數(shù)字化在反應(yīng)堆工程設(shè)計中的應(yīng)用研究

摘 要：構(gòu)建符合反應(yīng)堆工程研發(fā)設(shè)計自身特點(diǎn)及應(yīng)用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管控平臺，驅(qū)動業(yè)務(wù)系統(tǒng)基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，連接業(yè)務(wù)孤島，通過采集設(shè)計、試驗(yàn)、建造、運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，提供跨平臺數(shù)據(jù)綜合分析評估能力。結(jié)合反應(yīng)堆工程設(shè)計對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)治理等多維度的要求，建設(shè)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管控平臺，構(gòu)建符合反應(yīng)堆工程設(shè)計應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)采集、分析、治理及應(yīng)用體現(xiàn)，為原子能院數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；反應(yīng)堆；工程設(shè)計；管控；轉(zhuǎn)型

中圖分類號：TL37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0052-04

Abstract： This paper proposes to build a data management and control platform in line with the characteristics of reactor engineering research， development and design and application data， drive the business system to exchange data based on unified standards， connect business islands， and provide cross-platform comprehensive data analysis and evaluation capabilities by collecting data generated in the process of design， test， construction and operation. According to the multi-dimensional requirements of reactor engineering design for data acquisition， data analysis and data governance， we build a multi-source heterogeneous data management and control platform to build data collection， analysis， governance and application embodiment that meet the requirements of reactor engineering design and application， so as to lay the foundation for the digital transformation of the China Institute of Atomic Energy.

Keywords： digitization; reactor; engineering design; control; transformation

在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革孕育發(fā)展的背景下，軍工企業(yè)正呈現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢[1-2]，軍工院所應(yīng)積極關(guān)注、研究、利用新一代數(shù)字技術(shù)[3]，并將這些技術(shù)組合應(yīng)用于設(shè)計、建造、運(yùn)維等各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，加快構(gòu)建“產(chǎn)品數(shù)字化，管理智慧化”為特征的智慧院所[4]。原子能院在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，由于反應(yīng)堆工程設(shè)計的獨(dú)特性和復(fù)雜性，具有投入高、周期長、專業(yè)多等特點(diǎn)，同時受利益固化等因素的影響，產(chǎn)生了各種“數(shù)據(jù)鴻溝”[5]，大大降低了企業(yè)研發(fā)設(shè)計速度和效率。

經(jīng)過多年的發(fā)展，原子能院在反應(yīng)堆工程設(shè)計領(lǐng)域積累了大量寶貴數(shù)據(jù)資源，涉及到設(shè)計、仿真、制造、實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行等各類活動，如用于反應(yīng)堆的研發(fā)設(shè)計方案、各類仿真/分析模型、分析算法等。但是在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，由于缺乏數(shù)字化管理平臺，數(shù)據(jù)只能以孤立的電子文件存在，不同活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)表達(dá)形式和數(shù)據(jù)屬性各異，數(shù)據(jù)存儲、管理方式差異較大，導(dǎo)致原子能院各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)沒有被系統(tǒng)地整合、組織建立形成相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)體系。

因此，原子能院迫切需要通過構(gòu)建一套多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理平臺，通過連接各類數(shù)據(jù)資源，組織和整合各類數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)的分析挖掘，將湮沒在海量數(shù)據(jù)中的隱藏知識進(jìn)行不斷的沉淀、固化，基于角色、工作場景等的大數(shù)據(jù)分析和推送，實(shí)現(xiàn)情景化的數(shù)據(jù)應(yīng)用，為數(shù)據(jù)面向各類業(yè)務(wù)場景的精準(zhǔn)化服務(wù)提供保障。

1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管控平臺建設(shè)方案

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管控平臺聚焦反應(yīng)堆工程設(shè)計實(shí)際業(yè)務(wù)需求，將散落在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、智能設(shè)備終端等的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一、高效地抽取、清洗及挖掘，構(gòu)建面向核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域的主題數(shù)據(jù)倉庫，并提供數(shù)字化管理與服務(wù)，建立數(shù)據(jù)存儲與管理的軟環(huán)境，在底層實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的電子化存儲，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)基于項(xiàng)目研發(fā)典型場景的大數(shù)據(jù)分析，為后續(xù)的數(shù)據(jù)向信息和知識提升、知識與研發(fā)活動關(guān)聯(lián)提供數(shù)據(jù)源，為領(lǐng)導(dǎo)層提供不同維度的大數(shù)據(jù)分析服務(wù)和決策支持，同時也提供外界應(yīng)用的數(shù)據(jù)接口。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管控平臺框架如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)管理

1.1.1 數(shù)據(jù)接口服務(wù)

基于數(shù)據(jù)接口服務(wù)提供各類通用的適配器和開發(fā)、集成工具，支撐各應(yīng)用系統(tǒng)和信息資源的快速接入，同時建立了完善的管理機(jī)制，保障數(shù)據(jù)安全和信息共享。

1.1.2 并行計算架構(gòu)

依托于E級計算中心，建立并行計算架構(gòu)，包括分布式文件系統(tǒng)、NOSQL數(shù)據(jù)庫、分布式計算框架、內(nèi)存計算和流計算工具等，為物理、熱工、屏蔽、組件和材料等專業(yè)并行處理各類計算任務(wù)提供支撐。

1.1.3 分析應(yīng)用工具

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)平臺提供各類主流的分析應(yīng)用組件，包括即席查詢、OLAP（聯(lián)機(jī)分析處理）、數(shù)據(jù)挖掘等工具，根據(jù)不同型號設(shè)計的數(shù)據(jù)分析需求選用不同的大數(shù)據(jù)分析工具。

1.1.4 可視化組件

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)平臺提供各類主流的可視化組件，大量繁雜的數(shù)據(jù)在經(jīng)過分析治理和可視化工具處理后，以圖形化的形式展現(xiàn)在用戶面前，使分析結(jié)果更加清晰直觀。

1.2 數(shù)據(jù)倉庫

通過集成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在原子能院現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，制定統(tǒng)一數(shù)據(jù)描述規(guī)范和數(shù)據(jù)接口，建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫和技術(shù)報告數(shù)據(jù)庫等，實(shí)現(xiàn)新建數(shù)據(jù)庫與其他信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫集成。

1.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)倉庫

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指設(shè)計人員在完成科研和型號研發(fā)任務(wù)過程所需要利用的一些基本數(shù)據(jù)，如核燃料參數(shù)、核結(jié)構(gòu)材料的物理/力學(xué)/輻照性能、鈉的物理化學(xué)性能和熱力學(xué)參數(shù)等。這些數(shù)據(jù)往往存在于手冊等紙質(zhì)文獻(xiàn)中，部分?jǐn)?shù)據(jù)較難獲得，需要通過實(shí)驗(yàn)手段獲取或者向其他研究機(jī)構(gòu)購買。建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)倉庫，是對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效積累和利用的必要途徑。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)倉庫由核燃料數(shù)據(jù)庫、鈉性能數(shù)據(jù)庫一系列數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，如圖2所示。數(shù)據(jù)庫的建設(shè)通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的整理加工，在統(tǒng)一的規(guī)范基礎(chǔ)上完成，并在系統(tǒng)門戶上提供快速訪問接口，供用戶在工作過程中方便地檢索相關(guān)數(shù)據(jù)資源。

1.2.2 設(shè)計工藝數(shù)據(jù)倉庫

設(shè)計工藝數(shù)據(jù)是指在完成型號設(shè)計研發(fā)以及設(shè)備建造過程中所積累的數(shù)據(jù)，主要分布于工廠設(shè)計平臺、參數(shù)化協(xié)同設(shè)計平臺、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，包含了設(shè)計指標(biāo)、設(shè)計參數(shù)、設(shè)計圖紙、仿真分析、設(shè)備信息和工藝數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過打通系統(tǒng)間接口，明確采集數(shù)據(jù)要素和數(shù)據(jù)格式，確保數(shù)據(jù)源唯一、全局一致，實(shí)現(xiàn)設(shè)計工作從“定期要數(shù)據(jù)”向“變化即更新”的轉(zhuǎn)變，最大可能減少設(shè)計人員的工作量[6]，達(dá)到上下貫通，協(xié)同推進(jìn)。設(shè)計工藝數(shù)據(jù)倉庫包括設(shè)計數(shù)據(jù)倉庫、仿真數(shù)據(jù)倉庫、設(shè)備數(shù)據(jù)倉庫、工藝數(shù)據(jù)倉庫等，如圖3所示。

1.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)倉庫

試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)人員在科研/型號研發(fā)等業(yè)務(wù)活動中，開展各類基礎(chǔ)試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)、仿真試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)等所獲得的數(shù)據(jù)信息資源，主要分布在試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，包括項(xiàng)目信息、試驗(yàn)方案、設(shè)備資源、過程記錄、試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析等。通過對試驗(yàn)過程中涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面細(xì)致的分析治理，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的規(guī)范化控制，全方位進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入挖掘，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的高效處理分析，尤其需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)縱向橫向的對比分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)倉庫包括試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)倉庫、試驗(yàn)資源數(shù)據(jù)倉庫、試驗(yàn)設(shè)計數(shù)據(jù)倉庫、仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)倉庫、原始數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)倉庫等，如圖4所示。

1.2.4 運(yùn)維數(shù)據(jù)倉庫

運(yùn)維數(shù)據(jù)主要包括原子能所承擔(dān)的實(shí)驗(yàn)快堆等示范工程的運(yùn)行與維護(hù)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息資源，如反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)行日志、缺陷異常報告和定期實(shí)驗(yàn)報告等。通過對分散的運(yùn)維平臺等業(yè)務(wù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、治理，將監(jiān)、控、管高度集成的運(yùn)行理念與大數(shù)據(jù)技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的數(shù)字化運(yùn)維。運(yùn)維數(shù)據(jù)倉庫包含資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行數(shù)據(jù)庫、維修數(shù)據(jù)庫和安全數(shù)據(jù)庫等，如圖5所示。

2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管控平臺的應(yīng)用

通過多源異構(gòu)數(shù)字管控平臺，搜集科研、設(shè)計、建造、試驗(yàn)和運(yùn)行等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，不但可用于可靠性設(shè)計與分析、設(shè)備研發(fā)以及電廠的概率安全評價，還將有效地記錄重大專項(xiàng)研發(fā)中產(chǎn)生的寶貴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成知識體系，支持后續(xù)反應(yīng)堆設(shè)計、研發(fā)以及設(shè)備的制造選型中的設(shè)計決策，同時也能對運(yùn)行設(shè)施的運(yùn)行和維護(hù)活動優(yōu)化方案提供定量分析基礎(chǔ)。

2.1 型號協(xié)同設(shè)計

對反應(yīng)堆工程設(shè)計過程中涉及到的大量專家經(jīng)驗(yàn)、知識等數(shù)據(jù)進(jìn)行沉淀、固化，對設(shè)計過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效積累和管理，同時在設(shè)計分析人員使用過程中通過相應(yīng)數(shù)據(jù)與設(shè)計過程的互動，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與具體的設(shè)計活動相結(jié)合，把行業(yè)規(guī)范、設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計流程等數(shù)據(jù)封裝到專業(yè)設(shè)計工具包中，基于角色、工作場景等的大數(shù)據(jù)分析和推送，實(shí)現(xiàn)情景化的數(shù)據(jù)應(yīng)用，使得知識與設(shè)計形成良好互動，實(shí)現(xiàn)知識共享、分發(fā)，為面向各類業(yè)務(wù)主題的分析應(yīng)用，提供數(shù)據(jù)挖掘及可視化展現(xiàn)服務(wù)，真正做到數(shù)據(jù)驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計的整個過程，使原子能院的設(shè)計能力得以持續(xù)積累和持續(xù)提高。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析服務(wù)基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采集原子能院各類項(xiàng)目在研究過程中產(chǎn)生的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過聚類、比對、關(guān)聯(lián)分析和趨勢分析等手段，識別離散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動范圍，從而挖掘各類成果關(guān)鍵性能指標(biāo)的薄弱環(huán)節(jié)。通過射頻識別、影像、傳感器等手段，按約定的協(xié)議，在不影響設(shè)備運(yùn)行情況下，實(shí)時對設(shè)備智能化識別、定位、跟蹤及數(shù)據(jù)采集。在信息采集、過程控制的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的統(tǒng)計工具，對設(shè)備信息等進(jìn)行多維度的統(tǒng)計和分析，利用科學(xué)的評價模型對反應(yīng)堆、加速器進(jìn)行評估，并結(jié)合維修故障數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的預(yù)測健康維修。并基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的趨勢分析，可以分析出原子能院反應(yīng)堆、加速器以及各類譜儀的相關(guān)性能指標(biāo)的當(dāng)前實(shí)現(xiàn)水平，并為各類實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而提升原子能院核心競爭力。

2.3 設(shè)施自主診斷

為保障原子能院反應(yīng)堆設(shè)施的運(yùn)行可靠性，傳統(tǒng)手段往往需要通過提供大量的備品備件，并以增加檢修頻次作為主要的預(yù)防手段，同時故障診斷過程往往需要大量各類人員的參與，浪費(fèi)大量的物力、人力。根據(jù)制定的檢測頻率，自動采集設(shè)施的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，對采集的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘處理，分析設(shè)施潛在隱患或直接提取已發(fā)生故障信息，可以智能化地對設(shè)施健康狀況進(jìn)行定期診斷，并基于嵌套的性能分析模型，對設(shè)施故障進(jìn)行預(yù)測、剩余壽命評估，自動調(diào)整檢測頻率，提供維修決策建議等。

2.4 風(fēng)險趨勢分析

經(jīng)營風(fēng)險趨勢分析服務(wù)旨在基于原子能院經(jīng)營風(fēng)險的管理準(zhǔn)則和決策模型，針對原子能院經(jīng)營風(fēng)險管控的各項(xiàng)指標(biāo)，對業(yè)務(wù)系統(tǒng)中重大經(jīng)營風(fēng)險事件信息進(jìn)行挖掘分析，實(shí)現(xiàn)對原子能院經(jīng)營風(fēng)險趨勢、風(fēng)險影響以及風(fēng)險根因的綜合分析提供有效支撐，大幅提升精細(xì)化管理水平[7]，從而指導(dǎo)原子能院經(jīng)營管理人員有效識別潛在風(fēng)險因素，并快速制定風(fēng)險應(yīng)對措施。

3 結(jié)束語

構(gòu)建智能化的反應(yīng)堆數(shù)據(jù)管理平臺，將項(xiàng)目前期研究設(shè)計數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)營期的設(shè)計數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)、外部供應(yīng)商數(shù)據(jù)進(jìn)行全面有效整合， 實(shí)現(xiàn)了跨專業(yè)、跨部門、跨平臺交換各種類型的信息；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，科研設(shè)計人員可以通過借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)知識來提升自身的業(yè)務(wù)水平；實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的跨平臺資源與數(shù)據(jù)共享，知識和經(jīng)驗(yàn)得到了歸納和傳承，打造了初步具備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特征的“智慧院所”，形成滿足可持續(xù)競爭優(yōu)勢的新型核電研發(fā)能力。

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第一作者簡介：丁光亮（1983-），男，碩士，高級工程師。研究方向?yàn)檐浖夹g(shù)與信息化。