基于MBSE的核动力装置智能化设计

赖建永 李 毅 张玉龙 韩 冰 任 云

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213）

0 引言

目前MBSE已被视为系统工程的“革命”“系统工程的未来”“系统工程的转型”等，近些年发展尤为迅猛，MBSE近几年来已成为系统工程领域应用和研究的热点，MBSE可称为将系统设计升级换代的革命性工具，MBSE将会是21世纪复杂系统开发的基本范例，同时,对于支持高效的协作开发环境也至关重要。国内外很多大型组织已经在开展相关研究和应用。MBSE是Model-Based System Engineering的缩写，即基于模型的系统工程。2007年，国际系统工程学会在《系统工程2020年愿景》[1]中，给出MBSE技术的定义：MBSE是一种应用建模方法的正确方式，用于支持系统需求、设计、分析、检验和验证活动，这些活动从概念设计阶段开始，贯穿整个开发过程及后续的生命周期。

核动力装置设计作为一项多学科和跨专业的传统系统工程，具有功能和设备可靠性要求高、技术难度大、投入资金多、协同单位多，以及设计研制风险高等众多特点。我国核工业体系经过数十年的发展，逐渐形成了一套具有中国特色的核动力装置设计的管理模式。但近年来，一批核工业重大工程的立项和开展使核动力装置的设计产生了新的特点：（1）核动力装置数量大幅增加，但设计周期进一步压缩；（2）性能指标不断提高，新系统、新技术、新设备不断出现；（3）多系统协调、多设备并举以及耦合协同的复杂关系等。因此，结合MBSE的基本特点，核动力装置设计对于MBSE的应用是天然土壤。

核动力工程作为高精尖工程应用领域的一个重要分支，也是传统行业，目前，存在系统设计模式效率不高，创新性不强以及技术垄断等问题，为改善这些问题，提成核动力系统设计的质量和开发速度，基于MBSE的核动力装置智能化设计尤为必要。本文采用模型的系统工程思想，对核动力装置领域系统的开发设计全过程提供支持。

1 MBSE概述

基于MBSE模式，工程设计和研发工作由过去的“80%劳动、20%创造”变为了“80%创造、20%劳动”，即MBSE可以让工程师将更多的时间投入在设计中，而不是文档中。目前已经广泛应用于飞机、机电、雷达等复杂系统设计[2~4]。

基于模型的系统工程（MBSE）是规范化的应用模型技术来支持系统需求、设计、分析、验证与确认，从概念设计阶段直至生命周期的后期各个阶段，持续贯穿整个产品的开发。MBSE能够代替系统工程师已经实践的以文件为中心的方法，并且通过完全集成至系统工程流程的定义中改变将来系统工程的实践。在汽车的电气架构开发领域，MBSE已经被越来越多的公司所引入，并且通过使用相关的软件工具，把MBSE应用到电子电气开发的各个领域，包括用户场景的描述、功能开发、系统的详细设计和相应的测试验证。现在已经有了直接将模型转换为代码的工具，所以，很多系统可以通过MBSE的使用，具备或提高上层应用软件的开发能力。图1为系统工程经典的V模型，详细介绍了系统工程的技术过程和管理过程。

图1 系统工程V模型[5]

1.1 MBSE的优势

（1）提升效率，改变以文本为基础的系统描述，极大地节省工程师的时间；（2）图形化的表示方式，易于理解，不易出错；（3）标准格式，易于交换和传递，包括不同人员、组织之间的传递、和不同软件之间的传递；（4）易于重用，标准化的模型方便复制、修改；（5）配合相应的工具，可以应用数字孪生技术，减少实物验证的成本和周期，提升质量。

1.2 MBSE的劣势

相应的工具链需要大量的投资，无论是建模还是仿真，都需要购买昂贵的软件，投资可能动辄上千万甚至上亿。但是，如果能充分利用软件，并且相应地优化流程，真正让MBSE发挥作用，则投资非常必要。

应用MBSE首先是思想上的转变，让一个工作了多年的工程师转为模型上工作，除了要给相应的人员大量的培训之外，在思想和思路上的转变才是最难的。相比之下，现在很多年轻的大学毕业生在校期间就已经接触过相应的工具和方法，上手较为容易，但是他们没有相应的行业经验，如何进行新老员工配合是一个需要解决的问题。

另外，应用MBSE短期并不能产生效果，因为模型库的建立需要一段时间。然而，一旦有了基础之后，后续的迭代更新速度是惊人的。

MBSE是系统设计的神经系统，数字孪生、数据库、理论机制、数学物理模型，计算软件、标准规范体系建设以及AI智能学习等，构成了系统设计的骨骼、肌肉和血液，基于MBSE可以有无限创造的可能。

MBSE虽然经过了不断发展、迭代以及演化，但仍存在着一些不足：（1）工作量大，应用初期大量的建模过程需要人工去完成，该阶段对建模的自动化支持也相对较少；（2）模型质量无法保证，由于需要人工去完成，系统建模的质量取决于工程师的经验，因此，建模质量标准不一，水平参差不齐；（3）效率较低，尤其是对于核动力装置这种大型复杂系统的建模。

结合目前MBSE的工作体系，应积极融入模型驱动的思想，实现由MBSE向人工驱动向模型驱动的系统工程 （Model-Driven System Engineering，MDSE）转变。模型驱动即通过智能化技术进行建模，利用现有的工程设计知识以及经验，通过有效的逻辑设计进行策略推理，智能化地实现相关模型设计工作，从而减少大量复杂而又重复性的工作。这种模型驱动将现有设计技术和经验根治于产品的研制过程中，需要对其进行深入挖掘才能提炼出来，而这一过程的实现不是一蹴而就的，是需要不断完善的过程。

2 核动力装置设计中MBSE的应用

针对MBSE的在核动力装置设计中的应用，本文以余热排出系统的设计为例，提供以下分析方法。

余热排出系统可以提出以下不同的划分：（1）根据工况不同，余热排出系统可分为事故后的余热排出和正常停堆对应的余热排出；（2）根据是否依靠外部资源，可分为能动余热排出和非能动余热排出；（3）能动余热排出和非能动余热排出可以为各自独立的系统，也可以为管道、换热器、进出口共用，只是阀门型式不同。目前，不同项目包括AP1000、华龙一号、模块化小型示范堆等，对于余热排出系统的设计千差万别。基于这些项目的余热排出系统，开展了大量的计算分析和试验验证工作，设计阶段也会经历方案设计、技术设计、初步设计、施工设计以及经验反馈等。

针对余热排出系统，我们花费了大量的人力、物力和财力，如何将这些看似杂乱的系统设计工作理论化，需要引进MBSE方法。图2为MBSE应用模型示意图。针对余热排除系统设计的系统功能和参数，联合安全分析、测量控制、力学分析、辐射防护。堆芯物理等专业，建立系统设计协同平台，在此平台上针对工程实际展开具体设计。而对于这些具体涉及的专业，首先要建立系统设计数据库。针对余热排出系统的不同工程需要，提出个性化的设计方案。

图2 MBSE应用模型示意图

在对MBSE进行理论创新和发展的同时，应当基于MBSE理论指导核动力装置设计实践，开创出一条适应于我国国情的核动力装置设计模式。

2.1 建立和完善的系统核动力装置的研制流程体系

系统工程的具体流程是该体系的重要核心。根据当前核动力装置设计的具体任务形势，确定核动力装置各阶段的任务分类以及具体实施要求，对关键技术难点或卡脖子技术开展集中攻关，不断开展核动力装置设计流程的梳理和优化工作。针对系统的总体设计要素，基于具体的建模工具和手段，梳理和建立核动力系统和设备的协同设计流程、系统和布置三维设计的协同流程、基于模型的跨专业协同设计流程、安全分析设计流程、力学分析设计流程、堆物理设计流程、测量控制设计流程等。同时，借鉴先进的智能化技术，实现高效的数据管理、信息表达、数据传输，为核动力装置设计流程的上下贯穿提供根本性保障。基于协同设计和并行工程的理念，建立适用于核动力装置设计各研制阶段，支持多学科、跨专业综合集成的协同设计中心，并成立由系统、热工、仪控、辐射防护、材料等相关技术人员组成的集成产品开发团队，通过协同设计中心开展核动力装置协同设计，提高产品研制的效率和质量。

2.2 利用智能化技术，实现由MBSE向MDSE的转变

在充分利用当前的智能化技术，结合核动力装置设计的具体情况下，可以将数十年来积累的工程经验和知识，如设计原则、设计方法、设计流程以及设计计算等，融合到一个集成的核动力装置总体设计程序中，然后，根据不同的设计阶段，通过有效的逻辑推理策略进行推理，智能化地实现核动力装置设计过程建模。

2.3 核动力装置跨专业智能化协同设计模型

基于MBSE核动力装置的设计工作，虽然改变了原有的各专业直接协同工作的模式，但各专业之间的协同仍然需要人工来进行协调。因此，结合当前核动力装置设计模式，一方面，基于统一的输入源项开展系统、热工、仪控、材料等专业的协同设计工作，可有效解决传统模式下人工协调多、设计相互校核多和设计质量无法保证等问题。另一方面，建立基于多级协同的智能化并行设计机制，实现上下游专业之间设计对象及时更新修改，从而降低设计工作的迭代周期，提升设计效率。

2.4 核动力装置设计的标准规范体系建设

在MBSE方法中，需要一套完善的核动力系统设计的标准规范体系作为支撑，这是MBSE实施以及系统设计的重要依据。在梳理当前其他行业关于系统工程通用的标准规范基础上，开展了重点适用于核动力系统设计标准规范体系框架设计，进一步建立和完善核动力装置设计的标准规范体系。

3 结语

MBSE代表着核动力装置设计的最新进展和未来的重要发展的方向之一。但必须指出的是，对于核动力装置设计工作，MBSE还处于初步探索阶段，在今后具体实施过程中，必然存在大量的问题需要一步步去解决。因此，需要结合我国现阶段核动力装置具体的设计特点，以及今后的发展要求，对其长远的发展进行具体策划。此外，还应密切关注国内外科研院所在这一领域的最新进展，及时吸收消化优秀的研究成果，尽快形成具有我国核工业特色的MBSE，提高我国核动力装置的总体设计水平。