基于MBSE的鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

唐錨 趙鵬程 李文杰 王凱

（南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衡陽(yáng) 421000）

鉛冷快堆被認(rèn)為具備良好的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，這使其成為第四代核能系統(tǒng)中有望首先實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范化的候選方案，第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（The Generation IV International Forum，GIF）將其列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目之一。預(yù)計(jì)在2030～2040年期間，鉛冷快堆有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用［1-4］。鉛冷快堆通常采用一體化池式結(jié)構(gòu)布置，能夠有效提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和固有安全性。歐盟鉛冷系統(tǒng)（EuropeanLead-cooled System，ELSY）和歐盟鉛冷示范堆（European Advanced Lead-cooled Demonstration Fast Reactor，ALFRED）等采用基于一回路蒸汽發(fā)生器（Steam Generator，SG）的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（Passive Residual Heat Removal System，PRHRS）設(shè)計(jì)方案，其中ELSY是鉛冷快堆主流的三種非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案之一［5-6］。

然而，鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用傳統(tǒng)基于文檔為基線來(lái)組織設(shè)計(jì)和改進(jìn)優(yōu)化。由此易產(chǎn)生以下問(wèn)題：1）需求信息不斷演進(jìn)，存在信息孤島，造成技術(shù)狀態(tài)難以管理；2）缺乏對(duì)系統(tǒng)及體系結(jié)構(gòu)的前期驗(yàn)證，存在許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代，導(dǎo)致總體設(shè)計(jì)方案難以固化；3）文檔規(guī)模較大，版本較多，難以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息的一致性與完整性［7-8］。結(jié)合傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程方法特點(diǎn)，在需求牽引和模型化技術(shù)的推動(dòng)下，國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（International Council On Systems Engineering，INCOSE）于2007年正式提出基于模型的系統(tǒng)工程（Model-based System Engineering，MBSE），它支持以概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，并持續(xù)貫穿于開(kāi)發(fā)和后期的生命周期階段系統(tǒng)需求、分析、設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和確認(rèn)活動(dòng)等形式化應(yīng)用［9］。MBSE通過(guò)系統(tǒng)建模語(yǔ)言［10］（System Modeling Language，SysML）構(gòu)建需求、功能、參數(shù)等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)需求到功能和參數(shù)的分解，并獲得完整的架構(gòu)模型以及它們之間的追溯關(guān)系［11］。

近年來(lái)，國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)展相關(guān)的理論研究與實(shí)踐［12-13］，法國(guó)Areva公司則將MBSE應(yīng)用于核電項(xiàng)目中［8］。國(guó)內(nèi)將MBSE主要標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［14］，旨在提高設(shè)計(jì)與分析效率。對(duì)標(biāo)航空航天領(lǐng)域，在復(fù)雜的核能領(lǐng)域內(nèi)，它需要多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)的綜合應(yīng)用，采用MBSE可將各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)整合在一個(gè)模型中，使得系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程更具協(xié)調(diào)和性與可行性［15］。朱俊志等［16］將MBSE初步應(yīng)用于先進(jìn)壓水堆安注系統(tǒng)中，而以鉛冷快堆為代表的第四代反應(yīng)堆由于具有反應(yīng)堆系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜化、技術(shù)精細(xì)化和信息數(shù)據(jù)化等革新型體系特點(diǎn)［17］，目前MBSE在其中的應(yīng)用研究基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。

因此，本研究將MBSE初步應(yīng)用于鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求過(guò)程，其中鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)及功能參考吳國(guó)偉［6］設(shè)計(jì)的基于SG的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。本研究首先介紹基于MBSE非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)流程，其次從頂層利益攸關(guān)者需求出發(fā)設(shè)計(jì)基于模型的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)涵蓋需求分析、功能分析和設(shè)計(jì)綜合三大部分。

1 基于MBSE的PRHRS架構(gòu)設(shè)計(jì)流程

MBSE中經(jīng)典的“V”模型是一種系統(tǒng)工程的開(kāi)發(fā)模型，它描述了開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)階段之間的關(guān)系，從需求分析到系統(tǒng)驗(yàn)證［18］。對(duì)于鉛冷快堆這種復(fù)雜的系統(tǒng)工程項(xiàng)目，采用“V”模型可以有效地管理和控制開(kāi)發(fā)過(guò)程，有助于解決鉛冷快堆中關(guān)鍵系統(tǒng)需求復(fù)雜、前后一致性差等設(shè)計(jì)需求問(wèn)題。鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的初步架構(gòu)設(shè)計(jì)流程［18］將結(jié)合“V”模型，從利益攸關(guān)者需求出發(fā)，經(jīng)過(guò)需求分析迭代，在用例驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行功能分析并驗(yàn)證需求模型，再經(jīng)過(guò)功能分析迭代將功能賦予設(shè)計(jì)綜合（包括架構(gòu)分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)），相關(guān)階段描述如下：需求分析階段即通過(guò)分析和收集用戶和利益相關(guān)者的需求，確定系統(tǒng)的功能和性能等要求，并建立系統(tǒng)用例模型將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的需求規(guī)范；功能分析階段在需求分析迭代下通過(guò)分析系統(tǒng)的需求規(guī)范，確定系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊以及它們之間的關(guān)系和交互，建立系統(tǒng)的功能模型，本研究建立時(shí)序圖與活動(dòng)圖實(shí)現(xiàn)相互追溯，最后通過(guò)狀態(tài)機(jī)圖實(shí)現(xiàn)早期需求驗(yàn)證與確認(rèn)；設(shè)計(jì)綜合階段通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的功能模型識(shí)別并迭代進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化，確定系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行系統(tǒng)的綜合和評(píng)估，同時(shí)還需要對(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)相互完善，確保系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。具體相關(guān)流程如圖1所示。

圖1 基于MBSE的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 MBSE-based architecture design flow chart of PRHRS

圖1中需求驗(yàn)證同時(shí)是眾多系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中不可或缺的一部分，若設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)未考慮設(shè)計(jì)流程中的早期需求驗(yàn)證部分，可能導(dǎo)致利益攸關(guān)者需求捕獲不全面則易產(chǎn)生較嚴(yán)重的后果。如在福島事故中，一號(hào)堆監(jiān)控室未及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在一根控制棒沒(méi)有迅速插入堆芯的應(yīng)急行為，導(dǎo)致堆芯局部溫度升高引發(fā)堆芯融化。如果在控制棒插入環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)成“不達(dá)標(biāo)即報(bào)警”的并聯(lián)獨(dú)立檢測(cè)系統(tǒng)，能夠有效避免此次危險(xiǎn)事故的發(fā)生及帶來(lái)的重大損失［16，20］。

2 基于MBSE的PRHRS案例應(yīng)用

2.1 需求分析

需求分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)之一，提供了深入理解系統(tǒng)需求的方法，這有助于確保系統(tǒng)開(kāi)發(fā)符合用戶期望。通過(guò)對(duì)需求進(jìn)行分析，可以更好地理解系統(tǒng)所需的功能、性能和可靠性要求等，其結(jié)果決定了產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)能否符合用戶要求，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵部分。

需求分析第一步的目的是將利益攸關(guān)者需求轉(zhuǎn)換為定義系統(tǒng)達(dá)到所需功能的系統(tǒng)需求?？赏ㄟ^(guò)訪談、調(diào)查與文獻(xiàn)調(diào)研等方式有效提高捕獲系統(tǒng)利益攸關(guān)者需求的全面性與準(zhǔn)確性。參考吳國(guó)偉［6］設(shè)計(jì)的基于SG的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求與參數(shù)大致將捕獲的需求分解為功能需求、性能需求、環(huán)境適應(yīng)性需求和可靠性需求［6］，并借助需求圖可將需求表示進(jìn)一步條目化與模型化，如圖2所示，圖中id代表不同需求下子需求歸屬標(biāo)識(shí)，僅代表分類作用。

圖2 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)需求圖Fig.2 Requirements diagram of passive residual heat removal system

需求分析第二步是建立系統(tǒng)用例模型，用例模型主要功能是定義系統(tǒng)功能的使用環(huán)境以及系統(tǒng)固有的頂層功能需求。用例模型通常包括利益攸關(guān)者、用例與用例場(chǎng)景，其中利益攸關(guān)者是通過(guò)系統(tǒng)邊界進(jìn)行識(shí)別，可能是用戶也可能是系統(tǒng)，用例是描述系統(tǒng)功能的一種模型，它描述了系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)功能，以及它們之間的交互關(guān)系，用例場(chǎng)景描述一個(gè)或多個(gè)用戶角色與系統(tǒng)進(jìn)行交互的具體場(chǎng)景。即根據(jù)系統(tǒng)需求識(shí)別系統(tǒng)用例并定義用例場(chǎng)景，從而支持非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。用例是利益攸關(guān)者能夠直接觸發(fā)或參與系統(tǒng)行為，只有這部分行為才需要使用用例建模［21］。首先識(shí)別非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)用例，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)S一共包含m個(gè)系統(tǒng)需求，記為SR={SR1，SR2，…，SRi，…，SRm}，1≤i≤m，建立l個(gè)用例U=(U1，U2，…，Uk，…，Ul)，1≤k≤l，第k個(gè)用例包含的需求個(gè)數(shù)為nk，則需滿足：

理想情況下式（1）為等式。根據(jù)上述條件并結(jié)合系統(tǒng)需求將用例名稱定義為建立余熱排出穩(wěn)定的自然循環(huán)，前置條件和后置條件分別為：余熱排出系統(tǒng)正常工作，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)處于備用狀態(tài)與余熱排出系統(tǒng)失效，二回路汽輪機(jī)等設(shè)備隔絕。此處PRHRS是在余熱排出系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自然循環(huán)冷卻裝置與連接管道，前者“余熱排出系統(tǒng)”相比后者屬于包含關(guān)系。從此角度出發(fā)通過(guò)系統(tǒng)邊界識(shí)別系統(tǒng)利益攸關(guān)者如反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，一、二回路冷卻劑系統(tǒng)，操作員等得出此用例，生成用例圖如圖3所示。

圖3 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)用例圖Fig.3 Use case diagram of passive residual heat removal system

其次根據(jù)系統(tǒng)用例定義用例場(chǎng)景，用例場(chǎng)景需滿足以下條件。假設(shè)第k個(gè)用例包含m個(gè)場(chǎng)景，記為SEk={SEk1，SEk2，…，SEki，…，SEkm}。第t個(gè)場(chǎng)景中包含的需求個(gè)數(shù)為rt，則需滿足：

理想情況下式（2）為等式。根據(jù)上述條件和文獻(xiàn)［6］中系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)、工作原理與特點(diǎn)［22］，系統(tǒng)用例正常工作場(chǎng)景為：1）反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)向非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)先后發(fā)出冷凝器下隔離閥與泄壓閥閥位等控制信號(hào)；2）非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)；3）非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)先后向冷卻劑系統(tǒng)注水排氣；4）已建立穩(wěn)定的余熱排出自然循環(huán)，通知操作員等待關(guān)閉信號(hào)。該用例只存在一個(gè)正常工作場(chǎng)景，其余不同于正常工作場(chǎng)景的都屬于異常工作場(chǎng)景范疇。從識(shí)別系統(tǒng)用例到定義系統(tǒng)用例場(chǎng)景，此用例滿足獨(dú)立性與合適粒度原則的同時(shí)與系統(tǒng)行為緊密耦合，能夠單獨(dú)對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行推斷與約束，具體用例描述如表1所示。

2.2 功能分析

功能分析的目的是分析系統(tǒng)自身運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)與外部的信息交互模式（即黑盒測(cè)試過(guò)程），進(jìn)而搭建非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)功能架構(gòu)。系統(tǒng)的功能架構(gòu)表示了系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)用例所述功能而執(zhí)行的各項(xiàng)任務(wù)或功能的順序安排和并發(fā)行為［23］。在需求分析階段的系統(tǒng)用例模型驅(qū)動(dòng)下及文獻(xiàn)［6］中系統(tǒng)工作原理，功能分析通過(guò)繪制時(shí)序圖、活動(dòng)圖和狀態(tài)圖將功能性系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)換成直觀圖形化模型。通過(guò)時(shí)序圖分析系統(tǒng)在不同使用場(chǎng)景下如何與外部進(jìn)行交互，以及消息交換和動(dòng)作執(zhí)行的時(shí)間順序。鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)正常工作場(chǎng)景下時(shí)序圖如圖4所示，圖中展示出反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，一、二回路冷卻劑系統(tǒng)，操作員等利益攸關(guān)者在不同時(shí)刻每條生命線之間不同的交互情況。當(dāng)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)收到來(lái)自反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出的各種信號(hào)時(shí)，非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)將自動(dòng)解讀相應(yīng)信號(hào)并將相應(yīng)的功能信息傳遞給執(zhí)行者（利益攸關(guān)者），并將完成動(dòng)作信息反饋給該系統(tǒng)。

圖4 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)時(shí)序圖Fig.4 Time sequence diagram of passive residual heat removal system

站在系統(tǒng)整體功能的角度，時(shí)序圖重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)中特定部分之間隨時(shí)間推移產(chǎn)生的信息交互。為展示系統(tǒng)用例連續(xù)的運(yùn)行流程，需采用活動(dòng)圖對(duì)時(shí)序圖邏輯上繼續(xù)細(xì)化。非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)活動(dòng)圖比時(shí)序圖更全面，如圖5所示，當(dāng)系統(tǒng)接收到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)時(shí)，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)出現(xiàn)兩種運(yùn)行狀態(tài)即自動(dòng)啟動(dòng)成功和自動(dòng)啟動(dòng)失敗，當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)成功時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立余熱排出自然循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)接收信號(hào)失效時(shí)，系統(tǒng)立即報(bào)警并通知操作員手動(dòng)啟動(dòng)。從接收反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)開(kāi)始到通知操作員等待關(guān)閉信號(hào)結(jié)束，圖中相關(guān)功能可以同利益相關(guān)者需求相對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)需求、利益相關(guān)者及系統(tǒng)功能相互關(guān)聯(lián)與相互追溯。

圖5 非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)活動(dòng)圖Fig.5 Activity diagram of passive residual heat removal system

完成時(shí)序圖和活動(dòng)圖之后，通過(guò)狀態(tài)機(jī)圖可看出所描述對(duì)象（非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)）在生命周期里隨行為改變所引起狀態(tài)的改變以及狀態(tài)改變的條件。狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行結(jié)果也是檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否符合需求的重要手段之一。非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)圖如圖6所示，圖6描述非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)收到制動(dòng)信號(hào)后由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)失敗時(shí)，系統(tǒng)立即報(bào)警并反饋至操作員請(qǐng)求手動(dòng)啟動(dòng)。通過(guò)狀態(tài)機(jī)圖執(zhí)行可以展示在信號(hào)觸發(fā)下非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)，當(dāng)故障信號(hào)注入時(shí)也可獲取系統(tǒng)異常的狀態(tài)響應(yīng)，從而保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)需求和利益攸關(guān)者的期望。

圖6 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)圖Fig.6 State machine diagram of passive residual heat removal system

2.3 設(shè)計(jì)綜合

設(shè)計(jì)綜合的目標(biāo)是在整合功能分析階段模型元素基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)拆分成若干子系統(tǒng)的過(guò)程［24］。該過(guò)程主要建立子系統(tǒng)功能及各子系統(tǒng)間交互關(guān)系的白盒模型，具體包括權(quán)衡分析階段、架構(gòu)設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計(jì)階段。首先進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)分析，根據(jù)確定系統(tǒng)作用、特征、限制、重要數(shù)據(jù)集合和來(lái)源等劃分原則［25］，本文將非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)劃分為自動(dòng)控制子系統(tǒng)、手動(dòng)控制子系統(tǒng)、警報(bào)子系統(tǒng)、邏輯判斷子系統(tǒng)和執(zhí)行子系統(tǒng)等5種分單元式子系統(tǒng)。當(dāng)子系統(tǒng)存在多個(gè)備選架構(gòu)方案時(shí)，須咨詢有關(guān)方面專家綜合考慮系統(tǒng)質(zhì)量、成本、性能等指標(biāo)，根據(jù)賦予權(quán)重原則進(jìn)行權(quán)衡分析［26］，最后確定最佳架構(gòu)方案。以非能動(dòng)余熱排出執(zhí)行子系統(tǒng)為例，本文子系統(tǒng)組成方案參考文獻(xiàn)［6］，初步確定組成為冷凝管采用逆流垂直式管殼型換熱管、閥門、蒸汽發(fā)生器、一個(gè)大水池和一個(gè)小水池，其余相關(guān)材料可參考文獻(xiàn)［6］。

其次進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)用模型的方式建立系統(tǒng)白盒模型。此階段根據(jù)上述劃分的5種單元式子系統(tǒng)以及舉例建立非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)模塊定義圖（Block Definition Diagram，BDD），非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)模塊定義圖可用于確定系統(tǒng)中的子系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)將多個(gè)塊組合成一個(gè)名為“子系統(tǒng)”的塊來(lái)完成這個(gè)過(guò)程，這樣做有助于前后設(shè)計(jì)人員明確模塊劃分、描述模塊間的具體關(guān)系。圖7初步展示了非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)內(nèi)部邏輯架構(gòu)與并將系統(tǒng)分配給各個(gè)子系統(tǒng)。

圖7 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)模塊定義圖Fig.7 Block definition diagram of passive residual heat removal system

在建立系統(tǒng)模塊圖的基礎(chǔ)上，白盒模型需進(jìn)一步細(xì)化，此時(shí)同樣需要建立時(shí)序圖、活動(dòng)分析子系統(tǒng)之間的交互及子系統(tǒng)與外部的交互關(guān)系。此過(guò)程與功能分析階段類似，此處不再贅述，但此處時(shí)序圖是在活動(dòng)圖生成模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改完善。建立白盒模型的關(guān)鍵是通過(guò)內(nèi)部模塊圖（Internal Block Diagram，IBD）展示子系統(tǒng)間的信息傳遞關(guān)系與子系統(tǒng)間的端口和接口關(guān)系，幫助設(shè)計(jì)人員更好地理解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)內(nèi)部模塊圖如圖8所示。圖8展示安全保護(hù)信號(hào)注入下，自動(dòng)控制子系統(tǒng)接收信號(hào)并傳給邏輯判斷子系統(tǒng)，邏輯判斷子系統(tǒng)將系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)成功或失敗反饋給自動(dòng)控制子系統(tǒng)或手動(dòng)控制子系統(tǒng)，隨后執(zhí)行子系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)功能并將信號(hào)成功輸出，實(shí)現(xiàn)白盒模型的轉(zhuǎn)換。

圖8 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)內(nèi)部模塊圖Fig.8 Internal block diagram of passive residual heat removal system

經(jīng)圖7與圖8對(duì)比發(fā)現(xiàn)，BDD是IBD的基礎(chǔ)：一個(gè)良好的IBD依賴于一個(gè)準(zhǔn)確的BDD，BDD描述了系統(tǒng)中的塊及其屬性之間的關(guān)系，這些塊在IBD中被表示為組件。因此，BDD通常是IBD的基礎(chǔ)。通過(guò)定義塊和它們之間的關(guān)系，BDD和IBD都有助于支持系統(tǒng)的需求分析。BDD可以用于描述非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而IBD可以更詳細(xì)地描述塊之間的接口，它們彼此之間相互聯(lián)系與完善，兩者皆可展現(xiàn)部件架構(gòu)信息和關(guān)系。

3 案例結(jié)果分析

本研究針對(duì)鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)采用傳統(tǒng)基于文本為基線設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的諸如開(kāi)發(fā)效率低、迭代周期長(zhǎng)、模型二義性等前期需求問(wèn)題展開(kāi)分析。根據(jù)鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將MBSE應(yīng)用于鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求過(guò)程進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合架構(gòu)設(shè)計(jì)流程并采用分需求分析、功能分析、設(shè)計(jì)綜合三階段對(duì)鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行層次式架構(gòu)建模，能夠有效解決鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜化、技術(shù)精細(xì)化和信息數(shù)據(jù)化所帶來(lái)設(shè)計(jì)需求不一致與前期需求難以驗(yàn)證等問(wèn)題，具體分析結(jié)果如下：

1）需求分析環(huán)節(jié)用需求圖將捕獲的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)需求條目化并通過(guò)用例模型識(shí)別系統(tǒng)頂層用例和定義用例場(chǎng)景。

2）通過(guò)功能分析繪制的時(shí)序圖、活動(dòng)圖分析實(shí)現(xiàn)功能所需展開(kāi)的活動(dòng)且利用狀態(tài)機(jī)圖執(zhí)行能提供系統(tǒng)早期需求驗(yàn)證，從而提高設(shè)計(jì)迭代效率。

3）在設(shè)計(jì)綜合階段有序劃分非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)子系統(tǒng)，同時(shí)采用模型圖分析子系統(tǒng)功能及各子系統(tǒng)間交互關(guān)系，從而達(dá)到黑盒至白盒轉(zhuǎn)換的目標(biāo)，完成非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)建模結(jié)果，與傳統(tǒng)基于文本的系統(tǒng)工程相比，將MBSE應(yīng)用于鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求研究中建立可需求同步的系統(tǒng)模型，保證了需求前后傳遞與轉(zhuǎn)化更加標(biāo)準(zhǔn)化；建立時(shí)序圖、活動(dòng)圖以及狀態(tài)機(jī)圖仿真，早期能夠從多個(gè)維度出發(fā)檢驗(yàn)并確認(rèn)系統(tǒng)模型，有效地解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及體系結(jié)構(gòu)前期難以驗(yàn)證的問(wèn)題；以統(tǒng)一圖形化系統(tǒng)模型（需求圖、用例圖、活動(dòng)圖和內(nèi)部模塊定義圖等）為基線貫穿整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求研究過(guò)程，能夠提供迭代效率高、一致且完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求模型等初步優(yōu)勢(shì)。

鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)正面臨著多學(xué)科技術(shù)融合及系統(tǒng)復(fù)雜精細(xì)化等亟待數(shù)字化發(fā)展的挑戰(zhàn)，MBSE的提出有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整、一致且可追溯性，進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并提高設(shè)計(jì)效率。未來(lái)，可將MBSE與Simulink、NUMAP等仿真軟件聯(lián)合應(yīng)用于鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究中，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鉛冷快堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)提供嶄新的解決方案。

作者貢獻(xiàn)聲明唐錨負(fù)責(zé)起草文章，醞釀和設(shè)計(jì)研究過(guò)程，分析；趙鵬程負(fù)責(zé)對(duì)文章的知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱，獲取研究經(jīng)費(fèi)，指導(dǎo)；李文杰負(fù)責(zé)支持性貢獻(xiàn)；王凱負(fù)責(zé)實(shí)施研究，技術(shù)支持。