MBSE在核能数字化总体设计中的应用探析

2022-05-24李永华刘筱雯闫锋哲

科技视界 2022年10期

李永华刘筱雯汪俊闫锋哲

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

小微型核反应堆是核能领域近年来的研发热点。可以为偏远海岛和矿区、海洋开发、深海探索和太空探索等创新的应用场景提供长续航可靠能源，具有广阔的市场前景。与传统大中型压水堆核电厂相比，小微型核反应堆应用场景和用户需求有显著差异，技术要求和技术方案差异巨大，而且大多处于概念设计和关键技术攻关阶段，技术成熟度较低。作为典型的复杂系统，核能小微型反应堆具有应用场景新、参照对象少、关键技术成熟度低、技术风险大、涉及专业多、研发周期长、投资成本高等特点。在方案总体设计阶段，存在创新应用场景下需求难以完整分解、总体方案难以权衡和固化、频繁需求变更管理困难等问题。具体来说：

（1）创新的应用场景带来需求难以完整分解的问题。

小微型核反应堆应用场景和用户需求与传统大中型压水堆核电厂有显著差异，顶层技术要求与核电厂也有较大的差异。除了具备安全发电能力外，可能还要具备可运输性、可移动部署性以及复杂环境的适应性，而且运行方式、维修和换料方式也与传统大型核电厂发电差异巨大。因而创新场景下需求分析难以仅凭行业经验分解出完整的需求。

（2）创新的应用场景带来总体设计方案难以固化的问题。

小微型核反应堆关键技术研发是创新应用场景下的新型反应堆研发，需要将顶层技术要求中的系统功能、性能指标以及与外部环境的接口逐层分解或转化，经过权衡和比选论证，固化反应堆各系统设计方案。另外，还需要协调各系统之间的功能和性能影响。最后各模块和系统方案经过验证，满足顶层技术要求。因而在方案总体设计过程中，对于技术成熟度较低、处于关键技术研发阶段的小微型反应堆来说，存在方案权衡和论证困难、迭代周期长、方案难以固化的问题。

（3）频繁的需求变更造成技术状态难以管理的问题。

以需求驱动的创新场景和全新小微型核反应堆产品，在整个产品设计、制造和运行等全寿期过程中，需求、方案和关键参数都可能面临着频繁的变更，难以管理。在需求论证阶段，用户需求和顶层技术要求修改的频繁。采用文档化的管理方式，“用户需求”“顶层技术要求”等总体需求文件频繁升版，以此作为输入的各系统设计文件都要进行修改，工作量巨大，而且人工难以对变更上下游影响及时追溯。在方案论证和总体设计阶段，需求、方案和关键技术参数选择面临反复迭代的情况，需求技术状态管理困难。采用文档化、定期升版相关文件的管理方式来进行需求技术状态管理，带来频繁的变更造成多个专业输入和设计参数混乱，各专业难以协同开展设计。

上述三个问题是核能小微堆反应堆研发中的共性问题，也是航空、航天等复杂系统相关行业近年来研发中的共性问题。产生这些问题的本质是，以前我国长期处于技术跟随的阶段，对于创新性思维、手段和方法的要求不高。现在我国逐步迈入引领世界技术发展的阶段，创新的过程中可以借鉴或参考的行业经验很少。所以需要采用先进的研发方法、流程和工具，解决复杂系统研发中的上述共性问题，提升总体设计能力，推动我国行业创新。

本文首先研究国内外相关行业解决此类共性问题的思路，之后对采用基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，MBSE）进行简要介绍，再对MBSE应用于核能总体设计的思路进行分析，最后给出结论。

1 国内外研究现状

1.1 国外现状

国外军工、航空、航天等复杂系统行业经历了系统工程和MBSE两个阶段，通过不断尝试和推进先进的研发方法、流程和工具，提升复杂系统的总体设计和集成能力。

美国和欧洲在航空、航天、军工等行业具有长期实施系统工程的经验。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）20世纪60年代开始实施的“阿波罗计划”是系统工程应用的成功典范。20世纪90年代末开始，Boeing、AirBus、Lockheed Martin等公司使用数字化技术进行了大规模应用实践。2007年，国际系统工程协会（International Council on System Engineering,INCOSE）受软件工程的启发，结合各行业多年数字化技术研究和实践成果，提出了MBSE的概念。为了进一步提升研发能力、缩短研发周期，NASA、Raytheon、THALES、AirBus等公司开始MBSE的探索。AirBus、Lockheed Martin等公司应用基于模型的需求工程来驱动产品研制；Boeing公司使用MBSE方法和工具研制波音787；Raytheon使用MBSE方法和工具进行反导系统设计。2018年，美国国防部发布数字工程战略，将以文档为中心转变为以数字模型为中心，构建贯通全生命周期的数据流、提升快速响应和协作的能力。军工、航天、航空等复杂系统行业也将逐步转向以数字模型为中心的研发模式。

1.2 国内现状

我国航天领域在钱学森的指导下，长期采用系统工程思维开展工作。钱学森提出了系统工程的定义，指出系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。以此为基础，航空领域近年来在MBSE方面进行了多个试点。

航空领域在2013年左右开始，基于INCOSE的系统工程方法在中航工业进行试点和系统性推广，已经完成了多个MBSE试点项目。

基于两个行业系统工程的积累和MBSE的实施经验，认为需要逐步推进系统工程和MBSE实施，从基于文档的系统工程逐步向基于模型的系统工程转变。

在核能领域，2018年左右开始，广核研究院的浮动核电站和铅铋堆试点了某二级系统MBSE；国电投上海核工院试点了非能动堆芯冷却系统的MBSE建模；中核集团原子能院试点了微堆需求条目化管理，核动力院依托数字反应堆项目实施反应堆多专业协同设计等。

目前系统工程和MBSE在核能领域应用基础薄弱、缺少经验，推进较慢。需要梳理和完善相关技术资料，形成基于文档的系统工程的型号研发，再逐步向基于模型的系统工程转变。

2 MBSE概述

2007年，INCOSE首次提出MBSE定义：基于模型的系统工程是对系统工程活动中建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有的生命周期阶段。

MBSE主要通过形式化的建模方法和标准化的建模语言来构建需求模型、架构模型、仿真模型等，实现“需求→功能→逻辑→物理架构”的逐层分解和分配。因而，MBSE具有以下特征：

（1）自顶向下开展正向设计。以系统工程正向设计方法和流程为基础，以需求为驱动，梳理系统需求与架构和方案的逻辑关系，确保产品满足用户需求和顶层技术要求，降低项目风险；

（2）系统设计形成单一数据源。在需求和架构等各阶段、各专业间采用单一数据源，可有效消除数据与信息的歧义，确保研发设计质量，提升协同设计效率；

（3）设计数据具有连续性。遵循系统工程的正向设计流程，实现需求和架构数据的关联性与可追溯性，可有效管控变更，提升设计效率。

实施MBSE有利于应用场景、功能、需求的捕获及验证，保证需求完整性；形成“需求→功能→逻辑→物理架构”全过程数字化正向设计过程，并能够保证单一数据源以及数据的关联及追溯，整体提升研发效率。而且结合已有型号验证设计过程，可形成标准化的产品模型库，如需求、场景、功能、设备、指标等，支持新型号的继承与复用；文档中设计流程模型化，规范及固化设计经验；基于固化知识培养工程师，降低学习过程中对人的依赖，最终实现知识复用及经验继承。

因而，在核能小微型反应堆总体设计时应用MBSE，预计可以解决需求难以分解完整、方案难固化、需求难管理的问题，助力项目开发出满足用户需求的核能小微型反应堆。

3 MBSE应用于核能数字化总体设计的思路

核能行业在系统工程和MBSE应用基础薄弱、缺少经验，需经过用户、复杂装备供应商、建模软件提供商等所有参与单位数年的努力，分阶段实施，才能逐步实现国外在MBSE和数字工程的目标。

考虑核能领域实施系统工程基础、国内实施MBSE软件基础和环境等，以及以解决核能小微型反应堆总体设计相关问题为目标，可以首先依托一个型号研发项目，策划一个基于MBSE的核能反应堆型号总体设计平台。以系统工程方法论为理论基础，将系统工程关键流程应用到核能小微型反应堆型号研发总体设计，并调研和采用适用的工具链，创建基于MBSE的反应堆型号数字化总体设计平台。在核能行业内多个集团和项目逐步推广后，最终提升核能行业整体研发能力。

基于MBSE的总体设计平台，基于微型反应堆运行场景、功能分析、逻辑架构设计和指标分解，使用SysML进行需求建模，支撑需求分析、方案论证和方案设计。

后续随着设计深入和项目进展，可以逐步扩展。如在总体和初步设计阶段，基于功能模型和性能指标，使用Modelica、CATIA和ANSYS等进行系统设计，支撑系统设计和验证。在集成测试阶段，基于试验设计和孪生模型，使用SysML和Modelica等虚拟实验或半实物实验。运维阶段，基于监测数据和孪生模型，使用Modelica等进行故障预测和健康状态管理，支撑智能运维。

基于MBSE的反应堆型号研发设计管理平台可由西门子、达索、IBM以及同元、华望、国睿等国内外软件提供服务，并且在航空航天领域有多个实践经验，具有可行性。