(shè)計(jì)者的判斷，在設(shè)計(jì)輸入資料和仿真模型之間頻繁切換確認(rèn)偏差的性質(zhì)，過(guò)程非常耗時(shí)。一旦確認(rèn)是仿真偏差，還需要現(xiàn)場(chǎng)修改仿真模型，繼續(xù)后面的驗(yàn)證內(nèi)容，嚴(yán)重的還可能無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)修改，只能擇日延遲驗(yàn)證，這樣使得設(shè)計(jì)驗(yàn)證的效果受到很大影響。另一方面，工程仿真機(jī)管理人員在人員數(shù)量和對(duì)待驗(yàn)證的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)內(nèi)容了解、掌握深度兩方面都存在局限性，在驗(yàn)證更新前，需要各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)者和工程仿真機(jī)的管理者對(duì)驗(yàn)證需求交換意見(jiàn)。在更新過(guò)程中，雙方共同參與設(shè)計(jì)澄清、測(cè)試和偏差項(xiàng)修改等活動(dòng)。通過(guò)問(wèn)題澄清、更新測(cè)試、仿真偏差記錄等方面建立一套完整、充分、具有可追溯性的溝通交流機(jī)制。最后，驗(yàn)證輸入文件是初版設(shè)計(jì)文件。驗(yàn)證過(guò)程中，存在不同專(zhuān)業(yè)、不同驗(yàn)證階段的修改和升版的情況，在驗(yàn)證過(guò)程中建立合理有序的基線(xiàn)版本管理機(jī)制，保證多元化設(shè)計(jì)驗(yàn)證的仿真模型的更新版本可控，驗(yàn)證執(zhí)行率高。

2.2 驗(yàn)證活動(dòng)項(xiàng)目切換

目前，基于工程仿真機(jī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，一般都是僅配置一整套工作站作為驗(yàn)證活動(dòng)的工作場(chǎng)景，即所有的操作員站、值長(zhǎng)站、后備盤(pán)、大屏幕和模擬服務(wù)器，組成一個(gè)驗(yàn)證支撐系統(tǒng)[10]。這種配置方法模擬主控室的環(huán)境布置功能逼真度高，適用于核電廠(chǎng)主控室操縱運(yùn)行人員的任務(wù)分配、負(fù)荷效能分析的驗(yàn)證研究。但是，這種單一配置沒(méi)有考慮處于同一設(shè)計(jì)階段不同的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)、同一專(zhuān)業(yè)不同分組，或者不同堆型、不同設(shè)計(jì)階段，同時(shí)使用工程仿真機(jī)進(jìn)行局部設(shè)計(jì)驗(yàn)證的問(wèn)題。如果不提前考慮這個(gè)問(wèn)題，可能會(huì)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)幾個(gè)系統(tǒng)的功能都需要使用驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行局部功能驗(yàn)證，卻由于驗(yàn)證平臺(tái)工作站環(huán)境配置單一，不能同時(shí)段在多專(zhuān)業(yè)之間切換安排驗(yàn)證，而不得不計(jì)劃更長(zhǎng)的時(shí)間排隊(duì)等待，影響后續(xù)工程實(shí)施階段的設(shè)計(jì)提資時(shí)間，甚至影響整體工程建造周期。

從節(jié)約成本、使用方便性和提高利用率等方面考慮，有必要對(duì)工程仿真機(jī)的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的技術(shù)開(kāi)發(fā)，即設(shè)計(jì)多模型切換以及場(chǎng)地共用實(shí)施方案，滿(mǎn)足多元化驗(yàn)證任務(wù)間的多模式切換功能。如圖1所示，系統(tǒng)硬件采用3套服務(wù)器，每套服務(wù)器包含1臺(tái)電廠(chǎng)模型仿真服務(wù)器和1臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。1套全功能數(shù)字化操作員工作站環(huán)境，每臺(tái)工作站帶3個(gè)顯示器、1個(gè)鍵盤(pán)和1個(gè)鼠標(biāo)。通過(guò)開(kāi)發(fā)運(yùn)行腳本文件，組合設(shè)置鼠標(biāo)鍵盤(pán)，實(shí)現(xiàn)1套鍵鼠可控制更多套顯示器，如一套鍵鼠控5或6屏。每套服務(wù)器可以跟8臺(tái)操作員工作站中的任意1臺(tái)或多臺(tái)進(jìn)行組合，生成1個(gè)適應(yīng)驗(yàn)證需求的驗(yàn)證工作站環(huán)境。受基線(xiàn)版本管理控制的多版本電廠(chǎng)仿真模型數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在服務(wù)器和工作站上。根據(jù)驗(yàn)證需求，在多模型切換軟件的控制下，完成多模式切換以及場(chǎng)地共用，實(shí)施多元化驗(yàn)證任務(wù)。

圖1 多模型切換以及場(chǎng)地共用實(shí)施方案Fig.1 The scheme of multi mode switch & site sharing

2.3 驗(yàn)證管理流程策劃

平臺(tái)管理者可以根據(jù)多元化驗(yàn)證任務(wù)的特點(diǎn)，控制進(jìn)度計(jì)劃，制定驗(yàn)證管理流程，由各驗(yàn)證活動(dòng)的參與方共同實(shí)施。管理流程分兩級(jí)，第一層級(jí)是解決同一設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期不同的驗(yàn)證任務(wù)并行驗(yàn)證的問(wèn)題，如圖2所示。首先，主要由平臺(tái)管理者參考設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃和設(shè)計(jì)批次，將驗(yàn)證活動(dòng)劃分成幾個(gè)驗(yàn)證基線(xiàn)版本。然后，在某一基線(xiàn)版本下，依據(jù)各專(zhuān)業(yè)的驗(yàn)證需求，布置獨(dú)立的驗(yàn)證環(huán)境。其中，記錄跟蹤基線(xiàn)版本變化情況。本批次驗(yàn)證結(jié)束后，綜合各支路的變化后產(chǎn)生新的驗(yàn)證基線(xiàn)。第二層級(jí)是解決在第一層級(jí)下某單一驗(yàn)證任務(wù)的工作流程問(wèn)題，如圖3所示。多方共同參與單一驗(yàn)證任務(wù)，其中，紅色人員是待驗(yàn)證設(shè)計(jì)文件的直接設(shè)計(jì)者，藍(lán)色人員是與待驗(yàn)證設(shè)計(jì)文件有接口關(guān)聯(lián)的其他文件的間接設(shè)計(jì)者，綠色人員是工程仿真機(jī)的管理者。其中，驗(yàn)證文件由紅色人員負(fù)責(zé)提資，紅色人員和綠色人員一起交流驗(yàn)證需求后，由綠色人員評(píng)估并標(biāo)定驗(yàn)證前基線(xiàn)版本和驗(yàn)證環(huán)境，并向紅色人員說(shuō)明評(píng)估情況和驗(yàn)證假設(shè)前提。比如，間接設(shè)計(jì)文件的版本，是否需要更新等情況。如需要更新間接文件，則由綠色人員向藍(lán)色人員收集間接設(shè)計(jì)文件。驗(yàn)證模型基線(xiàn)版本標(biāo)定后，依據(jù)收集的直接和間接驗(yàn)證文件，進(jìn)行驗(yàn)證模型更新，由綠色人員發(fā)布更新測(cè)試和驗(yàn)證實(shí)施計(jì)劃，該環(huán)節(jié)遇到設(shè)計(jì)問(wèn)題，分別由紅色人員和藍(lán)色人員對(duì)直接設(shè)計(jì)和間接設(shè)計(jì)文件進(jìn)行澄清，綠色人員同時(shí)跟蹤澄清過(guò)程。在設(shè)計(jì)澄清的環(huán)節(jié)中，通過(guò)靜態(tài)分析設(shè)計(jì)文件會(huì)發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)偏差，則分別反饋給各設(shè)計(jì)方進(jìn)行設(shè)計(jì)偏差修改閉環(huán)環(huán)節(jié)。驗(yàn)證模型更新完成后，由紅綠色人員一起進(jìn)行更新測(cè)試，提前了解驗(yàn)證假設(shè)的仿真情況并排除仿真偏差。更新測(cè)試完成后，由綠色人員標(biāo)定更新后版本，并發(fā)布驗(yàn)證計(jì)劃，驗(yàn)證執(zhí)行時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真又發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)偏差，則分別反饋給各設(shè)計(jì)方進(jìn)行設(shè)計(jì)偏差修改、閉環(huán)追蹤升版環(huán)節(jié)。到此本單一驗(yàn)證任務(wù)結(jié)束。

圖2 同一時(shí)間段并行驗(yàn)證任務(wù)的工作流程圖Fig.2 The work flow of parallel V&V task in same phase

圖3 某單一驗(yàn)證任務(wù)的工作流程圖Fig.3 The work flow of a V&V task

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證應(yīng)用實(shí)例

華龍一號(hào)是中國(guó)自主創(chuàng)新的三代先進(jìn)壓水堆，其設(shè)計(jì)功能準(zhǔn)確性直接關(guān)系到華龍一號(hào)核電廠(chǎng)是否能如期建設(shè)完成，進(jìn)而保證機(jī)組安全可靠地運(yùn)行，更關(guān)系到華龍一號(hào)新堆型能否真正代表中國(guó)核電的名片走出國(guó)門(mén)，占領(lǐng)國(guó)際核電市場(chǎng)。

華龍一號(hào)作為首堆，隨著設(shè)計(jì)的不斷深入，越來(lái)越多的驗(yàn)證需求被提出。設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)成功地完成了多個(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證任務(wù)，如華龍一號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化儀控設(shè)計(jì)功能圖驗(yàn)證，基于SEOP的事故運(yùn)行導(dǎo)則驗(yàn)證，基于SEOP的運(yùn)行規(guī)程和報(bào)警卡規(guī)程的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，海外華龍一號(hào)工程實(shí)施方案，即DCS-TCS操作員站布置運(yùn)行方案驗(yàn)證。

在這些設(shè)計(jì)驗(yàn)證任務(wù)中，有的短時(shí)無(wú)法固化，多次頻繁升版更新，驗(yàn)證基線(xiàn)版本更新速度快。有的歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，需要長(zhǎng)時(shí)間固定在相對(duì)滿(mǎn)足驗(yàn)證需求的基線(xiàn)狀態(tài)上，不能變更驗(yàn)證基線(xiàn)狀態(tài)，隨意更新其它專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)圖紙相關(guān)的仿真模型。如基于SEOP的事故運(yùn)行導(dǎo)則，從具備初始驗(yàn)證條件的基線(xiàn)版本開(kāi)始，整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程持續(xù)一年半的時(shí)間。這期間其它專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需要不斷更新設(shè)計(jì)輸入，如主控室的人機(jī)接口布置圖、儀控邏輯功能圖等。因?yàn)檫@些專(zhuān)業(yè)的圖紙更新會(huì)對(duì)SEOP的事故運(yùn)行導(dǎo)則驗(yàn)證的前期假設(shè)造成影響，所以不能是其它專(zhuān)業(yè)每更新一次就要更新SEOP的事故運(yùn)行導(dǎo)則的基線(xiàn)版本，這一過(guò)程需要平臺(tái)管理者與各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)者溝通協(xié)商合適的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行基線(xiàn)版本集成更新。

自2013年9月，從開(kāi)始建立華龍一號(hào)設(shè)計(jì)驗(yàn)證預(yù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)至今，應(yīng)用本文所述的驗(yàn)證工作管理方法進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證任務(wù)實(shí)踐，多元驗(yàn)證任務(wù)共用1套驗(yàn)證場(chǎng)地，驗(yàn)證任務(wù)同時(shí)間段存在更新重疊交叉的問(wèn)題得到了有效控制，驗(yàn)證結(jié)果滿(mǎn)足要求，提高了華龍一號(hào)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)論

高效科學(xué)的驗(yàn)證管理方法和藉此建立的驗(yàn)證管理程序，對(duì)驗(yàn)證工作順利有序地完成非常重要，是真正保證核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足安全性功能的有效手段。通過(guò)對(duì)華龍一號(hào)新堆型的多個(gè)驗(yàn)證活動(dòng)的實(shí)踐管理經(jīng)驗(yàn)表明，在核電廠(chǎng)新堆型、新功能的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程中，必須合理地設(shè)計(jì)適合核電工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證特點(diǎn)的驗(yàn)證管理方法，建立完善的設(shè)計(jì)驗(yàn)證管理程序，才能最大限度地共享驗(yàn)證平臺(tái)的仿真資源。隨著今后驗(yàn)證平臺(tái)功能升級(jí)、驗(yàn)證能力增加，驗(yàn)證任務(wù)涉及范圍更加廣闊，會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化驗(yàn)證管理流程。