數字化在反應堆工程設計中的應用研究

摘 要：構建符合反應堆工程研發設計自身特點及應用數據的數據管控平臺，驅動業務系統基于統一的標準進行數據交換，連接業務孤島，通過采集設計、試驗、建造、運行過程中產生的數據，提供跨平臺數據綜合分析評估能力。結合反應堆工程設計對數據采集、數據分析、數據治理等多維度的要求，建設多源異構數據管控平臺，構建符合反應堆工程設計應用需求的數據采集、分析、治理及應用體現，為原子能院數字化轉型奠定基礎。

關鍵詞：數字化；反應堆；工程設計；管控；轉型

中圖分類號：TL37 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0052-04

Abstract： This paper proposes to build a data management and control platform in line with the characteristics of reactor engineering research， development and design and application data， drive the business system to exchange data based on unified standards， connect business islands， and provide cross-platform comprehensive data analysis and evaluation capabilities by collecting data generated in the process of design， test， construction and operation. According to the multi-dimensional requirements of reactor engineering design for data acquisition， data analysis and data governance， we build a multi-source heterogeneous data management and control platform to build data collection， analysis， governance and application embodiment that meet the requirements of reactor engineering design and application， so as to lay the foundation for the digital transformation of the China Institute of Atomic Energy.

Keywords： digitization; reactor; engineering design; control; transformation

在全球新一輪科技革命和產業變革孕育發展的背景下，軍工企業正呈現數字化轉型的大趨勢[1-2]，軍工院所應積極關注、研究、利用新一代數字技術[3]，并將這些技術組合應用于設計、建造、運維等各個業務環節，加快構建“產品數字化，管理智慧化”為特征的智慧院所[4]。原子能院在數字化轉型過程中，由于反應堆工程設計的獨特性和復雜性，具有投入高、周期長、專業多等特點，同時受利益固化等因素的影響，產生了各種“數據鴻溝”[5]，大大降低了企業研發設計速度和效率。

經過多年的發展，原子能院在反應堆工程設計領域積累了大量寶貴數據資源，涉及到設計、仿真、制造、實驗和運行等各類活動，如用于反應堆的研發設計方案、各類仿真/分析模型、分析算法等。但是在數字化轉型過程中，由于缺乏數字化管理平臺，數據只能以孤立的電子文件存在，不同活動產生的數據格式、數據內容、數據表達形式和數據屬性各異，數據存儲、管理方式差異較大，導致原子能院各環節的數據沒有被系統地整合、組織建立形成相互關聯的數據體系。

因此，原子能院迫切需要通過構建一套多源異構數據管理平臺，通過連接各類數據資源，組織和整合各類數據，利用大數據的分析挖掘，將湮沒在海量數據中的隱藏知識進行不斷的沉淀、固化，基于角色、工作場景等的大數據分析和推送，實現情景化的數據應用，為數據面向各類業務場景的精準化服務提供保障。

1 多源異構數據管控平臺建設方案

多源異構數據管控平臺聚焦反應堆工程設計實際業務需求，將散落在各業務系統、智能設備終端等的數據資源進行統一、高效地抽取、清洗及挖掘，構建面向核心業務領域的主題數據倉庫，并提供數字化管理與服務，建立數據存儲與管理的軟環境，在底層實現大容量數據的電子化存儲，在應用層實現基于項目研發典型場景的大數據分析，為后續的數據向信息和知識提升、知識與研發活動關聯提供數據源，為領導層提供不同維度的大數據分析服務和決策支持，同時也提供外界應用的數據接口。多源異構數據管控平臺框架如圖1所示。

1.1 數據管理

1.1.1 數據接口服務

基于數據接口服務提供各類通用的適配器和開發、集成工具，支撐各應用系統和信息資源的快速接入，同時建立了完善的管理機制，保障數據安全和信息共享。

1.1.2 并行計算架構

依托于E級計算中心，建立并行計算架構，包括分布式文件系統、NOSQL數據庫、分布式計算框架、內存計算和流計算工具等，為物理、熱工、屏蔽、組件和材料等專業并行處理各類計算任務提供支撐。

1.1.3 分析應用工具

多源異構數據平臺提供各類主流的分析應用組件，包括即席查詢、OLAP（聯機分析處理）、數據挖掘等工具，根據不同型號設計的數據分析需求選用不同的大數據分析工具。

1.1.4 可視化組件

多源異構數據平臺提供各類主流的可視化組件，大量繁雜的數據在經過分析治理和可視化工具處理后，以圖形化的形式展現在用戶面前，使分析結果更加清晰直觀。

1.2 數據倉庫

通過集成各業務系統，在原子能院現有數據基礎上，對歷史數據進行整理，制定統一數據描述規范和數據接口，建設基礎數據庫、標準數據庫、文獻數據庫和技術報告數據庫等，實現新建數據庫與其他信息系統數據庫集成。

1.2.1 基礎數據倉庫

基礎數據是指設計人員在完成科研和型號研發任務過程所需要利用的一些基本數據，如核燃料參數、核結構材料的物理/力學/輻照性能、鈉的物理化學性能和熱力學參數等。這些數據往往存在于手冊等紙質文獻中，部分數據較難獲得，需要通過實驗手段獲取或者向其他研究機構購買。建設基礎數據倉庫，是對這些數據進行有效積累和利用的必要途徑。基礎數據倉庫由核燃料數據庫、鈉性能數據庫一系列數據庫構成，如圖2所示。數據庫的建設通過對現有數據資源的整理加工，在統一的規范基礎上完成，并在系統門戶上提供快速訪問接口，供用戶在工作過程中方便地檢索相關數據資源。

1.2.2 設計工藝數據倉庫

設計工藝數據是指在完成型號設計研發以及設備建造過程中所積累的數據，主要分布于工廠設計平臺、參數化協同設計平臺、產品數據管理系統等業務系統中，包含了設計指標、設計參數、設計圖紙、仿真分析、設備信息和工藝數據等關鍵數據。通過打通系統間接口，明確采集數據要素和數據格式，確保數據源唯一、全局一致，實現設計工作從“定期要數據”向“變化即更新”的轉變，最大可能減少設計人員的工作量[6]，達到上下貫通，協同推進。設計工藝數據倉庫包括設計數據倉庫、仿真數據倉庫、設備數據倉庫、工藝數據倉庫等，如圖3所示。

1.2.3 試驗數據倉庫

試驗數據包括試驗人員在科研/型號研發等業務活動中，開展各類基礎試驗、驗證試驗、仿真試驗和鑒定試驗等所獲得的數據信息資源，主要分布在試驗數據管理系統中，包括項目信息、試驗方案、設備資源、過程記錄、試驗結果和數據分析等。通過對試驗過程中涉及的數據進行全面細致的分析治理，進行試驗數據質量的規范化控制，全方位進行試驗數據的深入挖掘，實現試驗數據的高效處理分析，尤其需要試驗數據縱向橫向的對比分析。試驗數據倉庫包括試驗項目數據倉庫、試驗資源數據倉庫、試驗設計數據倉庫、仿真試驗數據倉庫、原始數據倉庫和數據分析數據倉庫等，如圖4所示。

1.2.4 運維數據倉庫

運維數據主要包括原子能所承擔的實驗快堆等示范工程的運行與維護過程中所產生的數據信息資源，如反應堆運行狀態監測數據、運行日志、缺陷異常報告和定期實驗報告等。通過對分散的運維平臺等業務系統中數據進行采集、分析、治理，將監、控、管高度集成的運行理念與大數據技術相融合，實現反應堆的數字化運維。運維數據倉庫包含資產數據庫、運行數據庫、維修數據庫和安全數據庫等，如圖5所示。

2 多源異構數據管控平臺的應用

通過多源異構數字管控平臺，搜集科研、設計、建造、試驗和運行等環節產生的數據，不但可用于可靠性設計與分析、設備研發以及電廠的概率安全評價，還將有效地記錄重大專項研發中產生的寶貴經驗數據，形成知識體系，支持后續反應堆設計、研發以及設備的制造選型中的設計決策，同時也能對運行設施的運行和維護活動優化方案提供定量分析基礎。

2.1 型號協同設計

對反應堆工程設計過程中涉及到的大量專家經驗、知識等數據進行沉淀、固化，對設計過程產生的數據進行有效積累和管理，同時在設計分析人員使用過程中通過相應數據與設計過程的互動，實現數據管理與具體的設計活動相結合，把行業規范、設計人員的經驗、設計流程等數據封裝到專業設計工具包中，基于角色、工作場景等的大數據分析和推送，實現情景化的數據應用，使得知識與設計形成良好互動，實現知識共享、分發，為面向各類業務主題的分析應用，提供數據挖掘及可視化展現服務，真正做到數據驅動產品設計的整個過程，使原子能院的設計能力得以持續積累和持續提高。

2.2 實驗數據分析

實驗數據分析服務基于大數據分析技術，采集原子能院各類項目在研究過程中產生的大量實驗數據，通過聚類、比對、關聯分析和趨勢分析等手段，識別離散實驗數據的波動范圍，從而挖掘各類成果關鍵性能指標的薄弱環節。通過射頻識別、影像、傳感器等手段，按約定的協議，在不影響設備運行情況下，實時對設備智能化識別、定位、跟蹤及數據采集。在信息采集、過程控制的基礎上，采用先進的統計工具，對設備信息等進行多維度的統計和分析，利用科學的評價模型對反應堆、加速器進行評估，并結合維修故障數據庫，實現各類設備的預測健康維修。并基于大量實驗數據的趨勢分析，可以分析出原子能院反應堆、加速器以及各類譜儀的相關性能指標的當前實現水平，并為各類實驗的進一步優化提供指導，從而提升原子能院核心競爭力。

2.3 設施自主診斷

為保障原子能院反應堆設施的運行可靠性，傳統手段往往需要通過提供大量的備品備件，并以增加檢修頻次作為主要的預防手段，同時故障診斷過程往往需要大量各類人員的參與，浪費大量的物力、人力。根據制定的檢測頻率，自動采集設施的健康狀態數據，對采集的健康狀態數據進一步挖掘處理，分析設施潛在隱患或直接提取已發生故障信息，可以智能化地對設施健康狀況進行定期診斷，并基于嵌套的性能分析模型，對設施故障進行預測、剩余壽命評估，自動調整檢測頻率，提供維修決策建議等。

2.4 風險趨勢分析

經營風險趨勢分析服務旨在基于原子能院經營風險的管理準則和決策模型，針對原子能院經營風險管控的各項指標，對業務系統中重大經營風險事件信息進行挖掘分析，實現對原子能院經營風險趨勢、風險影響以及風險根因的綜合分析提供有效支撐，大幅提升精細化管理水平[7]，從而指導原子能院經營管理人員有效識別潛在風險因素，并快速制定風險應對措施。

3 結束語

構建智能化的反應堆數據管理平臺，將項目前期研究設計數據、生產運營期的設計數據、業務過程數據、外部供應商數據進行全面有效整合， 實現了跨專業、跨部門、跨平臺交換各種類型的信息；實現歷史數據的統一管理，科研設計人員可以通過借鑒前人的經驗知識來提升自身的業務水平；實現結構化和非結構化數據的跨平臺資源與數據共享，知識和經驗得到了歸納和傳承，打造了初步具備數字化、網絡化、智能化特征的“智慧院所”，形成滿足可持續競爭優勢的新型核電研發能力。

參考文獻：

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[5] 謝春茂．軍工企業基于數字化建設的項目管理體系構建與實施探索[J]．中國電子科學研究院學報，2022，17（8）：828-832．

[6] 夏韜然．H公司核電工程項目全生命周期信息管理新系統的設計研究[D]．衡陽：南華大學，2016.

[7] 何姜江，袁多亮．數字化技術在電力工程中的應用[J]．電力勘測設計，2022（1）：16-20．

第一作者簡介：丁光亮（1983-），男，碩士，高級工程師。研究方向為軟件技術與信息化。