基于参数化的反应堆工程协同设计系统应用研究

王学松 杨红义 丁光亮 刘天才

摘  要：基于参数化的反应堆工程协同设计系统以建立完整、规范的反应堆标准设计体系为目标，囊括了总体、堆芯、结构、力学等专业，对不同堆型设计流程进行标准化、规范化、智能化，以参数驱动流程，解决反应堆工程设计过程中专业内部、专业之间以及不同设计层面上的协同与管理;实现设计方法、工具、数据的集成化、模板化应用;实现设计过程中信息资源共享、知识积累与重用，为类似型号设计提供经验借鉴，从而全面提升反应堆工程设计质量、设计效率。

关键词：参数化  协同设计  标准化  规范化 智能化

中图分类号：TL37                             文献标识码：A                 文章编号：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

反應堆工程设计涉及专业众多，各个专业的设计方法和设计重点不同[1]，许多关键参数和性能指标往往需要多学科、多专业之间开展多轮迭代设计，设计过程需要多学科、多系统的设计人员共同参与，设计开发一个新的核反应堆通常是一个漫长、耗费巨大的过程[2]。目前，中国反应堆研发设计正在向“批量化建造的设计能力，形成品牌”的方向转型[3]，但是在反应堆工程设计过程中，计划调整频繁、任务密集、参与人员众多、组织协调机制复杂等现象，造成人员沟通不畅、信息反馈零散滞后、知识重用率低、进度难以保障等问题。随着信息技术的飞速发展，原子能院设计信息化水平不断提升，建立了以参数驱动设计流程的反应堆工程协同设计系统，对反应堆设计流程进行规范化和标准化，确保各种设计活动按照规范的流程开展，实现基于统一数据源的全专业的协同设计和协同管理[4]，提升产品的设计效率和质量，缩短产品的设计周期[5]，解决了上述问题。本文分析了反应堆工程协同设计系统功能架构，阐述了系统的设计思路和应用场景。

1  反应堆协同设计系统功能结构

反应堆工程设计涉及多个专业，专业间耦合关系较为复杂，要实现真正意义上的协同设计，必须根据反应堆工程设计的业务特点及当前的研发条件，构建面向产品研发过程的反应堆工程协同设计系统，规范反应堆工程研发设计流程，确保研发过程中的各种数据按照规范的格式产生、流转、存储，形成产品研发质量控制的数字化手段，其功能结构如图1所示。

（1）任务流程一体化管理模块。

以任务为核心，将反应堆工程设计过程流程化、数字化、规范化，通过执行显性化流程来驱动设计过程，提高反应堆工程设计项目管理水平。

（2）专业设计系统。

集成常用商业软件和自研软件的反应堆工程协同设计环境，封装了堆芯、堆本体等专业设计工具、行业规范和设计标准，形成适用于不同堆型的设计系统，为反应堆工程工程设计提供便捷、准确、高效的设计手段，降低迭代成本，提高设计仿真效率。

（3）过程数据管理。

对反应堆工程设计过程中产生的性能参数、三维模型、管道布置图、可行性报告等过程数据以及产生这些数据的操作和过程进行有效管理，实现设计可追溯以及数据的积累和固化。

（4）知识管理系统。

把反应堆工程设计过程中产生的大量设计文件以及设计人员的经验、心得体会固化到系统中，开发知识推送和知识搜索的功能，把知识与具体的研发活动相结合，实现知识共享和传承。

（5）系统与其他系统进行集成。

集成与项目管理系统、产品数据管理系统、风险管理系统、档案系统等信息化系统，解决“数据孤岛”，打通管理与业务之间、业务与流程等通道。

2  反应堆协同设计系统设计思路

反应堆工程协同设计系统是以反应堆设计规范为基础，针对不同堆型的研发设计业务流程，在各种数字化设计工具及相关信息化应用系统的基础上，通过工程中间件技术（过程中间件、数据中间件、工具中间件），建立对应堆型的工作流和信息流，打通项目（任务）管理、流程管理、专业设计工具、数据管理及知识管理等各个系统之间的交互环节，实现不同应用系统间的数据互联互通。其设计思路具体表现在以下几个方面（如图2所示）。

（1）设计方法、经验、规则、规范同工程软件相融合。

对现有的大量设计分析商业软件及自研程序进行封装，从而定制成为经验化的工程模板，将现有的大量反应堆设计各专业的知识、经验、操作流程、操作方法进行固化，通过软件封装的方式实现工程软件与方法的融合。经过组件化的封装，构建面向学科类型的工具升华成面向产品设计的专业分析包，使研发设计过程中的数据能够形成有效的流动，更容易实现各学科之间的耦合分析与优化，需要把诸如UG、CATIA等各种工具进行有效的整合，将原本彼此孤立的工具软件形成一个有机整体，形成研发数据输入输出的中枢，打通各个工具软件之间的数据通道，以有效提高研发效率，降低成本。

（2）研发流程管理。

构建反应堆工程设计流程管理体系，对流程进行严格的管理和监控，实现流程的耦合与协同，对业务流程数据进行有效的管理，并保证知识和业务的紧密关联，从而能够描述实时的项目状态、资源利用、流程进展、数据状态，统筹项目资源与进度，提高工作效率，增强用户间协同;保证设计参数的可追溯性和时效性，在完全可控的环境下关联上下游数据，并确保每个流程节点的流程数据一致;使企业决策者能够快捷、有效地对设计进度进行监控，随时掌握项目进度及情况;保证在流程执行过程中实时进行知识查询，并支持将研发过程数据添加到知识管理系统，实现知识固化，进而实现专家经验的继承和重用，使快速设计迭代成为可能，并从根本上解决了“产品设计个性化需求与商业软件产品通用性之间的矛盾”。

（3）多专业协同设计。

将反应堆工程设计不同阶段需要的设计工具、人力资源、信息数据形成一个有机的整体，打通反应堆工程设计的各个环节，采用流程模式与数据中心模式相结合，从系统性能最优的角度实现跨学科、跨专业的分布式协同化设计。避免大量的重复性建模、分析等工作，同时还可以通过构建协同任务管理和协同流程管理系统，按照自顶向下、任务计划驱动、实时反馈的思想，将反应堆型号研制人员产生的信息、数据进行抽取、汇总、统计，以多视图形式进行全局展示，提高顶层管控能力，为反应堆设计决策提供科学参考。

（4）知识管理和应用。

对于反应堆设计过程中涉及到的大量专家经验、設计方法以及各专业的自研程序的开发规范、商业软件操作说明、行业标准等知识按照一定的规则进行抽象和管理，同时在专业设计流程使用过程中通过相应知识与设计模板的交互，实现知识管理与具体的设计活动相结合，能够方便地把行业标准、设计经验等知识等封装到专业设计系统中，也可以根据当前的工作语境主动、智能地推送满足符合度的设计知识，使得知识与设计形成良好互动，实现知识共享、分发，真正做到知识驱动产品设计的整个过程，使反应堆设计能力得以持续积累和持续提高。

3  反应堆协同设计系统的实现

反应堆工程协同设计系统的核心是以任务驱动流程，实现设计参数的上下游显性化传递;通过梳理不同堆型的业务流程，对各专业设计流程中用到的设计方法、设计工具、设计数据等进行梳理和标准化，建立流程模型并将其封装为设计模板，从而形成适用于不同型号的反应堆工程协同设计系统。下面以反应堆堆顶固定屏蔽设计进行说明。

3.1 设计流程建模

用户首先梳理反应堆堆顶固定屏蔽设计流程并将其细分，整理出该流程中每个节点的数据、输入输出关系和专业设计节点的公式、算法、自研软件、商业软件，以及该设计节点的设计步骤，在反应堆协同设计系统中搭建流程模型，采用手动或自动的方式，对各子流程之间参数传递关系进行映射，以红色线条标识节点间前后执行顺序，蓝色线条标识节点间数据传递关系，关联设计节点与设计模板进行一一匹配，具体步骤如下。

（1）首先梳理堆顶固定屏蔽设计输入输出参数、堆顶固定屏蔽设计输入输出参数（二环路倾斜式提升机）、堆顶固定屏蔽设计输入输出参数（二环路直拉式提升机）、堆顶固定屏蔽设计输入输出参数表（三环路倾斜式提升机）、堆顶固定屏蔽设计输入输出参数（三环路直拉式提升机）。

（2）梳理准备堆顶固定屏蔽设计所需的计算公式。

φgdpb=堆顶固定屏蔽直径=标高Hbg12处提升机接管的最大外接圆直径+1000

（3）根据业务流程的执行步骤建立可执行流程，如图3所示。

3.2 设计模板封装

根据前期梳理的堆顶固定屏蔽设计流程准备设计模型，借助平台提供的支撑专业方法体系梳理和管理的模板封装环境，通过使用组件库、GUI界面编辑器、参数表等组件，将堆顶固定屏蔽设计流程进行固化和封装，形成一个能与外部文件、程序、函数、工具、软件实现集成交互（包括数据与操作的交互）、知识推送的工程模板，具体步骤如下。

（1）根据堆顶固定屏蔽上、下平面标高确定模型位置，创建草图，旋转得到堆顶固定屏蔽实体。

根据泵支承、IHX支承、DHX支承及提升机接管等相关位置及结构尺寸，创建草图，用“凹槽”命令在堆顶固定屏蔽实体上挖孔，得到堆顶固定屏蔽模型。

根据堆顶固定屏蔽设计步骤流程，并利用集成开发系统提供的模板封装组件功能，进行参数、公式、模型的集成封装。

通过对堆顶固定屏蔽设计步骤、参数、公式、模型的封装，设计出交互式GUI界面，固化为堆顶固定屏蔽设计专业设计模板，如图4所示。

4  反应堆协同设计系统的应用验证

以反应堆堆本体布置模型为例，简要说明基于参数化的反应堆工程协同设计系统在工程设计中应用。项目负责人根据堆本体布置业务流程下发设计任务，制定各子流程之间参数传递关系，任务承担部门细化具体的设计活动，分配给符合子任务设计资质要求的设计人员;设计人员核对并接受任务，提取设计输入信息，调用对应的设计模板，利用模板封装的GUI交互界面，快速进行交互迭代计算，计算结束后将数据上传，审核通过后自动推送到下游任务。依次类推，根据堆本体设计业务流程调用已封装的设计模板，快速生成堆本体布置模型，其应用过程如图5所示。

5  结语

反应堆工程协同设计系统以业务流程为主线，以参数驱动流程，对设计过程中产生的数据进行有效管理和追溯，实现设计过程中流程贯通、数据共享、知识流转、协同执行等;对专业设计单元进行封装，实现通过模型关联和数据流集成建立统一关联模型，自动保证上下游模型之间的紧密关联，上游方案的更改将自动更改下游模型，实现快速迭代，从而可以在短时间内形成多种方案;对设计知识和设计经验等进行固化，实现知识的积累和重用，提升人才培养速度;集成PDM、IPDPM等信息化系统，建立全生命周期设计管理体系，从而大幅度提升反应堆工程设计的效率和质量。

参考文献

[1] 吴姝琴.基于未来聚变堆的协同设计平台研究[D].北京：中国科学技术大学，2015.

[2] 张亮.核反应堆数字化设计全面集成模型研究[J].计算机应用于软件，2019，36（8）：111-114.

[3] 丁光亮，王文婷，张戌辰，等.知识管理在反应堆协同设计中的应用研究[J].科技创新导报，2018，15（11）：125-127.

[4] 申屠军，李小燕.核电数字化设计体系的组成和数据管理[J].仪器仪表用户，2017，24（11）：68-72.

[5] 丁光亮，王文婷，張戌辰，等.PDM系统在反应堆工程设计中的应用研究[J].科技创新导报，2018，15（9）：51-54.

[6] 朱高斌，穆海洋，段鹏.新建核电厂数字化仪控系统变更控制研究[J].核科学与工程，2019，39（5）：821-825.