◆鄭明光 / 文

核能是20世紀人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，為社會的發(fā)展做出了重要貢獻，全球約450個機組貢獻了全世界所需電力的約11%，其中中國大陸有38臺機組正在運行，并有18臺機組正在建設中。上海核工程研究設計院（SNERDI，簡稱上海核工院）作為一家具有近50年核電設計經(jīng)驗的綜合性設計院，全力參與和支持了即將發(fā)電的具有AP1000三代核電技術(shù)的中國浙江和山東的4臺機組，而目前正在采用數(shù)字化設計的方法，全力推進CAP1400的設計。

核能是人類可持續(xù)發(fā)展的核心能源之一，但是核能如何確保自身的可持續(xù)發(fā)展，從技術(shù)上徹底消除再發(fā)生福島事故的可能性，在提高安全性的同時具備良好的經(jīng)濟性，同時帶動全球產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，是上海核工院一直努力的方向。上海核工院目前承擔了國家重大專項CAP1400示范工程，聯(lián)合清華大學、上海交通大學和上海電氣集團、沈鼓集團等國內(nèi)外上百家核電上下游科研院校和企業(yè)，開展了大量的非能動系統(tǒng)和設備試驗、抗大型商用飛機撞擊試驗、反應堆保護系統(tǒng)研發(fā)、福島事故后設計增強等一系列研究，切實提高了CAP1400的安全性和經(jīng)濟性，帶動了上下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。

在CAP1400的研發(fā)過程中，得益于數(shù)字技術(shù)的高度發(fā)展，上海核工院圍繞核心業(yè)務，依托IT技術(shù)，探索工業(yè)化與信息化兩化融合，正在全力推進、完善應用于核電設計的智能數(shù)字化設計體系。整個體系以數(shù)據(jù)中心為基礎，通過研發(fā)、設計牽引和推動制造、建造、驗證和運維的核電全壽期，綜合利用大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、仿真平臺、專家診斷系統(tǒng)等各種數(shù)字化工具，融入質(zhì)量管理體系的各方面要求，深度改變了原始的設計流程和設計方法，提高了設計效率，改進了設計質(zhì)量，并帶動著整個產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量提升。

綜合數(shù)據(jù)中心保障數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)字化設計的基礎是建立一個綜合的數(shù)據(jù)中心，包括二維設計數(shù)據(jù)中心、三維設計數(shù)據(jù)中心、分析計算數(shù)據(jù)中心、模擬驗證數(shù)據(jù)中心等，將整個核電廠全壽期的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行集中有序管控，包括數(shù)據(jù)的收集、驗證、傳輸、交互、關聯(lián)、管理、使用及變更，確保所有流程使用的數(shù)據(jù)都有唯一的來源，并且在數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間建立關聯(lián)，如在數(shù)據(jù)與物項、模型、過程、資源、文件、規(guī)則、分析以及決策之間建立全方位的關聯(lián)。舉一個簡單例子來說，如果熱工水力計算結(jié)果提升了流量需求，將自動反映給流體系統(tǒng)的管道尺寸設計和閥門設備設計系統(tǒng),繼而觸發(fā)力學計算確認等系列需求。數(shù)據(jù)的集中存儲，為知識管理奠定了非常好的基礎，便于知識的傳承，根據(jù)終端的不同需求可實現(xiàn)多樣化的數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式，并為專家支持系統(tǒng)提供強有力的基礎數(shù)據(jù)。

一體化設計平臺保障規(guī)則落實和協(xié)同。在綜合數(shù)據(jù)中心的基礎上，建立全院各專業(yè)協(xié)同的一體化數(shù)字化設計平臺，配合云平臺技術(shù)，上海核工院的員工可以在全球任何地方，只需要一臺電腦和網(wǎng)絡，就能實現(xiàn)多專業(yè)之間的協(xié)同設計。設計平臺融合了數(shù)字化的專家知識和設計規(guī)則，實現(xiàn)設計過程由專家系統(tǒng)完成智能化自動診斷并完成自動迭代，將原來上下游文件傳遞轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)直接傳遞，為實現(xiàn)“一鍵式”設計遠景奠定基礎。

可視化設計降低設計成本。數(shù)字化設計實現(xiàn)了系統(tǒng)和設備設計過程、設計結(jié)果的可視化，實現(xiàn)設計、力學、布置的一體化，而且設計的圖紙可以直接傳遞給制造廠進行加工制造，給設計、制造、布置等帶來了極大的便利，顯著提高了設計制造效率并降低了成本，對整個核電制造產(chǎn)業(yè)鏈的能力提升起到了非常好的引領示范作用。

模塊化設計提高建造效能。數(shù)字化設計更加便于采用模塊化設計，CAP1400的核島共設計了50個機械設備模塊和81個結(jié)構(gòu)模塊，這些模塊都可以在工廠事先進行定制，或者在現(xiàn)場進行并行制作，然后到現(xiàn)場進行吊裝和安裝，可以極大地提高模塊內(nèi)部的制造精度，縮短核電廠的總體建造周期，從而顯著提高經(jīng)濟性。模塊化的設計提供的“積木式”建造，也更加便于為不同業(yè)主的個性化需求提供菜單式選擇服務。

數(shù)字化驗證提高經(jīng)濟性安全性。數(shù)字化仿真為設計驗證提供了非常便捷、經(jīng)濟的途徑，通過強大的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，節(jié)省了原本需要大量試驗所帶來的經(jīng)濟成本、時間成本和環(huán)境破壞；優(yōu)化設計階段的人因工程研究和嚴重事故模擬，極大地優(yōu)化了核電廠運行的人機界面和改善了安全性。比如由高強度混凝土構(gòu)成的屏蔽廠房，通過嚴格的數(shù)字化模擬驗證飛機撞擊產(chǎn)生的振動效應、燃燒效應、爆炸效應等，確保能夠承受大型商用飛機撞擊，為核電廠的安全運行提供了強有力的保障。

數(shù)字電廠提供全壽期服務。智能數(shù)字化設計不再是向業(yè)主簡單交付一套設計圖紙，而是包含了所有設計成果的整個數(shù)字電廠，為業(yè)主提供了非常全面精準的設計信息，包括形象的三維動態(tài)模型、模擬主控室等，對核電廠的工作人員了解核電廠、操縱員培訓等提供了非常便捷的功能，更重要的是，數(shù)字電廠還提供了更好的全壽期服務。在核電廠長達60年甚至更長的運行過程中，核電廠的運行狀態(tài)可以實時反映到數(shù)字電廠中，利用大數(shù)據(jù)平臺的分析和預測能力，動態(tài)顯示電廠的即時風險，分析故障率較高的設備類型，預測未來可能的故障形式和時間，為維修方案的選擇提供快速的定量風險依據(jù)，協(xié)助業(yè)主設計出更合理的庫存比例和更精準的動態(tài)檢查計劃，切實提高核電廠的安全性和經(jīng)濟性。

安全是核能發(fā)展的根本，質(zhì)量是核能安全的基礎。為了確保核能的安全，上海核工院綜合考慮國際原子能機構(gòu)、國家核安全局、美國機械工程師學會和國際標準化組織關于質(zhì)保的要求，建立了一套嚴格、整合型的質(zhì)量保證管理體系。而隨著近年智能數(shù)字化設計、管控現(xiàn)代化的要求，上海核工院在原有設計質(zhì)量管理平臺的基礎上，同步升級并持續(xù)改進數(shù)字化、可視化的設計質(zhì)量管控系統(tǒng)。

設計質(zhì)量管控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化設計的流程特點，優(yōu)化甚至重建設計流程，在數(shù)字化流程中充分融入人員資格管理、流程管理等大量的質(zhì)保要求，并通過系統(tǒng)鎖定管控規(guī)則以避免人因錯誤，提供了設計全過程的自動、實時、透明、規(guī)范的監(jiān)督功能。數(shù)字化的設計平臺能夠記錄全部過程質(zhì)量信息，提供強大的質(zhì)量趨勢分析功能和質(zhì)量追溯功能，并建立設計過程知識庫，實施設計過程知識管理，為知識形成、應用和傳承奠定基礎。例如，我們將采購合同系統(tǒng)與合格供方數(shù)據(jù)庫聯(lián)鎖，確保所有合同只能和經(jīng)過嚴格篩選的合格供方簽署；我們將設計人員資格與設計流程聯(lián)鎖，從設計平臺上保證了所有工作是由有資格的人員來執(zhí)行的；我們設置了個人質(zhì)量統(tǒng)計規(guī)則和排序、報警規(guī)則，系統(tǒng)將自動提醒質(zhì)量降級風險。

數(shù)字化設計是一個持續(xù)升級和優(yōu)化的過程，需要在實踐中不斷完善，我們正在將這一整套系統(tǒng)應用于模塊化小型堆設計上，并取得了比較好的效果。

智能數(shù)字化設計帶來設計流程的顛覆，極大改變工作方式的同時也帶來巨大的變革挑戰(zhàn)。比如數(shù)字化設計過程帶來全數(shù)字化的流程，如何確保過程和結(jié)果得到有效的質(zhì)量監(jiān)督，以及在發(fā)現(xiàn)問題時明確責任？比如設計流程的變更帶來對人員能力要求的變化，以及組織結(jié)構(gòu)如何適應數(shù)字化流程？甚至，數(shù)字化設計的推廣將可能改變整個產(chǎn)業(yè)鏈的布局和分工，帶來行業(yè)的革命性變化。

核能是人類發(fā)展和幸福生活的能源基礎，而質(zhì)量和安全是核能的生命線，智能數(shù)字化設計將極大提升核能質(zhì)量和安全，為人類奉獻清潔、安全、高效的能源，并將持續(xù)改變整個世界。

上海核工院一直秉承開放交流的態(tài)度，積極參與ASQ、IAQ、EOQ等國際高層次質(zhì)量平臺的各種活動，Gregory H. Watson等國際質(zhì)量專家也多次來院交流，使我院能夠吸取更多頂級質(zhì)量理念，促進質(zhì)量工作的提升，我們熱烈歡迎各位專家有機會能夠到上海核工院去指導、交流。