MBSE在核能數(shù)字化總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

李永華 劉筱雯 汪 俊 閆鋒哲

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

小微型核反應(yīng)堆是核能領(lǐng)域近年來的研發(fā)熱點(diǎn)?？梢詾槠h(yuǎn)海島和礦區(qū)、海洋開發(fā)、深海探索和太空探索等創(chuàng)新的應(yīng)用場景提供長續(xù)航可靠能源，具有廣闊的市場前景。與傳統(tǒng)大中型壓水堆核電廠相比，小微型核反應(yīng)堆應(yīng)用場景和用戶需求有顯著差異，技術(shù)要求和技術(shù)方案差異巨大，而且大多處于概念設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，技術(shù)成熟度較低。作為典型的復(fù)雜系統(tǒng)，核能小微型反應(yīng)堆具有應(yīng)用場景新、參照對象少、關(guān)鍵技術(shù)成熟度低、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、涉及專業(yè)多、研發(fā)周期長、投資成本高等特點(diǎn)。在方案總體設(shè)計(jì)階段，存在創(chuàng)新應(yīng)用場景下需求難以完整分解、總體方案難以權(quán)衡和固化、頻繁需求變更管理困難等問題。具體來說：

（1）創(chuàng)新的應(yīng)用場景帶來需求難以完整分解的問題。

小微型核反應(yīng)堆應(yīng)用場景和用戶需求與傳統(tǒng)大中型壓水堆核電廠有顯著差異，頂層技術(shù)要求與核電廠也有較大的差異。除了具備安全發(fā)電能力外，可能還要具備可運(yùn)輸性、可移動部署性以及復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，而且運(yùn)行方式、維修和換料方式也與傳統(tǒng)大型核電廠發(fā)電差異巨大。因而創(chuàng)新場景下需求分析難以僅憑行業(yè)經(jīng)驗(yàn)分解出完整的需求。

（2）創(chuàng)新的應(yīng)用場景帶來總體設(shè)計(jì)方案難以固化的問題。

小微型核反應(yīng)堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)是創(chuàng)新應(yīng)用場景下的新型反應(yīng)堆研發(fā)，需要將頂層技術(shù)要求中的系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)以及與外部環(huán)境的接口逐層分解或轉(zhuǎn)化，經(jīng)過權(quán)衡和比選論證，固化反應(yīng)堆各系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。另外，還需要協(xié)調(diào)各系統(tǒng)之間的功能和性能影響。最后各模塊和系統(tǒng)方案經(jīng)過驗(yàn)證，滿足頂層技術(shù)要求。因而在方案總體設(shè)計(jì)過程中，對于技術(shù)成熟度較低、處于關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)階段的小微型反應(yīng)堆來說，存在方案權(quán)衡和論證困難、迭代周期長、方案難以固化的問題。

（3）頻繁的需求變更造成技術(shù)狀態(tài)難以管理的問題。

以需求驅(qū)動的創(chuàng)新場景和全新小微型核反應(yīng)堆產(chǎn)品，在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行等全壽期過程中，需求、方案和關(guān)鍵參數(shù)都可能面臨著頻繁的變更，難以管理。在需求論證階段，用戶需求和頂層技術(shù)要求修改的頻繁。采用文檔化的管理方式，“用戶需求”“頂層技術(shù)要求”等總體需求文件頻繁升版，以此作為輸入的各系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件都要進(jìn)行修改，工作量巨大，而且人工難以對變更上下游影響及時(shí)追溯。在方案論證和總體設(shè)計(jì)階段，需求、方案和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選擇面臨反復(fù)迭代的情況，需求技術(shù)狀態(tài)管理困難。采用文檔化、定期升版相關(guān)文件的管理方式來進(jìn)行需求技術(shù)狀態(tài)管理，帶來頻繁的變更造成多個(gè)專業(yè)輸入和設(shè)計(jì)參數(shù)混亂，各專業(yè)難以協(xié)同開展設(shè)計(jì)。

上述三個(gè)問題是核能小微堆反應(yīng)堆研發(fā)中的共性問題，也是航空、航天等復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)行業(yè)近年來研發(fā)中的共性問題。產(chǎn)生這些問題的本質(zhì)是，以前我國長期處于技術(shù)跟隨的階段，對于創(chuàng)新性思維、手段和方法的要求不高。現(xiàn)在我國逐步邁入引領(lǐng)世界技術(shù)發(fā)展的階段，創(chuàng)新的過程中可以借鑒或參考的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)很少。所以需要采用先進(jìn)的研發(fā)方法、流程和工具，解決復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)中的上述共性問題，提升總體設(shè)計(jì)能力，推動我國行業(yè)創(chuàng)新。

本文首先研究國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)解決此類共性問題的思路，之后對采用基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）進(jìn)行簡要介紹，再對MBSE應(yīng)用于核能總體設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行分析，最后給出結(jié)論。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外軍工、航空、航天等復(fù)雜系統(tǒng)行業(yè)經(jīng)歷了系統(tǒng)工程和MBSE兩個(gè)階段，通過不斷嘗試和推進(jìn)先進(jìn)的研發(fā)方法、流程和工具，提升復(fù)雜系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和集成能力。

美國和歐洲在航空、航天、軍工等行業(yè)具有長期實(shí)施系統(tǒng)工程的經(jīng)驗(yàn)。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）20世 紀(jì)60年代開始實(shí)施的“阿波羅計(jì)劃”是系統(tǒng)工程應(yīng)用的成功典范。20世紀(jì)90年代末開始，Boeing、AirBus、Lockheed Martin等公司使用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐。2007年，國際系統(tǒng)工程協(xié)會（International Council on System Engineering,INCOSE）受軟件工程的啟發(fā)，結(jié)合各行業(yè)多年數(shù)字化技術(shù)研究和實(shí)踐成果，提出了MBSE的概念。為了進(jìn)一步提升研發(fā)能力、縮短研發(fā)周期，NASA、Raytheon、THALES、AirBus等公司開始MBSE的探索。AirBus、Lockheed Martin等公司應(yīng)用基于模型的需求工程來驅(qū)動產(chǎn)品研制；Boeing公司使用MBSE方法和工具研制波音787；Raytheon使用MBSE方法和工具進(jìn)行反導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2018年，美國國防部發(fā)布數(shù)字工程戰(zhàn)略，將以文檔為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字模型為中心，構(gòu)建貫通全生命周期的數(shù)據(jù)流、提升快速響應(yīng)和協(xié)作的能力。軍工、航天、航空等復(fù)雜系統(tǒng)行業(yè)也將逐步轉(zhuǎn)向以數(shù)字模型為中心的研發(fā)模式。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國航天領(lǐng)域在錢學(xué)森的指導(dǎo)下，長期采用系統(tǒng)工程思維開展工作。錢學(xué)森提出了系統(tǒng)工程的定義，指出系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法。以此為基礎(chǔ)，航空領(lǐng)域近年來在MBSE方面進(jìn)行了多個(gè)試點(diǎn)。

航空領(lǐng)域在2013年左右開始，基于INCOSE的系統(tǒng)工程方法在中航工業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)和系統(tǒng)性推廣，已經(jīng)完成了多個(gè)MBSE試點(diǎn)項(xiàng)目。

基于兩個(gè)行業(yè)系統(tǒng)工程的積累和MBSE的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為需要逐步推進(jìn)系統(tǒng)工程和MBSE實(shí)施，從基于文檔的系統(tǒng)工程逐步向基于模型的系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)變。

在核能領(lǐng)域，2018年左右開始，廣核研究院的浮動核電站和鉛鉍堆試點(diǎn)了某二級系統(tǒng)MBSE；國電投上海核工院試點(diǎn)了非能動堆芯冷卻系統(tǒng)的MBSE建模；中核集團(tuán)原子能院試點(diǎn)了微堆需求條目化管理，核動力院依托數(shù)字反應(yīng)堆項(xiàng)目實(shí)施反應(yīng)堆多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)等。

目前系統(tǒng)工程和MBSE在核能領(lǐng)域應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱、缺少經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)較慢。需要梳理和完善相關(guān)技術(shù)資料，形成基于文檔的系統(tǒng)工程的型號研發(fā)，再逐步向基于模型的系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)變。

2 MBSE概述

2007年，INCOSE首次提出MBSE定義：基于模型的系統(tǒng)工程是對系統(tǒng)工程活動中建模方法的形式化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動，這些活動從概念性設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及后來的所有的生命周期階段。

MBSE主要通過形式化的建模方法和標(biāo)準(zhǔn)化的建模語言來構(gòu)建需求模型、架構(gòu)模型、仿真模型等，實(shí)現(xiàn)“需求→功能→邏輯→物理架構(gòu)”的逐層分解和分配。因而，MBSE具有以下特征：

（1）自頂向下開展正向設(shè)計(jì)。以系統(tǒng)工程正向設(shè)計(jì)方法和流程為基礎(chǔ)，以需求為驅(qū)動，梳理系統(tǒng)需求與架構(gòu)和方案的邏輯關(guān)系，確保產(chǎn)品滿足用戶需求和頂層技術(shù)要求，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)；

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)形成單一數(shù)據(jù)源。在需求和架構(gòu)等各階段、各專業(yè)間采用單一數(shù)據(jù)源，可有效消除數(shù)據(jù)與信息的歧義，確保研發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升協(xié)同設(shè)計(jì)效率；

（3）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有連續(xù)性。遵循系統(tǒng)工程的正向設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)需求和架構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性與可追溯性，可有效管控變更，提升設(shè)計(jì)效率。

實(shí)施MBSE有利于應(yīng)用場景、功能、需求的捕獲及驗(yàn)證，保證需求完整性；形成“需求→功能→邏輯→物理架構(gòu)”全過程數(shù)字化正向設(shè)計(jì)過程，并能夠保證單一數(shù)據(jù)源以及數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)及追溯，整體提升研發(fā)效率。而且結(jié)合已有型號驗(yàn)證設(shè)計(jì)過程，可形成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品模型庫，如需求、場景、功能、設(shè)備、指標(biāo)等，支持新型號的繼承與復(fù)用；文檔中設(shè)計(jì)流程模型化，規(guī)范及固化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；基于固化知識培養(yǎng)工程師，降低學(xué)習(xí)過程中對人的依賴，最終實(shí)現(xiàn)知識復(fù)用及經(jīng)驗(yàn)繼承。

因而，在核能小微型反應(yīng)堆總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用MBSE，預(yù)計(jì)可以解決需求難以分解完整、方案難固化、需求難管理的問題，助力項(xiàng)目開發(fā)出滿足用戶需求的核能小微型反應(yīng)堆。

3 MBSE應(yīng)用于核能數(shù)字化總體設(shè)計(jì)的思路

核能行業(yè)在系統(tǒng)工程和MBSE應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱、缺少經(jīng)驗(yàn)，需經(jīng)過用戶、復(fù)雜裝備供應(yīng)商、建模軟件提供商等所有參與單位數(shù)年的努力，分階段實(shí)施，才能逐步實(shí)現(xiàn)國外在MBSE和數(shù)字工程的目標(biāo)。

考慮核能領(lǐng)域?qū)嵤┫到y(tǒng)工程基礎(chǔ)、國內(nèi)實(shí)施MBSE軟件基礎(chǔ)和環(huán)境等，以及以解決核能小微型反應(yīng)堆總體設(shè)計(jì)相關(guān)問題為目標(biāo)，可以首先依托一個(gè)型號研發(fā)項(xiàng)目，策劃一個(gè)基于MBSE的核能反應(yīng)堆型號總體設(shè)計(jì)平臺。以系統(tǒng)工程方法論為理論基礎(chǔ)，將系統(tǒng)工程關(guān)鍵流程應(yīng)用到核能小微型反應(yīng)堆型號研發(fā)總體設(shè)計(jì)，并調(diào)研和采用適用的工具鏈，創(chuàng)建基于MBSE的反應(yīng)堆型號數(shù)字化總體設(shè)計(jì)平臺。在核能行業(yè)內(nèi)多個(gè)集團(tuán)和項(xiàng)目逐步推廣后，最終提升核能行業(yè)整體研發(fā)能力。

基于MBSE的總體設(shè)計(jì)平臺，基于微型反應(yīng)堆運(yùn)行場景、功能分析、邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)和指標(biāo)分解，使用SysML進(jìn)行需求建模，支撐需求分析、方案論證和方案設(shè)計(jì)。

后續(xù)隨著設(shè)計(jì)深入和項(xiàng)目進(jìn)展，可以逐步擴(kuò)展。如在總體和初步設(shè)計(jì)階段，基于功能模型和性能指標(biāo)，使用Modelica、CATIA和ANSYS等進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。在集成測試階段，基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和孿生模型，使用SysML和Modelica等虛擬實(shí)驗(yàn)或半實(shí)物實(shí)驗(yàn)。運(yùn)維階段，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和孿生模型，使用Modelica等進(jìn)行故障預(yù)測和健康狀態(tài)管理，支撐智能運(yùn)維。

基于MBSE的反應(yīng)堆型號研發(fā)設(shè)計(jì)管理平臺可由西門子、達(dá)索、IBM以及同元、華望、國睿等國內(nèi)外軟件提供服務(wù)，并且在航空航天領(lǐng)域有多個(gè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有可行性。

4 結(jié)語

核能小微型反應(yīng)堆是核能領(lǐng)域近年來的研發(fā)熱點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。在方案總體設(shè)計(jì)過程中，主要存在創(chuàng)新應(yīng)用場景下需求難以完整分解、方案難固化、頻繁需求變更管理困難等問題。

根據(jù)MBSE定義和主要流程，得出MBSE自頂向下進(jìn)行正向設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)形成單一數(shù)據(jù)源以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有邏輯連續(xù)性等特點(diǎn)。

探索將MBSE應(yīng)用于核能總體設(shè)計(jì)的思路，擬用創(chuàng)新的數(shù)字化總體設(shè)計(jì)方法和工具，試點(diǎn)搭建基于MBSE的反應(yīng)堆型號數(shù)字化總體設(shè)計(jì)平臺。

預(yù)計(jì)可以滿足核能小微型反應(yīng)堆創(chuàng)新的應(yīng)用場景和用戶需求，助推總體設(shè)計(jì)方案固化，綜合提升總體設(shè)計(jì)能力，提升研發(fā)質(zhì)量和研發(fā)效率，最終提升我國核能行業(yè)的整體研發(fā)能力。另外，預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)80%以上模型的復(fù)用，縮短核能小微型反應(yīng)堆后續(xù)型譜化產(chǎn)品的論證周期。