／核工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所 張亮 高明／

信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠三維結(jié)構(gòu)模型及其解決方案

／核工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所 張亮 高明／

在綜合分析數(shù)字化核電廠建設(shè)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，構(gòu)建了信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠的三維結(jié)構(gòu)模型，分為業(yè)務(wù)維、應(yīng)用維和路線維?；谌S結(jié)構(gòu)模型理論，采用企業(yè)架構(gòu)（EA）方法分析信息化建設(shè)如何滿足數(shù)字化核電廠業(yè)務(wù)需求，給出了數(shù)字化核電廠的總體業(yè)務(wù)架構(gòu)和應(yīng)用架構(gòu)，指出了信息化環(huán)境下應(yīng)重點(diǎn)建設(shè)數(shù)字化核電廠信息管理平臺和多個智能應(yīng)用系統(tǒng)，可以為核電企業(yè)數(shù)字化核電廠建設(shè)工作提供參考。

信息化；數(shù)字化核電廠；三維結(jié)構(gòu)模型；業(yè)務(wù)架構(gòu)；應(yīng)用架構(gòu)

0 引言

隨著核電信息化的發(fā)展，對于“數(shù)字化核電廠”定義及其內(nèi)涵還存在不同見解，傳統(tǒng)意義上的數(shù)字化核電廠研究大多集中在數(shù)字化設(shè)計(jì)、控制以及仿真計(jì)算方面，以核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)和數(shù)字化反應(yīng)堆計(jì)算軟件平臺為代表，側(cè)重于在電廠規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行過程中數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用以及電廠的數(shù)字化運(yùn)行、監(jiān)測和控制。在信息化環(huán)境下，數(shù)字化核電廠更需要考慮對電力生產(chǎn)和企業(yè)運(yùn)營管理的全面支撐，在確保核電廠安全可靠運(yùn)行的同時，為打造信息化核電企業(yè)提供明晰的電子化流程和翔實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提升核電企業(yè)管理水平。

1 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠建設(shè)現(xiàn)狀

核電運(yùn)營企業(yè)及旗下核電廠在“十二五”期間加大了信息化建設(shè)，建成了核電生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)、人財物一體化平臺[1]、企業(yè)內(nèi)容管理系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)信息化套裝軟件，信息化水平顯著提高，信息化已全面滲透到核電企業(yè)各個管理領(lǐng)域和各項(xiàng)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，有效支撐了企業(yè)和電廠的科學(xué)發(fā)展。以設(shè)計(jì)為龍頭，位于核電產(chǎn)業(yè)鏈的中端的核電工程公司發(fā)布了“四柱一面”核電項(xiàng)目管理信息化體系[2]，作為其在數(shù)字化建設(shè)上取得的階段性成果，其中“四柱”分別指“設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)”、“采購管理系統(tǒng)”、“施工管理系統(tǒng)”、“調(diào)試管理系統(tǒng)”，“一面”指“項(xiàng)目管理信息平臺”。

信息化環(huán)境下，縱觀我國目前數(shù)字化核電廠的建設(shè)現(xiàn)狀，雖然核電企業(yè)在數(shù)字化建設(shè)上已經(jīng)有較大的投入和應(yīng)用，但是仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在：

1）數(shù)字化核電廠的建設(shè)理念不清晰，與信息化企業(yè)概念混淆。有人認(rèn)為將核電信息管理系統(tǒng)與生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)系統(tǒng)相結(jié)合就是數(shù)字化核電站，有人將三維虛擬核電廠理解為數(shù)字化核電站[4]，也有人將核心業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)實(shí)施理解為數(shù)字化核電建設(shè)。數(shù)字化核電廠通過更全面、更合理的電廠數(shù)據(jù)采集、整合和分析優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電廠的數(shù)字化規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營和管理，而信息化企業(yè)是在先進(jìn)管理理念指導(dǎo)下，以信息技術(shù)為依托，建立覆蓋整個企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)和一體化（多個）企業(yè)級信息系統(tǒng)。

2）核電廠全壽期各階段仍存在信息孤島，工程期與運(yùn)營期之間缺乏數(shù)字化移交。核電設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)行及維護(hù)等階段的數(shù)據(jù)信息之間沒有有效的關(guān)聯(lián)，造成信息孤島，尤其是核電工程（承包方）和核電運(yùn)營（業(yè)主/運(yùn)行方）信息系統(tǒng)各自建設(shè)，在工程移交階段，通常不提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，只有“成包”的圖紙、文檔。工程方和運(yùn)營方數(shù)據(jù)移交的方式、過（流）程不嚴(yán)謹(jǐn)和規(guī)范，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性沒有保證；運(yùn)營方需要花大量的人力和時間，從海量移交資料中手工整理、抽取、加工所需的信息和文檔。

3）核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用集成缺少技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)規(guī)范。在技術(shù)方面，缺乏企業(yè)級面向服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化集成規(guī)范，導(dǎo)致核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間集成要過多的考慮報文轉(zhuǎn)換、接口標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)問題。在數(shù)據(jù)規(guī)范方面，特別是主數(shù)據(jù)，例如SSC（構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備）、物資、文檔缺乏面向核電企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)之間的編碼規(guī)范等，進(jìn)一步造成行業(yè)信息交流困難。

2 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠三維結(jié)構(gòu)模型

在綜合數(shù)字化核電廠建設(shè)現(xiàn)狀和各種定義[6-9]的基礎(chǔ)上，同時考慮數(shù)字化核電廠的發(fā)展趨勢等因素，構(gòu)建了信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠的三維結(jié)構(gòu)模型，即數(shù)字化核電廠業(yè)務(wù)維、數(shù)字化核電廠應(yīng)用維和數(shù)字化核電廠路線維，如圖1所示。

圖1 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠三維結(jié)構(gòu)模型

2.1 數(shù)字化核電廠業(yè)務(wù)維

數(shù)字化核電廠業(yè)務(wù)維從核電廠全壽期角度考慮，以單個核電廠為研究對象，覆蓋了電廠項(xiàng)目前期、工程建造、移交接產(chǎn)、運(yùn)行維護(hù)直至退役的全部過程，要實(shí)現(xiàn)整個過程的數(shù)字化，應(yīng)建立“橫向貫通”的信息化平臺，集成和共享各個環(huán)節(jié)中重要物理對象（例如廠房、系統(tǒng)、設(shè)備等）和工作對象（例如設(shè)計(jì)信息、采購信息、施工信息等）。特別是在移交接產(chǎn)環(huán)節(jié)，核電工程方（承包方）和核電運(yùn)營方（業(yè)主/運(yùn)行方）都已有各自信息化平臺的情況下，需要重點(diǎn)研究數(shù)字化移交的流程、方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2.2 數(shù)字化核電廠應(yīng)用維

數(shù)字化核電廠應(yīng)用維分為SSC（構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備）物理對象層、數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化管理和智能化分析。SSC物理對象層包括電廠的構(gòu)筑物、系統(tǒng)、設(shè)備等，是一個物理核電廠的分解結(jié)構(gòu)；數(shù)字化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了對物理核電廠信息采集、計(jì)算和監(jiān)控，以核反應(yīng)堆計(jì)算軟件、電站數(shù)字化儀空系統(tǒng)（DCS）、實(shí)時數(shù)據(jù)庫（PI）等為代表；數(shù)字化管理實(shí)現(xiàn)了核電廠的智能設(shè)計(jì)管理、敏捷采購管理、協(xié)同施工管理、生產(chǎn)運(yùn)行管理、人財物集約化管理以及企業(yè)內(nèi)容管理，主要以三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)、倉儲采購系統(tǒng)、現(xiàn)場施工系統(tǒng)、企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（EAM）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、企業(yè)內(nèi)容管理（ECM）等為代表，是信息化環(huán)境下信息化平臺的主要著力點(diǎn)；智能化分析主要面向企業(yè)的經(jīng)營決策分析，以商業(yè)智能（BI）、大數(shù)據(jù)技術(shù)等為代表。例如以SSC設(shè)備為研究對象，DCS系統(tǒng)采集監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步傳輸?shù)綄?shí)時數(shù)據(jù)庫（PI）中，PI通常會和電廠生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備巡檢信息接口，進(jìn)而觸發(fā)工單；EAM工單管理流程中，工單物料成本發(fā)生后，在ERP中實(shí)現(xiàn)成本歸集，并觸發(fā)工單物料補(bǔ)貨流程；最后使用智能化分析技術(shù)研究電廠庫存優(yōu)化、預(yù)測性維修等。

2.3 數(shù)字化核電廠路線維

數(shù)字化核電廠路線維代表了對數(shù)字化核電廠發(fā)展的展望，核電技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，自動化水平已經(jīng)很高，在信息化環(huán)境下，或者是信息化和工業(yè)化融合環(huán)境下，數(shù)字化核電已經(jīng)上升為核電企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。數(shù)字化核電是智能化核電的基礎(chǔ)和落腳點(diǎn)，智能化階段與數(shù)字化階段是重疊關(guān)系，而不是順序關(guān)系，同樣智能化與智慧化也是重疊關(guān)系，本文提出智能化的下一個發(fā)展階段是智慧化，并且認(rèn)為智慧化核電與第四次工業(yè)革命“工業(yè)4.0”的概念是一致的。智慧化核電不再以單個核電廠或是單個核電企業(yè)為研究，更要結(jié)合電力體制改革、節(jié)能減排、能源互聯(lián)網(wǎng)等整個電力行業(yè)價值鏈開展研究。

在數(shù)字化核電廠三維結(jié)構(gòu)模型理論基礎(chǔ)上，首先要全面了解數(shù)字化核電廠業(yè)務(wù)需求，建立數(shù)字化核電廠的模型和參考架構(gòu)，然后需要有一套完整的方法論、工具和流程對數(shù)字化核電廠進(jìn)行建模、規(guī)劃、分析和優(yōu)化。依據(jù)上述定義和分析，結(jié)合中國核電信息化建設(shè)現(xiàn)狀，本文借鑒企業(yè)架構(gòu)EA方法分析IT建設(shè)如何滿足數(shù)字化核電業(yè)務(wù)需求，并給出解決方案。

圖2 數(shù)字化核電廠總體業(yè)務(wù)架構(gòu)

3 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠解決方案

EA方法是一種能夠?qū)⒔M織戰(zhàn)略目標(biāo)映射到信息技術(shù)（IT）建設(shè)目標(biāo)的藍(lán)圖規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，有利于實(shí)現(xiàn)IT建設(shè)與企業(yè)業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的緊密結(jié)合[5]。由于核電廠的業(yè)務(wù)復(fù)雜，尤其是在信息化環(huán)境下采用EA 方法能夠使核電全壽期業(yè)務(wù)流程得到系統(tǒng)的分析與梳理，使數(shù)字化核電廠建設(shè)得到全面而科學(xué)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，本章節(jié)重點(diǎn)介紹了業(yè)務(wù)架構(gòu)與應(yīng)用架構(gòu)。

3.1 數(shù)字化核電廠業(yè)務(wù)架構(gòu)

業(yè)務(wù)架構(gòu)定義了企業(yè)的業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)組織及管控模型和信息系統(tǒng)應(yīng)該如何支撐數(shù)字化核電廠的業(yè)務(wù)，自頂向下對核電廠的核心業(yè)務(wù)逐層分析，識別出數(shù)字化核電廠核心業(yè)務(wù)能力包括三個領(lǐng)域，即“經(jīng)營與決策領(lǐng)域”，“工程與運(yùn)營領(lǐng)域”，“支持服務(wù)與資源保障領(lǐng)域”。本文基于核電生命周期管理和核電價值鏈的角度，對業(yè)務(wù)領(lǐng)域進(jìn)一步分解為12個業(yè)務(wù)子領(lǐng)域， 業(yè)務(wù)子領(lǐng)域往下細(xì)分為業(yè)務(wù)活動（如圖2所示）。

1）經(jīng)營與決策領(lǐng)域：覆蓋核電企業(yè)戰(zhàn)略管理和企業(yè)決策層的業(yè)務(wù)過程，包括戰(zhàn)略管理，經(jīng)營管理，風(fēng)險與內(nèi)控管理3個業(yè)務(wù)子領(lǐng)域。

2）工程與運(yùn)營領(lǐng)域包括項(xiàng)目前期核電建造、核電運(yùn)營、電力銷售、退役延壽、市場開發(fā)5個業(yè)務(wù)子領(lǐng)域，也是數(shù)字化核電廠全壽期業(yè)務(wù)內(nèi)容。其中，核電建造主要面向核電的建造過程管理，核電工程方開展設(shè)計(jì)、采購、施工、調(diào)試的業(yè)務(wù)，同時開展生產(chǎn)準(zhǔn)備和工程移交的工作；核電運(yùn)營方主要是面向核電廠的運(yùn)行、維修和技改等工作，開展設(shè)備可靠性管理、配置管理、運(yùn)行管理、物資與服務(wù)管理以及工作管理等業(yè)務(wù)。

3）支持服務(wù)與資源保障領(lǐng)域包括安全與質(zhì)量，資源與保障，綜合與服務(wù)3個業(yè)務(wù)子領(lǐng)域，其中安全與質(zhì)量面向保障核電工程和經(jīng)營活動中的質(zhì)量與安全；資源與保障主要指核電工程期和運(yùn)營期活動所必要的資源保障和管理、技術(shù)等支持服務(wù)工作和流程等；綜合與服務(wù)面向核電日常企業(yè)運(yùn)作，提供綜合服務(wù)、后勤保障和管理。

3.2 數(shù)字化核電廠應(yīng)用架構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)字化核電廠對信息化需求的定義，應(yīng)用總體功能架構(gòu)如圖3所示，從應(yīng)用的功能層面來看，數(shù)字化核電廠的應(yīng)用可分為五個功能層面，自上而下分別為：訪問與展現(xiàn)層，決策支持層，經(jīng)營管理層，業(yè)務(wù)管理層，支持與服務(wù)層。根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域和用戶范圍，參考行業(yè)中核電企業(yè)的信息系統(tǒng)分布現(xiàn)狀，以及主流商業(yè)軟件產(chǎn)品和套裝軟件及解決方案的特點(diǎn)和功能，對應(yīng)用架構(gòu)功能藍(lán)圖進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)劃分。

圖3 數(shù)字化核電廠總體應(yīng)用架構(gòu)

其中，ERP（Enterprise Resource Plan）全稱企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)，定位于核電企業(yè)人財物一體化管理平臺，包括了人力資源管理、財務(wù)管理、采購物資及倉儲管理、售電管理、項(xiàng)目管理和經(jīng)營管理等。EAM（Enterprise Asset Management）全稱企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)，涵蓋了質(zhì)量、安全、環(huán)境與健康（QSHE）管理，設(shè)備管理與運(yùn)行管理，專業(yè)技術(shù)支持管理等業(yè)務(wù)。ECM（Enterprise Content Management）全稱企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)，以文檔管理為中心，結(jié)合OA，知識管理等方面的內(nèi)容，拓展實(shí)現(xiàn)對門戶，個人工作臺，文檔一體化管理，公文和文檔類的流程管理。BI（Business Intelligence）商業(yè)智能平臺包括了工程期工程項(xiàng)目管理駕駛艙、經(jīng)營管理駕駛艙、生產(chǎn)管理駕駛艙以及其他主題分析、指標(biāo)和報表等。EIP（Enterprise Information Portal）全稱企業(yè)信息門戶，主要包括了企業(yè)門戶和一些移動訪問終端。工程項(xiàng)目管理平臺包括了設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、施工管理系統(tǒng)、調(diào)試管理系統(tǒng)以及項(xiàng)目管控等多個信息化平臺。

從應(yīng)用架構(gòu)可以進(jìn)一步看出，除了上述業(yè)務(wù)系統(tǒng)之外，應(yīng)建立橫向貫通的數(shù)字化核電廠信息管理平臺，以及縱向集成的多個數(shù)字化核電廠應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字化核電廠信息管理平臺面向核電廠全生命周期，以SSC結(jié)構(gòu)為核心，實(shí)現(xiàn)核電從概念設(shè)計(jì)到延壽退役過程中所產(chǎn)生的各類生產(chǎn)、技術(shù)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和掛接，包括了前期數(shù)據(jù)、需求管理、SSC管理、3D模型數(shù)據(jù)管理等功能。將數(shù)字化電廠應(yīng)用系統(tǒng)分為移動應(yīng)用、智能應(yīng)用和大數(shù)據(jù)應(yīng)用三類，以智能應(yīng)用系統(tǒng)為核心，包括了虛擬檢維修（VR）、智能倉儲（RFID）、數(shù)字管網(wǎng)（GIS）等應(yīng)用。

4 結(jié)束語

數(shù)字化核電廠建設(shè)，必須先統(tǒng)一對數(shù)字化概念的認(rèn)識，基于三維結(jié)構(gòu)理論模型，提出使用EA方法論開展信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠建設(shè)規(guī)劃，進(jìn)一步提出了核電廠的業(yè)務(wù)架構(gòu)和應(yīng)用架構(gòu)。加強(qiáng)數(shù)字化核電廠的頂層規(guī)劃，從全壽期角度出發(fā)，業(yè)務(wù)應(yīng)用為核心，信息技術(shù)為手段，全面構(gòu)筑數(shù)字化核電廠，建設(shè)信息化核電企業(yè)。

在信息化環(huán)境下，數(shù)字化核電廠建設(shè)要對電廠已有信息系統(tǒng)資產(chǎn)利舊創(chuàng)新，而不是全面替換，重點(diǎn)建設(shè)數(shù)字化核電廠信息管理平臺和智能應(yīng)用系統(tǒng)。從長遠(yuǎn)看，建設(shè)數(shù)字化電廠是一項(xiàng)能夠提高核電廠運(yùn)行、管理水平的系統(tǒng)工程，在這一工程中，確保有效地拓展與利用電廠現(xiàn)有資源，通過信息化平臺和應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)施等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)全壽期協(xié)同與全產(chǎn)業(yè)互聯(lián)，提升業(yè)務(wù)分析與管理決策能力，全面推動各項(xiàng)業(yè)務(wù)的高效開展。

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