基于參數化的反應堆工程協同設計系統應用研究

王學松 楊紅義 丁光亮 劉天才

摘? 要：基于參數化的反應堆工程協同設計系統以建立完整、規范的反應堆標準設計體系為目標，囊括了總體、堆芯、結構、力學等專業，對不同堆型設計流程進行標準化、規范化、智能化，以參數驅動流程，解決反應堆工程設計過程中專業內部、專業之間以及不同設計層面上的協同與管理;實現設計方法、工具、數據的集成化、模板化應用;實現設計過程中信息資源共享、知識積累與重用，為類似型號設計提供經驗借鑒，從而全面提升反應堆工程設計質量、設計效率。

關鍵詞：參數化? 協同設計? 標準化? 規范化 智能化

中圖分類號：TL37? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0058-05

Abstract： Based on parametric Reactor Engineering Collaborative Design System to establish acomplete， standardized reactor standard design system as goal， includes general， core， structure， mechanics and other professional. The design process of different reactors is standardized， normalized and intelligentized to driveprocess parameters， to solve the coordination and management within， among and at different design levels in the reactor engineering design process. The application are realized for the integration and template of designmethods， tools and data. Information resource sharing， knowledge accumulation and reuse are realized in the design process to provide experience for similar type design， so as to comprehensively improve the quality and efficiency of reactor engineering design.

Key Words： Parameterized;Collaborative design;Standardization; Normalization;Intelligence

反應堆工程設計涉及專業眾多，各個專業的設計方法和設計重點不同[1]，許多關鍵參數和性能指標往往需要多學科、多專業之間開展多輪迭代設計，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[2]。目前，中國反應堆研發設計正在向“批量化建造的設計能力，形成品牌”的方向轉型[3]，但是在反應堆工程設計過程中，計劃調整頻繁、任務密集、參與人員眾多、組織協調機制復雜等現象，造成人員溝通不暢、信息反饋零散滯后、知識重用率低、進度難以保障等問題。隨著信息技術的飛速發展，原子能院設計信息化水平不斷提升，建立了以參數驅動設計流程的反應堆工程協同設計系統，對反應堆設計流程進行規范化和標準化，確保各種設計活動按照規范的流程開展，實現基于統一數據源的全專業的協同設計和協同管理[4]，提升產品的設計效率和質量，縮短產品的設計周期[5]，解決了上述問題。本文分析了反應堆工程協同設計系統功能架構，闡述了系統的設計思路和應用場景。

1? 反應堆協同設計系統功能結構

反應堆工程設計涉及多個專業，專業間耦合關系較為復雜，要實現真正意義上的協同設計，必須根據反應堆工程設計的業務特點及當前的研發條件，構建面向產品研發過程的反應堆工程協同設計系統，規范反應堆工程研發設計流程，確保研發過程中的各種數據按照規范的格式產生、流轉、存儲，形成產品研發質量控制的數字化手段，其功能結構如圖1所示。

（1）任務流程一體化管理模塊。

以任務為核心，將反應堆工程設計過程流程化、數字化、規范化，通過執行顯性化流程來驅動設計過程，提高反應堆工程設計項目管理水平。

（2）專業設計系統。

集成常用商業軟件和自研軟件的反應堆工程協同設計環境，封裝了堆芯、堆本體等專業設計工具、行業規范和設計標準，形成適用于不同堆型的設計系統，為反應堆工程工程設計提供便捷、準確、高效的設計手段，降低迭代成本，提高設計仿真效率。

（3）過程數據管理。

對反應堆工程設計過程中產生的性能參數、三維模型、管道布置圖、可行性報告等過程數據以及產生這些數據的操作和過程進行有效管理，實現設計可追溯以及數據的積累和固化。

（4）知識管理系統。

把反應堆工程設計過程中產生的大量設計文件以及設計人員的經驗、心得體會固化到系統中，開發知識推送和知識搜索的功能，把知識與具體的研發活動相結合，實現知識共享和傳承。

（5）系統與其他系統進行集成。

集成與項目管理系統、產品數據管理系統、風險管理系統、檔案系統等信息化系統，解決“數據孤島”，打通管理與業務之間、業務與流程等通道。

2? 反應堆協同設計系統設計思路

反應堆工程協同設計系統是以反應堆設計規范為基礎，針對不同堆型的研發設計業務流程，在各種數字化設計工具及相關信息化應用系統的基礎上，通過工程中間件技術（過程中間件、數據中間件、工具中間件），建立對應堆型的工作流和信息流，打通項目（任務）管理、流程管理、專業設計工具、數據管理及知識管理等各個系統之間的交互環節，實現不同應用系統間的數據互聯互通。其設計思路具體表現在以下幾個方面（如圖2所示）。

（1）設計方法、經驗、規則、規范同工程軟件相融合。

對現有的大量設計分析商業軟件及自研程序進行封裝，從而定制成為經驗化的工程模板，將現有的大量反應堆設計各專業的知識、經驗、操作流程、操作方法進行固化，通過軟件封裝的方式實現工程軟件與方法的融合。經過組件化的封裝，構建面向學科類型的工具升華成面向產品設計的專業分析包，使研發設計過程中的數據能夠形成有效的流動，更容易實現各學科之間的耦合分析與優化，需要把諸如UG、CATIA等各種工具進行有效的整合，將原本彼此孤立的工具軟件形成一個有機整體，形成研發數據輸入輸出的中樞，打通各個工具軟件之間的數據通道，以有效提高研發效率，降低成本。

（2）研發流程管理。

構建反應堆工程設計流程管理體系，對流程進行嚴格的管理和監控，實現流程的耦合與協同，對業務流程數據進行有效的管理，并保證知識和業務的緊密關聯，從而能夠描述實時的項目狀態、資源利用、流程進展、數據狀態，統籌項目資源與進度，提高工作效率，增強用戶間協同;保證設計參數的可追溯性和時效性，在完全可控的環境下關聯上下游數據，并確保每個流程節點的流程數據一致;使企業決策者能夠快捷、有效地對設計進度進行監控，隨時掌握項目進度及情況;保證在流程執行過程中實時進行知識查詢，并支持將研發過程數據添加到知識管理系統，實現知識固化，進而實現專家經驗的繼承和重用，使快速設計迭代成為可能，并從根本上解決了“產品設計個性化需求與商業軟件產品通用性之間的矛盾”。

（3）多專業協同設計。

將反應堆工程設計不同階段需要的設計工具、人力資源、信息數據形成一個有機的整體，打通反應堆工程設計的各個環節，采用流程模式與數據中心模式相結合，從系統性能最優的角度實現跨學科、跨專業的分布式協同化設計。避免大量的重復性建模、分析等工作，同時還可以通過構建協同任務管理和協同流程管理系統，按照自頂向下、任務計劃驅動、實時反饋的思想，將反應堆型號研制人員產生的信息、數據進行抽取、匯總、統計，以多視圖形式進行全局展示，提高頂層管控能力，為反應堆設計決策提供科學參考。

（4）知識管理和應用。

對于反應堆設計過程中涉及到的大量專家經驗、設計方法以及各專業的自研程序的開發規范、商業軟件操作說明、行業標準等知識按照一定的規則進行抽象和管理，同時在專業設計流程使用過程中通過相應知識與設計模板的交互，實現知識管理與具體的設計活動相結合，能夠方便地把行業標準、設計經驗等知識等封裝到專業設計系統中，也可以根據當前的工作語境主動、智能地推送滿足符合度的設計知識，使得知識與設計形成良好互動，實現知識共享、分發，真正做到知識驅動產品設計的整個過程，使反應堆設計能力得以持續積累和持續提高。

3? 反應堆協同設計系統的實現

反應堆工程協同設計系統的核心是以任務驅動流程，實現設計參數的上下游顯性化傳遞;通過梳理不同堆型的業務流程，對各專業設計流程中用到的設計方法、設計工具、設計數據等進行梳理和標準化，建立流程模型并將其封裝為設計模板，從而形成適用于不同型號的反應堆工程協同設計系統。下面以反應堆堆頂固定屏蔽設計進行說明。

3.1 設計流程建模

用戶首先梳理反應堆堆頂固定屏蔽設計流程并將其細分，整理出該流程中每個節點的數據、輸入輸出關系和專業設計節點的公式、算法、自研軟件、商業軟件，以及該設計節點的設計步驟，在反應堆協同設計系統中搭建流程模型，采用手動或自動的方式，對各子流程之間參數傳遞關系進行映射，以紅色線條標識節點間前后執行順序，藍色線條標識節點間數據傳遞關系，關聯設計節點與設計模板進行一一匹配，具體步驟如下。

（1）首先梳理堆頂固定屏蔽設計輸入輸出參數、堆頂固定屏蔽設計輸入輸出參數（二環路傾斜式提升機）、堆頂固定屏蔽設計輸入輸出參數（二環路直拉式提升機）、堆頂固定屏蔽設計輸入輸出參數表（三環路傾斜式提升機）、堆頂固定屏蔽設計輸入輸出參數（三環路直拉式提升機）。

（2）梳理準備堆頂固定屏蔽設計所需的計算公式。

φgdpb=堆頂固定屏蔽直徑=標高Hbg12處提升機接管的最大外接圓直徑+1000

（3）根據業務流程的執行步驟建立可執行流程，如圖3所示。

3.2 設計模板封裝

根據前期梳理的堆頂固定屏蔽設計流程準備設計模型，借助平臺提供的支撐專業方法體系梳理和管理的模板封裝環境，通過使用組件庫、GUI界面編輯器、參數表等組件，將堆頂固定屏蔽設計流程進行固化和封裝，形成一個能與外部文件、程序、函數、工具、軟件實現集成交互（包括數據與操作的交互）、知識推送的工程模板，具體步驟如下。

（1）根據堆頂固定屏蔽上、下平面標高確定模型位置，創建草圖，旋轉得到堆頂固定屏蔽實體。

根據泵支承、IHX支承、DHX支承及提升機接管等相關位置及結構尺寸，創建草圖，用“凹槽”命令在堆頂固定屏蔽實體上挖孔，得到堆頂固定屏蔽模型。

根據堆頂固定屏蔽設計步驟流程，并利用集成開發系統提供的模板封裝組件功能，進行參數、公式、模型的集成封裝。

通過對堆頂固定屏蔽設計步驟、參數、公式、模型的封裝，設計出交互式GUI界面，固化為堆頂固定屏蔽設計專業設計模板，如圖4所示。

4? 反應堆協同設計系統的應用驗證

以反應堆堆本體布置模型為例，簡要說明基于參數化的反應堆工程協同設計系統在工程設計中應用。項目負責人根據堆本體布置業務流程下發設計任務，制定各子流程之間參數傳遞關系，任務承擔部門細化具體的設計活動，分配給符合子任務設計資質要求的設計人員;設計人員核對并接受任務，提取設計輸入信息，調用對應的設計模板，利用模板封裝的GUI交互界面，快速進行交互迭代計算，計算結束后將數據上傳，審核通過后自動推送到下游任務。依次類推，根據堆本體設計業務流程調用已封裝的設計模板，快速生成堆本體布置模型，其應用過程如圖5所示。

5? 結語

反應堆工程協同設計系統以業務流程為主線，以參數驅動流程，對設計過程中產生的數據進行有效管理和追溯，實現設計過程中流程貫通、數據共享、知識流轉、協同執行等;對專業設計單元進行封裝，實現通過模型關聯和數據流集成建立統一關聯模型，自動保證上下游模型之間的緊密關聯，上游方案的更改將自動更改下游模型，實現快速迭代，從而可以在短時間內形成多種方案;對設計知識和設計經驗等進行固化，實現知識的積累和重用，提升人才培養速度;集成PDM、IPDPM等信息化系統，建立全生命周期設計管理體系，從而大幅度提升反應堆工程設計的效率和質量。

參考文獻

[1] 吳姝琴.基于未來聚變堆的協同設計平臺研究[D].北京：中國科學技術大學，2015.

[2] 張亮.核反應堆數字化設計全面集成模型研究[J].計算機應用于軟件，2019，36（8）：111-114.

[3] 丁光亮，王文婷，張戌辰，等.知識管理在反應堆協同設計中的應用研究[J].科技創新導報，2018，15（11）：125-127.

[4] 申屠軍，李小燕.核電數字化設計體系的組成和數據管理[J].儀器儀表用戶，2017，24（11）：68-72.

[5] 丁光亮，王文婷，張戌辰，等.PDM系統在反應堆工程設計中的應用研究[J].科技創新導報，2018，15（9）：51-54.

[6] 朱高斌，穆海洋，段鵬.新建核電廠數字化儀控系統變更控制研究[J].核科學與工程，2019，39（5）：821-825.