基于MBSE的核動力裝置智能化設計

賴建永 李 毅 張玉龍 韓 冰 任 云

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

目前MBSE已被視為系統工程的“革命”“系統工程的未來”“系統工程的轉型”等，近些年發展尤為迅猛，MBSE近幾年來已成為系統工程領域應用和研究的熱點，MBSE可稱為將系統設計升級換代的革命性工具，MBSE將會是21世紀復雜系統開發的基本范例，同時,對于支持高效的協作開發環境也至關重要。國內外很多大型組織已經在開展相關研究和應用。MBSE是Model-Based System Engineering的縮寫，即基于模型的系統工程。2007年，國際系統工程學會在《系統工程2020年愿景》[1]中，給出MBSE技術的定義：MBSE是一種應用建模方法的正確方式，用于支持系統需求、設計、分析、檢驗和驗證活動，這些活動從概念設計階段開始，貫穿整個開發過程及后續的生命周期。

核動力裝置設計作為一項多學科和跨專業的傳統系統工程，具有功能和設備可靠性要求高、技術難度大、投入資金多、協同單位多，以及設計研制風險高等眾多特點。我國核工業體系經過數十年的發展，逐漸形成了一套具有中國特色的核動力裝置設計的管理模式。但近年來，一批核工業重大工程的立項和開展使核動力裝置的設計產生了新的特點：（1）核動力裝置數量大幅增加，但設計周期進一步壓縮；（2）性能指標不斷提高，新系統、新技術、新設備不斷出現；（3）多系統協調、多設備并舉以及耦合協同的復雜關系等。因此，結合MBSE的基本特點，核動力裝置設計對于MBSE的應用是天然土壤。

核動力工程作為高精尖工程應用領域的一個重要分支，也是傳統行業，目前，存在系統設計模式效率不高，創新性不強以及技術壟斷等問題，為改善這些問題，提成核動力系統設計的質量和開發速度，基于MBSE的核動力裝置智能化設計尤為必要。本文采用模型的系統工程思想，對核動力裝置領域系統的開發設計全過程提供支持。

1 MBSE概述

基于MBSE模式，工程設計和研發工作由過去的“80%勞動、20%創造”變為了“80%創造、20%勞動”，即MBSE可以讓工程師將更多的時間投入在設計中，而不是文檔中。目前已經廣泛應用于飛機、機電、雷達等復雜系統設計[2~4]。

基于模型的系統工程（MBSE）是規范化的應用模型技術來支持系統需求、設計、分析、驗證與確認，從概念設計階段直至生命周期的后期各個階段，持續貫穿整個產品的開發。MBSE能夠代替系統工程師已經實踐的以文件為中心的方法，并且通過完全集成至系統工程流程的定義中改變將來系統工程的實踐。在汽車的電氣架構開發領域，MBSE已經被越來越多的公司所引入，并且通過使用相關的軟件工具，把MBSE應用到電子電氣開發的各個領域，包括用戶場景的描述、功能開發、系統的詳細設計和相應的測試驗證。現在已經有了直接將模型轉換為代碼的工具，所以，很多系統可以通過MBSE的使用，具備或提高上層應用軟件的開發能力。圖1為系統工程經典的V模型，詳細介紹了系統工程的技術過程和管理過程。

圖1 系統工程V模型[5]

1.1 MBSE的優勢

（1）提升效率，改變以文本為基礎的系統描述，極大地節省工程師的時間；（2）圖形化的表示方式，易于理解，不易出錯；（3）標準格式，易于交換和傳遞，包括不同人員、組織之間的傳遞、和不同軟件之間的傳遞；（4）易于重用，標準化的模型方便復制、修改；（5）配合相應的工具，可以應用數字孿生技術，減少實物驗證的成本和周期，提升質量。

1.2 MBSE的劣勢

相應的工具鏈需要大量的投資，無論是建模還是仿真，都需要購買昂貴的軟件，投資可能動輒上千萬甚至上億。但是，如果能充分利用軟件，并且相應地優化流程，真正讓MBSE發揮作用，則投資非常必要。

應用MBSE首先是思想上的轉變，讓一個工作了多年的工程師轉為模型上工作，除了要給相應的人員大量的培訓之外，在思想和思路上的轉變才是最難的。相比之下，現在很多年輕的大學畢業生在校期間就已經接觸過相應的工具和方法，上手較為容易，但是他們沒有相應的行業經驗，如何進行新老員工配合是一個需要解決的問題。

另外，應用MBSE短期并不能產生效果，因為模型庫的建立需要一段時間。然而，一旦有了基礎之后，后續的迭代更新速度是驚人的。

MBSE是系統設計的神經系統，數字孿生、數據庫、理論機制、數學物理模型，計算軟件、標準規范體系建設以及AI智能學習等，構成了系統設計的骨骼、肌肉和血液，基于MBSE可以有無限創造的可能。

MBSE雖然經過了不斷發展、迭代以及演化，但仍存在著一些不足：（1）工作量大，應用初期大量的建模過程需要人工去完成，該階段對建模的自動化支持也相對較少；（2）模型質量無法保證，由于需要人工去完成，系統建模的質量取決于工程師的經驗，因此，建模質量標準不一，水平參差不齊；（3）效率較低，尤其是對于核動力裝置這種大型復雜系統的建模。

結合目前MBSE的工作體系，應積極融入模型驅動的思想，實現由MBSE向人工驅動向模型驅動的系統工程 （Model-Driven System Engineering，MDSE）轉變。模型驅動即通過智能化技術進行建模，利用現有的工程設計知識以及經驗，通過有效的邏輯設計進行策略推理，智能化地實現相關模型設計工作，從而減少大量復雜而又重復性的工作。這種模型驅動將現有設計技術和經驗根治于產品的研制過程中，需要對其進行深入挖掘才能提煉出來，而這一過程的實現不是一蹴而就的，是需要不斷完善的過程。

2 核動力裝置設計中MBSE的應用

針對MBSE的在核動力裝置設計中的應用，本文以余熱排出系統的設計為例，提供以下分析方法。

余熱排出系統可以提出以下不同的劃分：（1）根據工況不同，余熱排出系統可分為事故后的余熱排出和正常停堆對應的余熱排出；（2）根據是否依靠外部資源，可分為能動余熱排出和非能動余熱排出；（3）能動余熱排出和非能動余熱排出可以為各自獨立的系統，也可以為管道、換熱器、進出口共用，只是閥門型式不同。目前，不同項目包括AP1000、華龍一號、模塊化小型示范堆等，對于余熱排出系統的設計千差萬別。基于這些項目的余熱排出系統，開展了大量的計算分析和試驗驗證工作，設計階段也會經歷方案設計、技術設計、初步設計、施工設計以及經驗反饋等。

針對余熱排出系統，我們花費了大量的人力、物力和財力，如何將這些看似雜亂的系統設計工作理論化，需要引進MBSE方法。圖2為MBSE應用模型示意圖。針對余熱排除系統設計的系統功能和參數，聯合安全分析、測量控制、力學分析、輻射防護。堆芯物理等專業，建立系統設計協同平臺，在此平臺上針對工程實際展開具體設計。而對于這些具體涉及的專業，首先要建立系統設計數據庫。針對余熱排出系統的不同工程需要，提出個性化的設計方案。

圖2 MBSE應用模型示意圖

在對MBSE進行理論創新和發展的同時，應當基于MBSE理論指導核動力裝置設計實踐，開創出一條適應于我國國情的核動力裝置設計模式。

2.1 建立和完善的系統核動力裝置的研制流程體系

系統工程的具體流程是該體系的重要核心。根據當前核動力裝置設計的具體任務形勢，確定核動力裝置各階段的任務分類以及具體實施要求，對關鍵技術難點或卡脖子技術開展集中攻關，不斷開展核動力裝置設計流程的梳理和優化工作。針對系統的總體設計要素，基于具體的建模工具和手段，梳理和建立核動力系統和設備的協同設計流程、系統和布置三維設計的協同流程、基于模型的跨專業協同設計流程、安全分析設計流程、力學分析設計流程、堆物理設計流程、測量控制設計流程等。同時，借鑒先進的智能化技術，實現高效的數據管理、信息表達、數據傳輸，為核動力裝置設計流程的上下貫穿提供根本性保障。基于協同設計和并行工程的理念，建立適用于核動力裝置設計各研制階段，支持多學科、跨專業綜合集成的協同設計中心，并成立由系統、熱工、儀控、輻射防護、材料等相關技術人員組成的集成產品開發團隊，通過協同設計中心開展核動力裝置協同設計，提高產品研制的效率和質量。

2.2 利用智能化技術，實現由MBSE向MDSE的轉變

在充分利用當前的智能化技術，結合核動力裝置設計的具體情況下，可以將數十年來積累的工程經驗和知識，如設計原則、設計方法、設計流程以及設計計算等，融合到一個集成的核動力裝置總體設計程序中，然后，根據不同的設計階段，通過有效的邏輯推理策略進行推理，智能化地實現核動力裝置設計過程建模。

2.3 核動力裝置跨專業智能化協同設計模型

基于MBSE核動力裝置的設計工作，雖然改變了原有的各專業直接協同工作的模式，但各專業之間的協同仍然需要人工來進行協調。因此，結合當前核動力裝置設計模式，一方面，基于統一的輸入源項開展系統、熱工、儀控、材料等專業的協同設計工作，可有效解決傳統模式下人工協調多、設計相互校核多和設計質量無法保證等問題。另一方面，建立基于多級協同的智能化并行設計機制，實現上下游專業之間設計對象及時更新修改，從而降低設計工作的迭代周期，提升設計效率。

2.4 核動力裝置設計的標準規范體系建設

在MBSE方法中，需要一套完善的核動力系統設計的標準規范體系作為支撐，這是MBSE實施以及系統設計的重要依據。在梳理當前其他行業關于系統工程通用的標準規范基礎上，開展了重點適用于核動力系統設計標準規范體系框架設計，進一步建立和完善核動力裝置設計的標準規范體系。

3 結語

MBSE代表著核動力裝置設計的最新進展和未來的重要發展的方向之一。但必須指出的是，對于核動力裝置設計工作，MBSE還處于初步探索階段，在今后具體實施過程中，必然存在大量的問題需要一步步去解決。因此，需要結合我國現階段核動力裝置具體的設計特點，以及今后的發展要求，對其長遠的發展進行具體策劃。此外，還應密切關注國內外科研院所在這一領域的最新進展，及時吸收消化優秀的研究成果，盡快形成具有我國核工業特色的MBSE，提高我國核動力裝置的總體設計水平。