核反應堆數字化設計全面集成模型研究

張 亮

(核工業計算機應用研究所 北京 100048)

0 引 言

核反應堆結構復雜，設計過程需要多學科、多系統的設計人員共同參與，設計開發一個新的核反應堆通常是一個漫長、耗費巨大的過程。在設計過程中綜合使用計算機工具、信息化技術(簡稱“數字化設計”)成為提高核反應堆設計效率、縮短研發周期不可或缺的手段。隨著計算機軟硬件技術的快速發展，三維設計技術、集成開發技術、高性能數值計算技術、虛擬驗證技術、仿真分析技術等相繼在反應堆設計階段得到應用[1]。將先進的數字化技術與IT基礎設施、軟硬件系統以及反應堆設計業務流程整合，構建面向反應堆設計全過程的全面集成的設計工作環境是一個新的挑戰。

1 核反應堆設計業務分析

1.1 業務分析方法

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[2]。由于核反應堆設計的業務復雜，采用EA 方法能夠使數字化設計業務架構得到系統的分析與梳理，進一步結合數字化設計對信息化需求的定義，推導出核反應堆數字化設計的IT層次結構。需要特別說明的是，EA 的本質是企業的價值架構，在能夠創造價值的地方遵從利益相關者的要求，引入能夠實現此領域利益的信息，并合并某些信息。如果全面集成的工作投入太多，將抵消集成帶來的價值。

1.2 數字化設計業務架構

業務架構的分析與建立是全面集成模型的核心與源頭，借鑒EA 方法，如圖1所示，從整體上分析反應堆設計業務過程，將反應堆數字化設計業務領域分為項目管理層、型號開發層以及基礎研究層。

圖1 核反應堆數字化設計業務架構

(1) 項目管理層: 項目管理層完成項目定義(包括項目組合/項目立項和項目開發團隊組成)、流程與計劃分解，并監控項目的執行過程，管理項目執行過程中產生的文檔數據。

(2) 型號開發層: 型號開發層主要包括設計、試驗以及設計支撐三個領域，其中設計領域按照設計階段劃分概念設計、初步設計以及施工設計，按照系統設計劃分為總體設計、回路設計、堆芯設計以及儀控電設計等。從工作流程上看，設計過程依次為設計輸入管理、設計任務執行、設計驗證、設計文件輸出等環節，同時伴隨著設計接口管理、設計變更管理、設計標準化管理等內容。

反應堆設計研究過程中會進行大量的設備、系統方案試驗論證，通過建立實驗臺架和試驗設施，開展試驗驗證，對試驗過程中涉及的試驗流程 、試驗數據、相關資源等內容進行全面細致和有效的管理。從工作流程上看，試驗過程包括了試驗任務接收、試驗方案編制、試驗任務執行、試驗報告審批等環節，同時伴隨著安全質量管理、試驗資源、場地環境、停工檢查等內容。

設計支持領域包括了參數化研發設計、三維設計、虛擬驗證、仿真分析、高性能計算等先進數字化技術的應用。參數化研發設計將各種專業方法和工具封裝為知識組件，并通過流程驅動，實現反應堆各專業內部及專業之間的協同設計。三維設計支持管道、設備、結構、電氣、暖通、支吊架等多專業協同設計，支持實時碰撞檢查和自動出圖。利用虛擬現實技術開展多專業協同設計驗證和交互式操作、成果展示、技術評審、設計人員培訓、技術交流等工作。仿真分析包括了專業理論仿真(力學、流體、結構及疲勞等)和數字化系統仿真(工藝系統驗證、運行工況和方式驗證等)。

(3) 基礎研究層: 基礎研究層是反應堆設計的基礎，包括了中子物理研究、熱工水力研究、輻照技術研究、反應堆材料研究、安全分析等專業，通常在基礎研究方面要開展大量的材料和燃料研究、熱工流體和物理試驗[3]。

2 數字化設計全面集成模型

2.1 數字化設計IT系統規劃

反應堆設計業務架構分析之后，對數字化設計進一步“架構規劃”，包括應用架構、數據架構和IT 技術架構，形成IT系統架構，如圖2所示。

從分析結果(見圖4)來看：側壁厚度越接近主壁厚，翹曲變形量越小。整體厚度趨近一致，收縮相對均勻，因此翹曲變形量相對較小。

圖2 數字化設計IT系統架構

對數字化設計IT系統架構說明如下：

(1) 應用架構以業務架構中業務分析、信息系統支撐需求為出發點，根據專業領域和用戶范圍，參考國內外核工業同行設計院所的信息系統分布，以及主流商業軟件產品、套裝軟件、解決方案的特點和功能，定義數字化設計應用架構圖。應用架構本質上是業務架構的映射，數字化設計過程中的主要應用系統有企業門戶、項目管理系統、協同辦公系統、協同設計平臺(包括專業設計軟件、參數化協同設計等)、產品數據管理系統、試驗數據管理系統、知識管理系統、檔案管理系統、虛擬驗證和工藝仿真系統等。

(2) 數據架構以數據為中心，重點在于管理支撐關鍵業務功能的關鍵數據，并保證這些數據能夠通過應用系統進行訪問、共享、更新以及修改，同時也規范了數據管理、安全以及共享的策略。數字化設計過程中的關鍵數據概括為與知識工程相關的知識與流程、標準文件庫，與產品數據歸集管理相關的基礎數據庫、型號數據庫，與協同設計平臺相關的過程數據庫、工具庫，與試驗數據管理相關的試驗數據庫，以及與項目管理相關的任務信息庫。

(3) 技術架構確定了技術參考模型，主要涵蓋IT基礎設施、信息安全等方面的內容。網絡設施中的網絡設備、信息安全系統、應用系統、容災中心機房系統、集中輸入輸出系統、終端建設、涉密無紙化會議系統等都屬于技術架構的范疇。

2.2 數字化設計整體集成層次結構

數字化IT系統架構明確后，既要考慮業務流程和業務實踐的完整性，又要尊重各軟硬件系統的專業性，信息系統之間存在必然的聯系。整體集成通常是指在集成技術規范的指導下，從不同層次上實現門戶集成、端到端流程集成、應用系統/設計工具集成、設計數據集成、安全集成和支撐環境集成。在核反應堆設計信息化發展的具體階段，根據不同的需求，實現整體集成的不同層次和深度。

參考通用企業整體集成方法[5]，在解決傳統“信息孤島”問題基礎上，著眼于實現核反應堆設計過程中信息、資源的共享與集成，提出如圖3所示的數字化設計整體集成層次結構圖。其中ESB企業服務總線是企業應用系統集成的核心中間件，數據總線和工程中間件用來集成專業的設計工具軟件，數值反應堆集成平臺整合了堆芯、熱工水力、結構力學等專業設計軟件。借鑒MBD思想，將三維設計數據統一集成在PDM系統中，建立基于PDM數字化集成平臺的MBD三維數模數據管理體系。

圖3 數字化設計整體集成層次結構圖

2.3 數字化設計全面集成模型

以IT系統架構為依據，通過對業務架構中集成關系和數據交互的梳理，結合數字化設計整體集成層次方法，給出核反應堆數字化設計全面集成模型，如圖4所示。

圖4 數字化設計全面集成模型

業務流程的展示界面可以集成到數字化設計門戶；數字化設計門戶可直接調用應用集成平臺上的服務。數據中心的共享數據服務注冊到集成平臺，供其他系統使用。數據交換平臺的服務注冊到應用集成平臺，供其他系統使用。應用集成平臺為應用中心提供基礎接入通道，同時為應用中心提供服務共享平臺和流程協作平臺。

在應用中心，通過工程中間件集成設計工具、數據、流程和規范[4]；通過項目管理系統，產品數據系統以及檔案系統的集成，打通“項目管理-任務發放-交付物審簽-數據歸檔”的反應堆研發設計管理全流程；通過知識管理系統的實施，采集來自各應用系統的知識，建立反應堆研發設計統一知識庫；通過數值反應堆集成平臺整合堆芯、熱工水力、結構力學等專業設計軟件。

在高性能計算中心，建設高性能設計一體化平臺，打通從PDM到CAD建模，再到后續前處理-高性能計算-后處理，迭代回到CAD建模的整個數字化設計流程，整合三維設計和高性能計算這兩大專業。

對于涉及國家秘密的核反應堆型號設計，依據國家對涉密信息系統的建設要求，不斷優化信息安全措施，達到既保證安全、又方便工作的目標。基礎環境集成位于全面集成模型的底層，運維集成則實現對信息系統及基礎運行環境的可視、可控、可管理。

3 全面集成模型應用研究

某型號核反應堆設計在無直接參考堆型，自主研發的大背景下，開展了工程科研和設計條件保障建設工作，需要實現核反應堆研發設計的硬件基礎條件集成和應用系統集成。參考數字化設計全面集成模型，規劃了如圖5所示的集成架構，目前集成實施進展順利。

圖5 某型號核反應堆集成架構設計

對基礎環境、網絡系統、計算機系統和存儲系統、高性能計算中心、涉密信息系統進行支撐環境系統集成。應用支撐平臺包括了單點登錄與統一身份管理平臺，企業服務總線平臺，流程管理平臺以及統一應用開發平臺。在企業架構(EA)框架下，保證業務系統應用建設的“合規性”，依據集成標準和規范，實現業務系統應用集成，梳理服務目錄。最終展現給管理、科研、設計、試驗人員一個統一的數字化設計門戶，設計人員在由各應用系統組成的協同設計平臺上開展設計工作。

全面集成要滿足工程技術規范和標準以及工程項目管理制度，通過多種集成方式的實施，滿足核反應堆自主設計條件保障項目的業務目標和建設目標。

進一步從全面集成角度分析該型號核反應堆數字化設計著眼點如下：

(1) 建立面向數字化設計的完整知識分類體系，全面集成來自各業務系統的知識資源，積累各專業學科、業務領域的顯性知識和隱形經驗。基于統一的知識工程平臺，形成向導式知識服務環境，將知識推送至各業務活動中，提升核反應堆設計的創新能力。

(2) 在目前三維設計的基礎上，集成已有的PDM系統，建立統一的三維設計環境，在設計過程中，基于三維數字化樣機進行產品設計、模型標注、模型檢查、模型審簽及下發，通過試點開展可視化協同設計。

(3) 依托國家科技立項，建設核能數值反應堆設計軟件集成平臺，開發統一的集成環境和架構，形成標準的接口，實現多尺度、多物理專業軟件的集成。

(4) 搭建以ESB為核心的應用集成平臺，促進應用集成標準規范的實施，實現研發、設計業務線應用系統集成，對待建系統提出集成規范要求。

(5) 梳理數字化設計的綜合管理類、生產業務類流程，搭建流程集成平臺，實現跨業務系統“端到端”流程的貫通，實現科研生產人員、行政管理人員工作協同水平，提高整體工作效率，為管理人員提供統一的流程處理平臺。

4 結 語

數字化設計全面集成模型以核反應堆研發設計業務為驅動，全面整合先進數字化技術、IT系統以及硬件基礎條件，將孤立的管理、設計、驗證等過程整合成一個有機的整體，助力反應堆型號研發工作安全、高效開展。全面集成模型的落地應尊重軟硬件系統的專業性，充分發揮各系統的卓越優勢，同時關注效率、成本與風險，通過有效集成，達成對數字化設計業務生產和管理支持的目標。