基于專家系統(tǒng)的堆內(nèi)構(gòu)件典型部件設(shè)計(jì)研究

李彥儒，胡雪飛，朱明冬，吳佳玥，張潤(rùn)豪，曹立彥，曹奇鋒

(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 610213)

堆內(nèi)構(gòu)件是民用核電站復(fù)雜系統(tǒng)的核心組成部分，其設(shè)計(jì)過(guò)程包含了機(jī)械設(shè)計(jì)、材料、熱工水力、流固熱耦合多學(xué)科、多領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)通過(guò)2D/3D設(shè)計(jì)、手動(dòng)計(jì)算驗(yàn)證校核等方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)指標(biāo)如功率、溫度、重量等若發(fā)生變化則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算需重新開(kāi)始，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)任務(wù)繁瑣，導(dǎo)致反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字化、信息化程度較低。在當(dāng)前核電智能化已成為發(fā)展新趨勢(shì)的背景下，基于對(duì)未來(lái)核電可持續(xù)發(fā)展的考慮，為此，本文提出了一種基于專家系統(tǒng)的堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，建立了針對(duì)數(shù)字化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。

專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)可以對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的大量的關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)計(jì)方法、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和設(shè)計(jì)實(shí)例等進(jìn)行數(shù)字化管理，為數(shù)字化設(shè)計(jì)和參數(shù)化智能決策提供全面的參考，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化反應(yīng)堆系統(tǒng)的功能集成和便捷式的優(yōu)化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究由來(lái)已久，目前比較成熟的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究主要集中在切削、焊接、裝配等常見(jiàn)機(jī)械制造工藝系統(tǒng)的研發(fā)上。劉越[2]為提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)字化水平，圍繞構(gòu)造專家系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合固體火箭裝藥設(shè)計(jì)的基本理論，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到裝藥設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)中，對(duì)其知識(shí)庫(kù)和決策推理算法進(jìn)行了研究和探索，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的專家系統(tǒng)軟件。劉晉麗[3]在深孔加工中引入基于Web的專家系統(tǒng)技術(shù)，不僅可以為操作人員提供合理的切削參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的共享，同時(shí)提高深孔加工效率和加工質(zhì)量。近年來(lái)，專家系統(tǒng)、數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字化設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模仿真、數(shù)字交互系統(tǒng)等得到了較多的運(yùn)用，在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域，龔禾林，陳長(zhǎng)等[4]為了快速精準(zhǔn)地在線計(jì)算和預(yù)測(cè)核反應(yīng)堆運(yùn)行行為，提出一種基于物理指引和數(shù)據(jù)增強(qiáng)的反應(yīng)堆物理運(yùn)行數(shù)字孿生，以實(shí)現(xiàn)堆芯快、熱群中子通量分布、功率分布等物理場(chǎng)的快速和精確計(jì)算；胡夢(mèng)巖等[5]綜合敘述了數(shù)字孿生技術(shù)在先進(jìn)核能領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向，提出了適用于核反應(yīng)堆領(lǐng)域的多維評(píng)估數(shù)字模型，初步建立了故障診斷流程，并對(duì)數(shù)字孿生在先進(jìn)核能領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

1 基于CBR的專家系統(tǒng)推理機(jī)制研究

1.1 專家系統(tǒng)的構(gòu)建

堆內(nèi)構(gòu)件專家系統(tǒng)可以模擬專業(yè)設(shè)計(jì)人員的思維，在知識(shí)設(shè)計(jì)庫(kù)中已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析推理和決策，對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件典型部件的尺寸、布置及材料方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，完成復(fù)雜的典型部件數(shù)量、結(jié)構(gòu)布局方案、材料選取等配置決策，得到與當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)最符合的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案。堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 專家系統(tǒng)技術(shù)流程圖

1.2 基于實(shí)例的推理(CBR)

基于實(shí)例推理(CBR)的核心是對(duì)一個(gè)新的堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)問(wèn)題和實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的反應(yīng)堆成熟設(shè)計(jì)實(shí)例的相似性程度進(jìn)行比對(duì)[6]。設(shè)有兩個(gè)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)項(xiàng)目分別為Case1和Case2，則兩個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)相似度則由式(1)求得：

S12=sim(case1，case2)=ω1sim(A1，A2)+

ω2sim(B1，B2)+…+ωksim(K1，K2)+...

(1)

對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件典型部件優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)問(wèn)題涉及到的屬性知識(shí)進(jìn)行全面仔細(xì)的分析，歸納出屬性相似度的計(jì)算主要分為兩個(gè)部分：

(1)數(shù)值型

數(shù)字化設(shè)計(jì)中的一些屬性比如堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)備數(shù)量及重量、主要零部件尺寸、關(guān)鍵接口尺寸、關(guān)鍵配合公差等，都有具體的數(shù)值表示，則對(duì)應(yīng)的屬性相似度計(jì)算方式如下：

(2)

式中：v1，v2分別為反應(yīng)堆數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)例case1和case2特征屬性K的取值；max(K) 和min(K)為反應(yīng)堆專家系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中該特征屬性的最大值和最小值；

(2)字符型

堆內(nèi)構(gòu)件堆用材料選型、專業(yè)接口信息、配合連接方式、關(guān)重件主要焊接方式等屬性特征都由特定的字符串指代，和數(shù)值型屬性不同，歸納整理為字符型特征。這種形式的屬性相似度則直接通過(guò)相同與否進(jìn)行求解判定，計(jì)算方式如下：

(3)

基于實(shí)例的推理采用 K 最近鄰算法，分析計(jì)算正在處理方案的特征參數(shù)與專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中特征參數(shù)的距離，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相似度，從而選取相似度最高的實(shí)例提供給設(shè)計(jì)者參考或使用。

2 堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

堆內(nèi)構(gòu)件典型部件設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有堆內(nèi)布置方式類(lèi)型和組件種類(lèi)、堆腔一回路入口與出口水介質(zhì)溫度、燃料組數(shù)與需求功率、抗沖擊等級(jí)、材料許用安全系數(shù)等。堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是基于 VisualStudio 2015 平臺(tái)、使用 C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成，設(shè)計(jì)人員只需要在系統(tǒng)中輸入設(shè)計(jì)需求數(shù)據(jù)即可通過(guò)計(jì)算機(jī)自行運(yùn)行建立并輸出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)堆三維模型文件、材料文件及計(jì)算書(shū)、強(qiáng)度、流場(chǎng)仿真報(bào)告分析等。堆內(nèi)構(gòu)件某典型部件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 堆內(nèi)構(gòu)件典型部件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2.1 專家系統(tǒng)推理模塊

如第1節(jié)及2.1節(jié)所述，專家系統(tǒng)運(yùn)行步驟主要為獲取知識(shí)、構(gòu)建知識(shí)和推理知識(shí)[7]。專家系統(tǒng)推理系統(tǒng)的功能就是將大量反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的有效知識(shí)、有效參數(shù)分類(lèi)目存入到知識(shí)存儲(chǔ)器中，然后再通過(guò)推理機(jī)內(nèi)嵌的推理算法機(jī)制解算最優(yōu)值，運(yùn)用到堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，這些知識(shí)都是可增加、可刪除和可重復(fù)利用的。

2.2.2 三維建模子模塊

以NX軟件作為三維建模設(shè)計(jì)平臺(tái)，軟件自身提供了應(yīng)用程序編程接口 API，將其與 C#編程語(yǔ)言相結(jié)合，同時(shí)運(yùn)用模板驅(qū)動(dòng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)在快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中輸入相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用 NX軟件，完成堆內(nèi)構(gòu)件的參數(shù)化建模。

2.2.3 仿真分析子模塊

以ANSYS軟件作為強(qiáng)度仿真分析平臺(tái)，當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出堆內(nèi)構(gòu)件典型部件三維建模參數(shù)化文件后，同樣提供了應(yīng)用程序編程接口 API，分別調(diào)用workbench模塊、fluent模塊進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算，最終輸出關(guān)重件強(qiáng)度仿真報(bào)告、流固熱耦合仿真報(bào)告等文件，供設(shè)計(jì)師進(jìn)行優(yōu)化方案評(píng)估。

2.2.4 其余模塊

此外，堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)還有公差分析模塊、可靠性分析模塊等。由于系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，隨著設(shè)計(jì)功能的不斷完善，一些新的分析功能模塊可接入設(shè)計(jì)系統(tǒng)之中。

3 專家系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

3.1 實(shí)例庫(kù)的建立

實(shí)例庫(kù)是基于專家系統(tǒng)技術(shù)的堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要組成部分，是專家系統(tǒng)進(jìn)行分析、推理、決策的基礎(chǔ)[8]。實(shí)例庫(kù)的建立主要是對(duì)各型反應(yīng)堆優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)實(shí)例進(jìn)行歸納總結(jié)整理，將其變成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和利用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。反應(yīng)堆參數(shù)化實(shí)例應(yīng)全面包含其總體工藝設(shè)計(jì)信息，同時(shí)保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化、可操作性，便于檢索和推理。本文對(duì)反應(yīng)堆優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)化實(shí)例通過(guò)框架式的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表示，由設(shè)計(jì)問(wèn)題描述、設(shè)計(jì)決策方案和設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)果構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 堆內(nèi)構(gòu)件典型部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組成

3.2 專家系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的具體結(jié)構(gòu)

本文采用數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中常用的E-R模型來(lái)描述堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型。相關(guān)實(shí)體集中包含主要堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)備(反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件、反應(yīng)堆堆頂結(jié)構(gòu)、反應(yīng)堆測(cè)量結(jié)構(gòu)等)等；實(shí)體集中每個(gè)實(shí)體元素又各自擁有自己的相關(guān)屬性，比如堆內(nèi)構(gòu)件元素組包含了其自身的組件數(shù)量、機(jī)械連接方式、堆內(nèi)構(gòu)件布置等；實(shí)體間的聯(lián)系實(shí)際上便是該系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)耦合的過(guò)程，如堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制棒及燃料組件的關(guān)鍵接口信息，在此過(guò)程中有著各自屬性的實(shí)體元素通過(guò)接口參數(shù)將設(shè)計(jì)實(shí)體的聯(lián)系融入到設(shè)計(jì)結(jié)果中，展現(xiàn)方式為輸出存儲(chǔ)的各類(lèi)型文件形式。對(duì)各單一實(shí)體的實(shí)體關(guān)聯(lián)屬性進(jìn)行整理，使得反應(yīng)堆快熟設(shè)計(jì)過(guò)程中E-R模型更加簡(jiǎn)明易懂[9]。

4 結(jié) 語(yǔ)

在當(dāng)前核電先進(jìn)國(guó)家紛紛將數(shù)字化反應(yīng)堆作為未來(lái)核電智能化發(fā)展方向的背景下，本文對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了智能化、數(shù)字化、集成性的研究，研究了基于CBR的專家系統(tǒng)推理機(jī)制，建立了E-R模型描述反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)系統(tǒng)計(jì)流程進(jìn)行了梳理，并分析了系統(tǒng)的主要組成模塊及功能實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)字反應(yīng)堆在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域還是一個(gè)新興課題，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆數(shù)字化設(shè)計(jì)的技術(shù)路線還未成熟，且與建模軟件、分析軟件、文本編輯的集成度還需通過(guò)工程實(shí)踐不斷優(yōu)化，故目前系統(tǒng)開(kāi)發(fā)仍停留在框架搭建與理論分析層面，未來(lái)如何提升系統(tǒng)的三性仍是重要的探究方向。