反應堆數字工廠設計生態環境

中國原子能科學研究院 核工程設計研究所 王瑾 周培德 余華金 劉一哲 裴志勇 俞曉琛

本文介紹了一種基于規則和數據流的反應堆數字工廠設計生態環境[1]建設方法，旨在提供一種反應堆一體化集成式數字工廠設計方案，解決反應堆數字工廠系統離散設計、數字化應用水平不均衡和二、三維設計校驗信息不一致等問題。按照系統工程思路，結合大規模多群集成設計和協同設計的需求、反應堆數字工程設計特點、數字工廠設計分析系統、數字工廠設計規則及數據流特性，給出反應堆數字工廠設計生態環境研究方案。通過將設計系統、業務流程、設計方法、標準體系與設計環境[2]進行深度融合應用，開展數字工廠二、三維集成設計，是貫徹反應堆工程設計數字轉型思想和一體化數字工程設計驗證的核心，也是研發更安全、更經濟、更高效的新型反應堆的重要設計方法之一。

1 綜述

數字工廠設計技術在國內多種類型反應堆工程設計中，已經有近20多年的發展和應用，協同設計、集成設計等技術已經逐漸發展為新型反應堆設計研發中必須考慮的問題。隨著數字化信息技術的應用，數字工廠設計從以Auto Cad為主流的二維設計，逐漸到基于數據庫的二、三維設計系統技術的廣泛應用，使得一系列數字化設計分析系統在反應堆工程實踐中不僅僅是施工、加工制造圖紙或模型的輸出者，也是滿足施工建造[3]及運維[4]階段對數字化設計成果和智能技術應用的需求，加速反應堆工程設計技術的變革和數字化轉型的推動者。

結合近10年對國內主流核電設計院的數字化設計技術應用分析，數字工廠設計技術在核能領域的發展應用可以總結為以下幾個階段：(1)離散式三維設計；(2)集群分布式工廠設計；(3)分布集成式數字工廠設計；(4)一體化集成式數字工廠設計，如表1所示。

表 1 數字工廠設計技術的四個發展應用階段Tab.1 The four stage of digital plant design technology

反應堆數字工廠設計生態環境是基于數字化設計分析系統、規則及數據流形成的影響反應堆數字工廠設計的生態關系組成環境的總稱，是指與數字工廠設計相關的，影響反應堆數字化設計、應用及驗證的各類系統、規則及數據流相互作用的總和。數字工廠設計生態是數字工廠設計分析系統與生態環境[6]內相關的數據流在特的規則下的組合。數字工廠設計生態結構是指按照設計分析系統類型、規則、數據流特征及分布形成的特定數字工廠設計形態結構。數字工廠設計生態結構劃分為三個等級：第一等級，根據設計規則核心特征劃分的基本生態；第二等級根據生態系統結構與生態系統功能類型劃分的組合生態；第三等級根據生態服務功能、數據流特性及服務功能重要性劃分的子級生態。

反應堆數字工廠設計生態環境是借用生態學[7]中生態環境的概念，將參與反應堆數字工廠設計的設計分析系統（包含人）及數據，以數字化設計的視角按照數字生態的架構進行系統的梳理、拆解和重構，將數字工廠不同設計階段、設計任務、設計系統，按照流轉的數據類型、內容及功能目標，進行設計流程的優化，使專業間和系統間的設計數據間的影響關系從單系統分布集成，發展成為一體化集成式數字工廠設計。它是面向一體化數字工程設計驗證和伴隨式數字交付技術應用的基礎。數字工廠設計生態環境由一系列參與反應堆數字工廠設計驗證的二、三維設計分析系統、設計規則和數據庫組成。核反應堆數字工廠設計是反應堆科學技術研究中實現工程應用轉化的關鍵步驟。隨著氣候變暖、“碳達峰、碳中和”的國際大背景，核能系統將承擔更多的優化能源結構的重責。越來越多的堆型面臨著如何高效地提供安全、穩定以及經濟性優良的設計方案。開展數字工廠設計生態環境研究，可以借助數字化設計技術，改善數字化應用水平不均衡的現狀，實現數字化設計的生態平衡和更廣泛的設計驗證及方案評定。對于研發型反應堆，可以從根本上改善傳統邊研發、邊設計模式帶來的大量設計變更的影響。

以反應堆數字工廠設計模型質量為核心，從堆型選擇、系統設計、設備研發、工藝設計、儀控設計、電氣設計、工廠設計、制造模擬、安裝建造、運維方案等方面，系統地將反應堆工程相關的幾個關鍵部分，通過數字工廠設計生態環境有機的結合起來，形成反應堆工程一體化數字工廠設計新模式，縮短反應堆科研與工程應用間的距離。數字工廠設計生態環境依托于二、三維設計系統數據的流轉及數據驗證，從數據層次保證二、三維設計數據的一致性、準確性和追溯性。通過工藝、設備、儀控、電氣、暖通、土建、結構、布置等專業的協同設計和集成設計，基于統一的數據標準和質量標準，實現反應堆工廠的一體化數字工程設計驗證。數字工廠設計生態環境的初探是基于數字化設計對反應堆工程設計方法和設計管理[8]的應用研究，以設計為核心，以質量為基準，將下游采購、安建、運維環節對反應堆工程的影響，系統地與反應堆工程設計進行有機結合，開展全生命周期[9]設計數據質量保證和數字設計驗證的方法研究。

2 反應堆數字工廠設計生態環境方案設計

反應堆數字工廠設計生態環境是基于大規模多群集成設計和協同設計的反應堆數字化工程設計與傳統設計模式的融合，提供一種反應堆數字化工廠設計系統的組成方法，不同類型的數據信息在該環境中傳遞給多個設計分析系統，這些設計系統結合評價標準，同時向使用者或者分析系統提供數據反饋。

反應堆數字工廠設計生態環境是反應堆工程設計需求與數字化設計技術的高度融合應用的產物。從其數字化設計特性及其所執行的功能，數字工廠設計生態環境包含9個一級生態：(1)二維設計；(2)三維設計；(3)工廠設計；(4)集成設計；(5)數字提資；(6)模擬制造；(7)分析校驗；(8)數據融合；(9)驗證分析[10]。9個二級生態即組合生態和32個三級生態，如圖1所示。

圖1 反應堆數字工廠設計生態環境組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of design ecological composition of reactor digital plant

(1)二維設計：由工藝、儀控、電氣、暖通、總圖5個三級生態組成。工藝設計生態與儀控、電氣、暖通3個形成組合設計生態（組合1），工藝流程圖及屬性數據構成基本輸入、輸出、迭代設計循環。二維設計生態是數字工廠設計生態的最基本組成。其中工藝設計生態是其中的核心，儀控和電氣設計生態是反應堆工況設計實施及組態設計的關鍵。

(2)三維設計：由設備、建筑、結構、支架設計4個三級生態組成。其中有直接關聯關系的設備與建筑設計（組合2），總圖、建筑與結構設計形成組合設計生態（組合3）。二維組合設計生態與設備設計形成組合設計生態。

(3)工廠設計：由工程材料數據庫和全廠系統布置[11]2個三級生態組成。其中全廠系統布置包含核能系統中所有實體物項及實施的布置設計，包含設備、管道、閥門、支架、儀表、電氣、暖通、橋架、電纜、土建、鋼結構等內容。該部分是數字工廠設計及驗證的關鍵，是反應堆數字工程設計的核心，與二維設計、三維設計生態形成強關聯組合設計生態（組合4），可實現二、三維自動校驗、自動輸出圖表等。

(4)集成設計：由二維集成設計、多維集成設計、設計分析集成、工程集成管理、異地協同設計5個三級生態組成。集成設計生態與二維、三維及工廠設計生態的呈伴生關聯關系（組合4），具有空間垂直及組合分布特性。集成設計生態是實現二維、三維及工廠設計生態設計數據高效流轉的重要解決方案。

(5)數字提資：由工程設計數據管理生態組成，與集成設計呈伴生關聯關系（組合4）。結合集成設計生態，可實現設計流程標準化、數據級過程管理、專業間協同設計、數據級信息傳輸、計劃及進度管理。同時需要結合業務需求、系統特性、設計生態數據流轉特性，設置合適的數字提資模式。高度本地化的數字化提資生態建設是降低專業間信息成本，提高設計質量，保證設計效率的關鍵。

(6)模擬制造：由制造模擬、裝配模擬和運輸模擬3個三級生態組成。該部分與三維設計和工廠設計生態成果數據，形成數據流輸集成關系（組合5），執行部分數字工廠設計驗證及工程轉化特性指標評定功能。

(7)分析校驗：由工廠模型審核、力學分析校驗、分析仿真校驗、工程材料管理、模塊施工分析5個三級生態組成。該部分與數字工廠設計形成強關聯設計關系（組合6），與二維設計、三維設計、集成設計形成弱關聯組合生態（組合7）。

(8)數據融合：由一體化數字工程設計、多源模型[4]數據融合、交付運維數據耦合、數字反應堆數據融合和智慧運維數據融合5個三級生態組成。該部分整體與其他二級生態系統，呈弱關聯關系（組合8）。與其中部分設計系統呈強關聯關系。該部分是反應堆多維度、多縱深設計驗證的基礎。

(9)驗證分析：由廠房二、三維布置綜合驗證、一體化數字工廠綜合設計方案驗證和一體化數字移交方案驗證3個三級生態組成。該部分與二維設計、工廠設計、分析校驗和數據融合形成組合設計生態（組合9）。該部分是反應堆數字工廠工程設計驗證的重點，可實現數字工廠二、三維設計、成本、工程量、時間、交付特性等多重設計驗證。

反應堆數字工廠設計是基于多種數字化設計技術的系統工程實踐。反應堆數字工廠設計生態環境的建設是反應堆一體化數字工程設計驗證任務開展和實施的基礎。從數字設計生態的角度出發，設計者、管理者、采購者、建造者、業主、運行人員，其不同的角色在反應堆數字工廠設計活動中，通過與各類型設計生態業務的融合，成為整個數字工廠設計生態的基本組成。人的作用體現于在數字工廠設計生態的建設方案、設計流程、數據流轉模式中，通過數字化設計技術對部分設計管理活動的業務下沉，使設計及管理思想成為整個數字工廠設計生態及改善生態組成提高數據流轉效率基本設計活動。

在反應堆數字工廠設計生態環境應用中，項目數字化設計總體規劃和設計任務本地化實施的能力情況，對整個實施效果有決定性影響?；跀底止S的工程設計驗證是伴隨反應堆研發、設計、安建、運維等階段的全生命周期的設計活動，結合不同階段的需求，可以為活動的實施者提供全面系統地數字化設計支持和數據保障。

反應堆數字工廠設計生態的構建和研發是數字化設計技術應用發展和反應堆工程融合應用的結果。數字化設計的根本仍然是設計本身，數字化設計技術可以基于數據庫、知識庫或算法來幫助設計者以更高效、更嚴謹的設計反饋及分析，來完成更好的設計。但反應堆數字工廠設計生態的良性發展，需要依托于數字工廠設計規則體系的理論研究以及規則體系數據庫的建立。與數字化設計生態相結合的反應堆工廠規范化和標準化設計規則研究是促進反應堆數字工廠設計生態與業務深度融合，向更高效、更智能、更集約發展的關鍵。

3 某核電工程項目中二級生態（組合4）的應用案例

以某核電工程項目數字工廠設計工藝管道布置設計為例。工藝設計生態、工廠設計生態和集成設計生態基于鷹圖軟件構建。工廠設計、工藝設計以及集成設計組合生態4的實施，依托于統一的工廠PBS數據結構、KKS編碼、屬性數據庫。工廠設計和工藝設計組合生態，要求有更多統一的數據基礎，包含材料編碼規則、管道等級編碼規則、二三維符號數據庫以及屬性數據庫等。如上頁圖2所示。工藝設計生態通過多維集成設計生態，將工藝儀表流程圖傳遞至工廠設計生態中，實現工藝管道的二、三維集成設計。

圖2 某示核電工程項目中工藝管道設計生態組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of design ecological composition of the pipeline in the nuclear power project

工藝儀表流程圖作為數據的一部分，通過集成設計生態系統將所需要的數據，傳遞至工廠設計生態系統中。設計人員可以直接調用和繼承發布過來的P&ID，位號、連接信息、材料等級、口徑、外形尺寸、規范、質保、安全、抗震等信息。通過和工廠設計生態聯合應用，可以有效的避免二、三維設計數據的不一致。避免設計變更和反饋無法及時準確地傳遞給相關專業，并且結合集成設計生態系統嚴格的版本控制，可以對設計質量進行嚴格管控。數字工廠設計生態幫助設計者更高效地打磨出經得起考驗和論證的設計方案。

4 展望

數字工廠設計生態環境目前已實現部分組合生態的項目應用。整個方案的逐步實施將可以實現工廠設計數字化、專業配合協同化、提資管理智能化、模型輸出同步化、設計系統集成化、數字交付標準化以及工廠設計一體化。作為一種綜合型數字化設計生態環境，數字工廠設計生態環境是數字化設計工具、方法、數據、參與者，與傳統設計經驗和方法的融合創新，是反應堆系統工程與數字化設計技術的應用融合。其以設計數據為核心，為全壽期業務領域的設計系統留有接口特點，可以保證生態的集成性和靈活性。數字工廠設計生態環境中設計領域全過程數據管理可以保證專業間系統數據的一致性、準確性和追溯性。以二、三維模型質量為基準，將可以從標準化設計工具、方法、準則、評價標準多途徑，保證數字工廠設計生態內項目數字化工程設計驗證的性能，加速和提升反應堆研發向工程實踐的轉化性能。

反應堆數字工廠設計生態的研發是實現反應堆各系統數據集成，系統地貫徹一體化數字工程設計思路，從設計系統、業務流程到設計方法，深度貫徹數字化轉型思想，驗證集約式數字反應堆型號設計新模式。開展基于數字工廠設計生態環境的廠房二、三維布置、數字移交和一體化數字工廠綜合設計方案驗證生態系統關鍵技術研究，將加速反應堆方案研發、科研成果工程化驗證，為反應堆數字化設計技術先進性和方案經濟性指標提供全流程、全周期數據級和系統級的保障和技術支持。

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