MBSE在核能數字化總體設計中的應用探析

李永華 劉筱雯 汪 俊 閆鋒哲

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

小微型核反應堆是核能領域近年來的研發熱點。可以為偏遠海島和礦區、海洋開發、深海探索和太空探索等創新的應用場景提供長續航可靠能源，具有廣闊的市場前景。與傳統大中型壓水堆核電廠相比，小微型核反應堆應用場景和用戶需求有顯著差異，技術要求和技術方案差異巨大，而且大多處于概念設計和關鍵技術攻關階段，技術成熟度較低。作為典型的復雜系統，核能小微型反應堆具有應用場景新、參照對象少、關鍵技術成熟度低、技術風險大、涉及專業多、研發周期長、投資成本高等特點。在方案總體設計階段，存在創新應用場景下需求難以完整分解、總體方案難以權衡和固化、頻繁需求變更管理困難等問題。具體來說：

（1）創新的應用場景帶來需求難以完整分解的問題。

小微型核反應堆應用場景和用戶需求與傳統大中型壓水堆核電廠有顯著差異，頂層技術要求與核電廠也有較大的差異。除了具備安全發電能力外，可能還要具備可運輸性、可移動部署性以及復雜環境的適應性，而且運行方式、維修和換料方式也與傳統大型核電廠發電差異巨大。因而創新場景下需求分析難以僅憑行業經驗分解出完整的需求。

（2）創新的應用場景帶來總體設計方案難以固化的問題。

小微型核反應堆關鍵技術研發是創新應用場景下的新型反應堆研發，需要將頂層技術要求中的系統功能、性能指標以及與外部環境的接口逐層分解或轉化，經過權衡和比選論證，固化反應堆各系統設計方案。另外，還需要協調各系統之間的功能和性能影響。最后各模塊和系統方案經過驗證，滿足頂層技術要求。因而在方案總體設計過程中，對于技術成熟度較低、處于關鍵技術研發階段的小微型反應堆來說，存在方案權衡和論證困難、迭代周期長、方案難以固化的問題。

（3）頻繁的需求變更造成技術狀態難以管理的問題。

以需求驅動的創新場景和全新小微型核反應堆產品，在整個產品設計、制造和運行等全壽期過程中，需求、方案和關鍵參數都可能面臨著頻繁的變更，難以管理。在需求論證階段，用戶需求和頂層技術要求修改的頻繁。采用文檔化的管理方式，“用戶需求”“頂層技術要求”等總體需求文件頻繁升版，以此作為輸入的各系統設計文件都要進行修改，工作量巨大，而且人工難以對變更上下游影響及時追溯。在方案論證和總體設計階段，需求、方案和關鍵技術參數選擇面臨反復迭代的情況，需求技術狀態管理困難。采用文檔化、定期升版相關文件的管理方式來進行需求技術狀態管理，帶來頻繁的變更造成多個專業輸入和設計參數混亂，各專業難以協同開展設計。

上述三個問題是核能小微堆反應堆研發中的共性問題，也是航空、航天等復雜系統相關行業近年來研發中的共性問題。產生這些問題的本質是，以前我國長期處于技術跟隨的階段，對于創新性思維、手段和方法的要求不高。現在我國逐步邁入引領世界技術發展的階段，創新的過程中可以借鑒或參考的行業經驗很少。所以需要采用先進的研發方法、流程和工具，解決復雜系統研發中的上述共性問題，提升總體設計能力，推動我國行業創新。

本文首先研究國內外相關行業解決此類共性問題的思路，之后對采用基于模型的系統工程（Model Based System Engineering，MBSE）進行簡要介紹，再對MBSE應用于核能總體設計的思路進行分析，最后給出結論。

1 國內外研究現狀

1.1 國外現狀

國外軍工、航空、航天等復雜系統行業經歷了系統工程和MBSE兩個階段，通過不斷嘗試和推進先進的研發方法、流程和工具，提升復雜系統的總體設計和集成能力。

美國和歐洲在航空、航天、軍工等行業具有長期實施系統工程的經驗。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）20世 紀60年代開始實施的“阿波羅計劃”是系統工程應用的成功典范。20世紀90年代末開始，Boeing、AirBus、Lockheed Martin等公司使用數字化技術進行了大規模應用實踐。2007年，國際系統工程協會（International Council on System Engineering,INCOSE）受軟件工程的啟發，結合各行業多年數字化技術研究和實踐成果，提出了MBSE的概念。為了進一步提升研發能力、縮短研發周期，NASA、Raytheon、THALES、AirBus等公司開始MBSE的探索。AirBus、Lockheed Martin等公司應用基于模型的需求工程來驅動產品研制；Boeing公司使用MBSE方法和工具研制波音787；Raytheon使用MBSE方法和工具進行反導系統設計。2018年，美國國防部發布數字工程戰略，將以文檔為中心轉變為以數字模型為中心，構建貫通全生命周期的數據流、提升快速響應和協作的能力。軍工、航天、航空等復雜系統行業也將逐步轉向以數字模型為中心的研發模式。

1.2 國內現狀

我國航天領域在錢學森的指導下，長期采用系統工程思維開展工作。錢學森提出了系統工程的定義，指出系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的科學方法。以此為基礎，航空領域近年來在MBSE方面進行了多個試點。

航空領域在2013年左右開始，基于INCOSE的系統工程方法在中航工業進行試點和系統性推廣，已經完成了多個MBSE試點項目。

基于兩個行業系統工程的積累和MBSE的實施經驗，認為需要逐步推進系統工程和MBSE實施，從基于文檔的系統工程逐步向基于模型的系統工程轉變。

在核能領域，2018年左右開始，廣核研究院的浮動核電站和鉛鉍堆試點了某二級系統MBSE；國電投上海核工院試點了非能動堆芯冷卻系統的MBSE建模；中核集團原子能院試點了微堆需求條目化管理，核動力院依托數字反應堆項目實施反應堆多專業協同設計等。

目前系統工程和MBSE在核能領域應用基礎薄弱、缺少經驗，推進較慢。需要梳理和完善相關技術資料，形成基于文檔的系統工程的型號研發，再逐步向基于模型的系統工程轉變。

2 MBSE概述

2007年，INCOSE首次提出MBSE定義：基于模型的系統工程是對系統工程活動中建模方法的形式化應用，以使建模方法支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有的生命周期階段。

MBSE主要通過形式化的建模方法和標準化的建模語言來構建需求模型、架構模型、仿真模型等，實現“需求→功能→邏輯→物理架構”的逐層分解和分配。因而，MBSE具有以下特征：

（1）自頂向下開展正向設計。以系統工程正向設計方法和流程為基礎，以需求為驅動，梳理系統需求與架構和方案的邏輯關系，確保產品滿足用戶需求和頂層技術要求，降低項目風險；

（2）系統設計形成單一數據源。在需求和架構等各階段、各專業間采用單一數據源，可有效消除數據與信息的歧義，確保研發設計質量，提升協同設計效率；

（3）設計數據具有連續性。遵循系統工程的正向設計流程，實現需求和架構數據的關聯性與可追溯性，可有效管控變更，提升設計效率。

實施MBSE有利于應用場景、功能、需求的捕獲及驗證，保證需求完整性；形成“需求→功能→邏輯→物理架構”全過程數字化正向設計過程，并能夠保證單一數據源以及數據的關聯及追溯，整體提升研發效率。而且結合已有型號驗證設計過程，可形成標準化的產品模型庫，如需求、場景、功能、設備、指標等，支持新型號的繼承與復用；文檔中設計流程模型化，規范及固化設計經驗；基于固化知識培養工程師，降低學習過程中對人的依賴，最終實現知識復用及經驗繼承。

因而，在核能小微型反應堆總體設計時應用MBSE，預計可以解決需求難以分解完整、方案難固化、需求難管理的問題，助力項目開發出滿足用戶需求的核能小微型反應堆。

3 MBSE應用于核能數字化總體設計的思路

核能行業在系統工程和MBSE應用基礎薄弱、缺少經驗，需經過用戶、復雜裝備供應商、建模軟件提供商等所有參與單位數年的努力，分階段實施，才能逐步實現國外在MBSE和數字工程的目標。

考慮核能領域實施系統工程基礎、國內實施MBSE軟件基礎和環境等，以及以解決核能小微型反應堆總體設計相關問題為目標，可以首先依托一個型號研發項目，策劃一個基于MBSE的核能反應堆型號總體設計平臺。以系統工程方法論為理論基礎，將系統工程關鍵流程應用到核能小微型反應堆型號研發總體設計，并調研和采用適用的工具鏈，創建基于MBSE的反應堆型號數字化總體設計平臺。在核能行業內多個集團和項目逐步推廣后，最終提升核能行業整體研發能力。

基于MBSE的總體設計平臺，基于微型反應堆運行場景、功能分析、邏輯架構設計和指標分解，使用SysML進行需求建模，支撐需求分析、方案論證和方案設計。

后續隨著設計深入和項目進展，可以逐步擴展。如在總體和初步設計階段，基于功能模型和性能指標，使用Modelica、CATIA和ANSYS等進行系統設計，支撐系統設計和驗證。在集成測試階段，基于試驗設計和孿生模型，使用SysML和Modelica等虛擬實驗或半實物實驗。運維階段，基于監測數據和孿生模型，使用Modelica等進行故障預測和健康狀態管理，支撐智能運維。

基于MBSE的反應堆型號研發設計管理平臺可由西門子、達索、IBM以及同元、華望、國睿等國內外軟件提供服務，并且在航空航天領域有多個實踐經驗，具有可行性。

4 結語

核能小微型反應堆是核能領域近年來的研發熱點，具有廣闊的市場前景。在方案總體設計過程中，主要存在創新應用場景下需求難以完整分解、方案難固化、頻繁需求變更管理困難等問題。

根據MBSE定義和主要流程，得出MBSE自頂向下進行正向設計、系統設計形成單一數據源以及設計數據具有邏輯連續性等特點。

探索將MBSE應用于核能總體設計的思路，擬用創新的數字化總體設計方法和工具，試點搭建基于MBSE的反應堆型號數字化總體設計平臺。

預計可以滿足核能小微型反應堆創新的應用場景和用戶需求，助推總體設計方案固化，綜合提升總體設計能力，提升研發質量和研發效率，最終提升我國核能行業的整體研發能力。另外，預計可以實現80%以上模型的復用，縮短核能小微型反應堆后續型譜化產品的論證周期。