信息化環境下數字化核電廠三維結構模型及其解決方案

／核工業計算機應用研究所 張亮 高明／

信息化環境下數字化核電廠三維結構模型及其解決方案

／核工業計算機應用研究所 張亮 高明／

在綜合分析數字化核電廠建設現狀基礎上，構建了信息化環境下數字化核電廠的三維結構模型，分為業務維、應用維和路線維。基于三維結構模型理論，采用企業架構（EA）方法分析信息化建設如何滿足數字化核電廠業務需求，給出了數字化核電廠的總體業務架構和應用架構，指出了信息化環境下應重點建設數字化核電廠信息管理平臺和多個智能應用系統，可以為核電企業數字化核電廠建設工作提供參考。

信息化；數字化核電廠；三維結構模型；業務架構；應用架構

0 引言

隨著核電信息化的發展，對于“數字化核電廠”定義及其內涵還存在不同見解，傳統意義上的數字化核電廠研究大多集中在數字化設計、控制以及仿真計算方面，以核電站數字化儀控系統和數字化反應堆計算軟件平臺為代表，側重于在電廠規劃、設計、建設和運行過程中數字化技術的運用以及電廠的數字化運行、監測和控制。在信息化環境下，數字化核電廠更需要考慮對電力生產和企業運營管理的全面支撐，在確保核電廠安全可靠運行的同時，為打造信息化核電企業提供明晰的電子化流程和翔實的基礎數據，提升核電企業管理水平。

1 信息化環境下數字化核電廠建設現狀

核電運營企業及旗下核電廠在“十二五”期間加大了信息化建設，建成了核電生產運行管理系統、人財物一體化平臺[1]、企業內容管理系統等標準信息化套裝軟件，信息化水平顯著提高，信息化已全面滲透到核電企業各個管理領域和各項業務環節，有效支撐了企業和電廠的科學發展。以設計為龍頭，位于核電產業鏈的中端的核電工程公司發布了“四柱一面”核電項目管理信息化體系[2]，作為其在數字化建設上取得的階段性成果，其中“四柱”分別指“設計信息管理系統”、“采購管理系統”、“施工管理系統”、“調試管理系統”，“一面”指“項目管理信息平臺”。

信息化環境下，縱觀我國目前數字化核電廠的建設現狀，雖然核電企業在數字化建設上已經有較大的投入和應用，但是仍然存在一些問題，主要表現在：

1）數字化核電廠的建設理念不清晰，與信息化企業概念混淆。有人認為將核電信息管理系統與生產實時數據系統相結合就是數字化核電站，有人將三維虛擬核電廠理解為數字化核電站[4]，也有人將核心業務信息系統實施理解為數字化核電建設。數字化核電廠通過更全面、更合理的電廠數據采集、整合和分析優化，實現電廠的數字化規劃、設計、建設、運營和管理，而信息化企業是在先進管理理念指導下，以信息技術為依托，建立覆蓋整個企業的信息網絡和一體化（多個）企業級信息系統。

2）核電廠全壽期各階段仍存在信息孤島，工程期與運營期之間缺乏數字化移交。核電設計、制造、施工、運行及維護等階段的數據信息之間沒有有效的關聯，造成信息孤島，尤其是核電工程（承包方）和核電運營（業主/運行方）信息系統各自建設，在工程移交階段，通常不提供結構化的數據，只有“成包”的圖紙、文檔。工程方和運營方數據移交的方式、過（流）程不嚴謹和規范，數據的準確性沒有保證；運營方需要花大量的人力和時間，從海量移交資料中手工整理、抽取、加工所需的信息和文檔。

3）核心業務系統應用集成缺少技術標準和數據規范。在技術方面，缺乏企業級面向服務的標準化集成規范，導致核心業務系統之間集成要過多的考慮報文轉換、接口標準等技術問題。在數據規范方面，特別是主數據，例如SSC（構筑物、系統和設備）、物資、文檔缺乏面向核電企業內部以及企業之間的編碼規范等，進一步造成行業信息交流困難。

2 信息化環境下數字化核電廠三維結構模型

在綜合數字化核電廠建設現狀和各種定義[6-9]的基礎上，同時考慮數字化核電廠的發展趨勢等因素，構建了信息化環境下數字化核電廠的三維結構模型，即數字化核電廠業務維、數字化核電廠應用維和數字化核電廠路線維，如圖1所示。

圖1 信息化環境下數字化核電廠三維結構模型

2.1 數字化核電廠業務維

數字化核電廠業務維從核電廠全壽期角度考慮，以單個核電廠為研究對象，覆蓋了電廠項目前期、工程建造、移交接產、運行維護直至退役的全部過程，要實現整個過程的數字化，應建立“橫向貫通”的信息化平臺，集成和共享各個環節中重要物理對象（例如廠房、系統、設備等）和工作對象（例如設計信息、采購信息、施工信息等）。特別是在移交接產環節，核電工程方（承包方）和核電運營方（業主/運行方）都已有各自信息化平臺的情況下，需要重點研究數字化移交的流程、方法、標準和規范。

2.2 數字化核電廠應用維

數字化核電廠應用維分為SSC（構筑物、系統和設備）物理對象層、數字化生產、數字化管理和智能化分析。SSC物理對象層包括電廠的構筑物、系統、設備等，是一個物理核電廠的分解結構；數字化生產實現了對物理核電廠信息采集、計算和監控，以核反應堆計算軟件、電站數字化儀空系統（DCS）、實時數據庫（PI）等為代表；數字化管理實現了核電廠的智能設計管理、敏捷采購管理、協同施工管理、生產運行管理、人財物集約化管理以及企業內容管理，主要以三維設計系統、倉儲采購系統、現場施工系統、企業資產管理系統（EAM）、企業資源計劃（ERP）、企業內容管理（ECM）等為代表，是信息化環境下信息化平臺的主要著力點；智能化分析主要面向企業的經營決策分析，以商業智能（BI）、大數據技術等為代表。例如以SSC設備為研究對象，DCS系統采集監控設備運行數據，進一步傳輸到實時數據庫（PI）中，PI通常會和電廠生產運行管理系統實現設備巡檢信息接口，進而觸發工單；EAM工單管理流程中，工單物料成本發生后，在ERP中實現成本歸集，并觸發工單物料補貨流程；最后使用智能化分析技術研究電廠庫存優化、預測性維修等。

2.3 數字化核電廠路線維

數字化核電廠路線維代表了對數字化核電廠發展的展望，核電技術經過數十年的發展，自動化水平已經很高，在信息化環境下，或者是信息化和工業化融合環境下，數字化核電已經上升為核電企業的發展戰略。數字化核電是智能化核電的基礎和落腳點，智能化階段與數字化階段是重疊關系，而不是順序關系，同樣智能化與智慧化也是重疊關系，本文提出智能化的下一個發展階段是智慧化，并且認為智慧化核電與第四次工業革命“工業4.0”的概念是一致的。智慧化核電不再以單個核電廠或是單個核電企業為研究，更要結合電力體制改革、節能減排、能源互聯網等整個電力行業價值鏈開展研究。

在數字化核電廠三維結構模型理論基礎上，首先要全面了解數字化核電廠業務需求，建立數字化核電廠的模型和參考架構，然后需要有一套完整的方法論、工具和流程對數字化核電廠進行建模、規劃、分析和優化。依據上述定義和分析，結合中國核電信息化建設現狀，本文借鑒企業架構EA方法分析IT建設如何滿足數字化核電業務需求，并給出解決方案。

圖2 數字化核電廠總體業務架構

3 信息化環境下數字化核電廠解決方案

EA方法是一種能夠將組織戰略目標映射到信息技術（IT）建設目標的藍圖規劃設計方法，有利于實現IT建設與企業業務戰略的緊密結合[5]。由于核電廠的業務復雜，尤其是在信息化環境下采用EA 方法能夠使核電全壽期業務流程得到系統的分析與梳理，使數字化核電廠建設得到全面而科學的規劃與設計，本章節重點介紹了業務架構與應用架構。

3.1 數字化核電廠業務架構

業務架構定義了企業的業務流程、業務組織及管控模型和信息系統應該如何支撐數字化核電廠的業務，自頂向下對核電廠的核心業務逐層分析，識別出數字化核電廠核心業務能力包括三個領域，即“經營與決策領域”，“工程與運營領域”，“支持服務與資源保障領域”。本文基于核電生命周期管理和核電價值鏈的角度，對業務領域進一步分解為12個業務子領域， 業務子領域往下細分為業務活動（如圖2所示）。

1）經營與決策領域：覆蓋核電企業戰略管理和企業決策層的業務過程，包括戰略管理，經營管理，風險與內控管理3個業務子領域。

2）工程與運營領域包括項目前期核電建造、核電運營、電力銷售、退役延壽、市場開發5個業務子領域，也是數字化核電廠全壽期業務內容。其中，核電建造主要面向核電的建造過程管理，核電工程方開展設計、采購、施工、調試的業務，同時開展生產準備和工程移交的工作；核電運營方主要是面向核電廠的運行、維修和技改等工作，開展設備可靠性管理、配置管理、運行管理、物資與服務管理以及工作管理等業務。

3）支持服務與資源保障領域包括安全與質量，資源與保障，綜合與服務3個業務子領域，其中安全與質量面向保障核電工程和經營活動中的質量與安全；資源與保障主要指核電工程期和運營期活動所必要的資源保障和管理、技術等支持服務工作和流程等；綜合與服務面向核電日常企業運作，提供綜合服務、后勤保障和管理。

3.2 數字化核電廠應用架構

根據業務總體架構設計，結合數字化核電廠對信息化需求的定義，應用總體功能架構如圖3所示，從應用的功能層面來看，數字化核電廠的應用可分為五個功能層面，自上而下分別為：訪問與展現層，決策支持層，經營管理層，業務管理層，支持與服務層。根據專業領域和用戶范圍，參考行業中核電企業的信息系統分布現狀，以及主流商業軟件產品和套裝軟件及解決方案的特點和功能，對應用架構功能藍圖進行應用系統劃分。

圖3 數字化核電廠總體應用架構

其中，ERP（Enterprise Resource Plan）全稱企業資源計劃管理系統，定位于核電企業人財物一體化管理平臺，包括了人力資源管理、財務管理、采購物資及倉儲管理、售電管理、項目管理和經營管理等。EAM（Enterprise Asset Management）全稱企業資產管理系統，涵蓋了質量、安全、環境與健康（QSHE）管理，設備管理與運行管理，專業技術支持管理等業務。ECM（Enterprise Content Management）全稱企業資產管理系統，以文檔管理為中心，結合OA，知識管理等方面的內容，拓展實現對門戶，個人工作臺，文檔一體化管理，公文和文檔類的流程管理。BI（Business Intelligence）商業智能平臺包括了工程期工程項目管理駕駛艙、經營管理駕駛艙、生產管理駕駛艙以及其他主題分析、指標和報表等。EIP（Enterprise Information Portal）全稱企業信息門戶，主要包括了企業門戶和一些移動訪問終端。工程項目管理平臺包括了設計管理系統、采購管理系統、施工管理系統、調試管理系統以及項目管控等多個信息化平臺。

從應用架構可以進一步看出，除了上述業務系統之外，應建立橫向貫通的數字化核電廠信息管理平臺，以及縱向集成的多個數字化核電廠應用系統。數字化核電廠信息管理平臺面向核電廠全生命周期，以SSC結構為核心，實現核電從概念設計到延壽退役過程中所產生的各類生產、技術數據的關聯和掛接，包括了前期數據、需求管理、SSC管理、3D模型數據管理等功能。將數字化電廠應用系統分為移動應用、智能應用和大數據應用三類，以智能應用系統為核心，包括了虛擬檢維修（VR）、智能倉儲（RFID）、數字管網（GIS）等應用。

4 結束語

數字化核電廠建設，必須先統一對數字化概念的認識，基于三維結構理論模型，提出使用EA方法論開展信息化環境下數字化核電廠建設規劃，進一步提出了核電廠的業務架構和應用架構。加強數字化核電廠的頂層規劃，從全壽期角度出發，業務應用為核心，信息技術為手段，全面構筑數字化核電廠，建設信息化核電企業。

在信息化環境下，數字化核電廠建設要對電廠已有信息系統資產利舊創新，而不是全面替換，重點建設數字化核電廠信息管理平臺和智能應用系統。從長遠看，建設數字化電廠是一項能夠提高核電廠運行、管理水平的系統工程，在這一工程中，確保有效地拓展與利用電廠現有資源，通過信息化平臺和應用系統實施等技術措施，實現全壽期協同與全產業互聯，提升業務分析與管理決策能力，全面推動各項業務的高效開展。

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