趙金嬋 劉 燁 后 接

1(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引 言

釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)TMSR是中科院先導(dǎo)研究專項(xiàng)之一，其戰(zhàn)略性目標(biāo)是研發(fā)第四代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)RPS(Reactor Protection System)在啟動和運(yùn)行過程中的目的是保證反應(yīng)堆的安全，限制反應(yīng)堆在允許的范圍內(nèi)運(yùn)行，緩解事故后果，保護(hù)環(huán)境及人員的安全[1]。

TMSR-SF1(10MW固態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆)擬自主研制基于FPGA的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)。TMSR-SF1保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析是樣機(jī)研制中的一項(xiàng)重要工作。2015年7月，國家核安全局發(fā)布了《關(guān)于開展核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集工作的通知》，要求各核電廠運(yùn)營單位開展核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集工作[2]。根據(jù)TMSR仿真堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格說明書，在保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，有必要進(jìn)行測試驗(yàn)收。一方面是FPGA板卡和模塊板卡的性能測試，另一方面是信號處理和邏輯處理的功能測試。

當(dāng)今世界上凡是擁有核電的國家，對建立核電廠數(shù)據(jù)庫的工作極為重視。如美國核電運(yùn)行研究所、日本核情報信息中心等，都建立了核電運(yùn)行信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了核電領(lǐng)域的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋。我國核電事業(yè)進(jìn)入發(fā)展階段，核動力運(yùn)行研究所的邵菊英等研制了核電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)庫；中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所的楊坤等研究設(shè)計(jì)了有關(guān)于反應(yīng)堆退役廢物信息的管理系統(tǒng)；海南核電有限公司的王靜等分析研究了核電設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫的建立，對核電廠各方面的數(shù)據(jù)管理需求提出了研究方案。本文的數(shù)據(jù)管理平臺是在借鑒國內(nèi)外核電廠信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合TMSR-SF1保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)。根據(jù)TMSR-SF1保護(hù)系統(tǒng)模擬裝置的測試大綱要求，自主研究設(shè)計(jì)了獲取測試數(shù)據(jù)的采集方案和獲取了部分測試數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上探索保護(hù)系統(tǒng)信息管理平臺的功能和需求，從管理員和普通用戶的角度出發(fā)，分析了數(shù)據(jù)處理流程，設(shè)計(jì)了信息管理平臺為現(xiàn)有文件資料的歸檔整理及相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計(jì)分析等提供了技術(shù)保障和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)選擇基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲，通過確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把關(guān)聯(lián)表格通過完整性約束進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使用軟件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行上層應(yīng)用的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理的需求。與傳統(tǒng)的文件管理方式相比，該系統(tǒng)提高了檢索、分析、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的速度，也提高了工程管理人員的工作效率。

1 數(shù)據(jù)管理的需求分析

反應(yīng)堆的安全運(yùn)行是以組成系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行為基礎(chǔ)的。為了提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性，需對設(shè)備進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)全面的管理，建立有效的設(shè)備可靠性管理體系[3]。保護(hù)系統(tǒng)的范圍包括從與參數(shù)測量有關(guān)的敏感元件，到產(chǎn)生保護(hù)動作的電氣部件、機(jī)械部件及電纜等。采用試驗(yàn)法進(jìn)行質(zhì)量鑒定，即通過對工程樣機(jī)實(shí)體進(jìn)行必要的試驗(yàn)，確認(rèn)系統(tǒng)的功能、性能和環(huán)境適應(yīng)性是否滿足項(xiàng)目法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；評價樣機(jī)的可靠度水平是否能夠達(dá)到既定的目標(biāo)，樣機(jī)組成的系統(tǒng)是否符合安全性有效性指標(biāo)要求。

TMSR-SF1保護(hù)系統(tǒng)模擬裝置的設(shè)計(jì)是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)的自主研制歷經(jīng)原理樣機(jī)、原型樣機(jī)、工程樣機(jī)階段。各個階段的研制和測試過程產(chǎn)生了大量的文件和數(shù)據(jù)，文件資料包括：設(shè)計(jì)文件、電路設(shè)計(jì)圖、原理樣機(jī)文件、原型樣機(jī)文件、系統(tǒng)安裝圖、系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖、設(shè)備明細(xì)表單等。數(shù)據(jù)資料包括：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、可靠性數(shù)據(jù)、定值數(shù)據(jù)、元器件清單以及測試驗(yàn)收過程中產(chǎn)生的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文件以及前期測試數(shù)據(jù)是確保工程質(zhì)量的重要內(nèi)容。如果通過原始文件的形式查閱大量資料，是一項(xiàng)復(fù)雜而又浪費(fèi)人力的工作。而對于TMSR核能保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理目前尚沒有一個更好的解決方案，設(shè)計(jì)和開發(fā)便于保護(hù)系統(tǒng)研制的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對于安全級保護(hù)系統(tǒng)的研制乃至其他系統(tǒng)的研制和驗(yàn)證過程都是一個有益的嘗試。

保護(hù)系統(tǒng)模擬裝置的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，主要面向工程管理人員和有工程數(shù)據(jù)使用權(quán)限的人員。為保證系統(tǒng)的安全高效性，按照應(yīng)用需求和數(shù)據(jù)使用、分析關(guān)系，簡潔梳理、分析了幾類用戶的數(shù)據(jù)處理類型及流程：

(1) 文件管理。管理員根據(jù)文件資料類型建立資料庫，進(jìn)行文件的分類上傳、修改、刪除等操作。用戶可以根據(jù)文件的名稱屬性、版本屬性訪問查詢下載的功能。

(2) 數(shù)據(jù)管理。管理員對測試數(shù)據(jù)分類錄入，把原始測試數(shù)據(jù)和計(jì)算所得誤差數(shù)據(jù)分類存儲，以便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。用戶按照分類查詢測試表，得到測試數(shù)據(jù)。

(3) 統(tǒng)計(jì)分析。管理員及用戶根據(jù)測試板的誤差數(shù)據(jù)，繪制誤差分析曲線，分析測試性能及測試結(jié)果。

(4) 用戶管理。管理員用戶對普通用戶具有管理權(quán)限，給工程內(nèi)部人員分配使用權(quán)限，登記新的用戶信息，定期清除工程外用戶。

具體的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

2 數(shù)據(jù)獲取

可靠性數(shù)據(jù)包括可靠度、失效率和平均故障時間等[5]。使用手冊查得每個元件的各個參數(shù)，計(jì)算元件的應(yīng)用失效率。將子卡中所有元件的失效率疊加，可得到相應(yīng)單元總的失效率[6]。測試數(shù)據(jù)是可靠性數(shù)據(jù)的重要組成部分，為保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行提供著數(shù)據(jù)支持。保護(hù)系統(tǒng)模擬裝置的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分為文件管理和數(shù)據(jù)管理兩部分。文件資料大部分來自于工程設(shè)計(jì)，而測試數(shù)據(jù)需要設(shè)計(jì)測試方案，搭建測試平臺，最終得到測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)的采集根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的處理原則：應(yīng)國家核安全局要求，核與輻射安全中心于2012年初完成了《核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集》初稿，文件參考了NUREG/CR-6823國內(nèi)運(yùn)行核電廠在設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時也充分考慮了保護(hù)系統(tǒng)安全分析工作中在數(shù)據(jù)分析方面的要求，設(shè)計(jì)了保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集方案[4]。

對不同類型的測試設(shè)計(jì)不同的測試方案。板卡的電源短路檢查，通過萬用表測量板卡的電源電阻，測量各個板卡電源對地電阻是否大于200 Ω，記錄電源電阻測試結(jié)果并錄入電子表格。性能測試通過搭建測試平臺收集數(shù)據(jù)，選擇NI PXI 6602機(jī)箱作為信號源，連接到保護(hù)系統(tǒng)機(jī)箱，在PCI計(jì)算機(jī)上搭建LABVIEW程序，控制信號產(chǎn)生與數(shù)據(jù)收集，如圖2所示。程序需設(shè)置接口波特率，數(shù)據(jù)比特長度等匹配NI PXI機(jī)箱中測試源信號。根據(jù)數(shù)據(jù)的精度分析需求誤差值小于0.5%，數(shù)據(jù)采集精度應(yīng)至少保留4位小數(shù)。在測試時輸入誤差計(jì)算公式，可以同時計(jì)算出測試誤差，并記錄在誤差表中，便于進(jìn)一步分析。

圖2 測試硬件連接圖

在板卡性能測試中，由于板卡類型種類多樣，根據(jù)不同類型板卡的測試需求需要NI PXI 6602機(jī)箱提供相應(yīng)的源信號以獲取不同的測試結(jié)果，測試要求如表1所示。通過LABVIEW搭建測試平臺，實(shí)現(xiàn)端口的讀寫控制，設(shè)定讀寫周期，自動獲取測試數(shù)據(jù)并實(shí)時記錄。在試驗(yàn)過程中發(fā)送性能測試所需信號量，再將接收到的十六進(jìn)制編碼按照規(guī)則解碼，得到最后結(jié)果。這是測試過程中數(shù)據(jù)的主要來源和對板卡分析的重要依據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)記錄到電子表格中，再通過數(shù)據(jù)庫的接口管理，導(dǎo)入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中，分析數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)以便進(jìn)一步的軟件開發(fā)。

表1 性能測試信息表

功能模塊測試主要針對通信協(xié)議的發(fā)送及解析，各個子模塊之間采用的協(xié)議各不相同，需要逐一進(jìn)行測試。通信協(xié)議分為狀態(tài)顯示類、關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸類以及操作指令類。

測試時，測試設(shè)備按照協(xié)議格式，向待測模塊發(fā)送正確的數(shù)據(jù)，測試其是否進(jìn)行了正確地解析以及執(zhí)行相關(guān)的操作。另外，還會向待測設(shè)備發(fā)送錯誤的數(shù)據(jù)，測試其是否能夠進(jìn)行識別并且不會錯誤操作。待測設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)也會發(fā)送給測試設(shè)備，然后人為比較其是否與既定的協(xié)議相同，且輸出正確的數(shù)據(jù)。一旦輸入或輸出出現(xiàn)錯誤則分析原因進(jìn)行修正。各個子模塊的輸入輸出采取先獨(dú)立測試的方式，并記錄測試結(jié)果：正確或出錯。全部正確后，再將各子模塊按照實(shí)際運(yùn)行時的連接方式連接后進(jìn)行測試，測試結(jié)果通過輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)到測試設(shè)備進(jìn)行分析，并記錄結(jié)果：正確或出錯。最后將模塊集成到實(shí)際的設(shè)備中進(jìn)行系統(tǒng)測試，通過觀察系統(tǒng)的輸出進(jìn)行判斷，記錄結(jié)果：正確或出錯。按照表2通信要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收。

表2 功能測試信息表

3 數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系及存儲

通過收集、整理和分析保護(hù)系統(tǒng)的資料，確定了存儲數(shù)據(jù)，主要包括文件資料、原始測量數(shù)據(jù)和經(jīng)過誤差分析計(jì)算的派生數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)包含不同類型的板卡測試，相同類型的板卡又有不同項(xiàng)目的測試。例如TI溫度采集卡，需要測試其熱電偶模式下的電壓值、熱電阻模式下的電阻值、電源電阻值和計(jì)算得到的誤差值。把這幾種測試結(jié)果分別記錄到不同的表格中，并用外鍵的形式關(guān)聯(lián)起來，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。待測板還包括AI模擬電流采集卡、VI模擬電壓采集卡、DI數(shù)字隔離輸入采集卡、FI脈沖信號采集卡、DO數(shù)字隔離輸出采集卡、RS485通信子卡和FPGA主板。數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系如圖3所示。把不同的測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為不同的關(guān)系表，把不同的參數(shù)和測試條件轉(zhuǎn)化為不同的屬性列，把現(xiàn)實(shí)世界中的測試數(shù)據(jù)映射存儲到關(guān)系式數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中[7]。

圖3 數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系圖

在測試數(shù)量多，測試數(shù)據(jù)類型多樣的情況下，用手工錄入的方式幾乎是不可能的。因此采用數(shù)據(jù)庫接口批量導(dǎo)入的方法，讀取數(shù)據(jù)表格，將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，將文件的存儲路徑存入數(shù)據(jù)庫表中。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化管理，建立符合范式的數(shù)據(jù)庫表格，給軟件開發(fā)層提供良好的底層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件開發(fā)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)采用目前成熟的C/S構(gòu)架模式進(jìn)行軟件開發(fā)，如圖4所示。按照軟件開發(fā)的流程，從需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編程開發(fā)和測試等步驟進(jìn)行。

圖4 C/S架構(gòu)模式示意圖

4.1 概要設(shè)計(jì)

在準(zhǔn)確了解與分析用戶需求的基礎(chǔ)上，概要設(shè)計(jì)了包括業(yè)務(wù)及其數(shù)據(jù)流的劃分、數(shù)據(jù)接口驅(qū)動、模塊劃分和測試驗(yàn)證等相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容[8]。底層數(shù)據(jù)采用SQL Sever 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲和管理，應(yīng)用程序使用Delphi軟件進(jìn)行開發(fā)，ODBC采用ADO數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能主要分為3個模塊，如圖5所示。其中：數(shù)據(jù)管理分為性能測試模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊以及功能測試模塊；文件管理分為文件分類管理和文件上傳下載子模塊；用戶管理分為用戶信息查詢和用戶信息修改子模塊。

圖5 功能分解圖

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)主要規(guī)劃和設(shè)計(jì)如圖3所示的實(shí)體關(guān)系，包括實(shí)體的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)定義，目標(biāo)是滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、管理、應(yīng)用和分析使用。

4.3 編程開發(fā)

詳細(xì)編碼階段，文件管理模塊采用文檔管理服務(wù)器來控制所有文檔資料的操作，需要創(chuàng)建DCOM服務(wù)器，調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)托盤圖標(biāo)，應(yīng)用線程實(shí)現(xiàn)文件的上傳下載[9]。數(shù)據(jù)顯示模塊按照數(shù)據(jù)查詢需求調(diào)用查詢函數(shù)，使用DBgrid控件顯示數(shù)據(jù)。結(jié)果分析根據(jù)表1測試板合格標(biāo)準(zhǔn)，通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)板卡測試結(jié)果合格與否的查詢，并使用DBchart控件實(shí)現(xiàn)誤差分析曲線的繪制。

4.4 測試使用

測試使用文件管理系統(tǒng)的主界面如圖6所示。用戶可根據(jù)需求選擇文件資源集，對應(yīng)文件夾以樹形圖展示在左邊列表，并以文件的形式展示在右邊的文件列表中。用戶可以右鍵選擇進(jìn)行文件及文件夾的添加、修改及刪除功能，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、下載功能。界面的通用性比較高，所有數(shù)據(jù)資料均可由用戶指定上傳下載。在整理時可以根據(jù)資料集分類存儲，文件夾也是一種良好的分類方法。用戶可以通過文件或者文件夾的名稱進(jìn)行搜索功能，設(shè)計(jì)初期將工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖、設(shè)計(jì)明細(xì)、系統(tǒng)安裝圖導(dǎo)入其中進(jìn)行了良好的試驗(yàn)。

圖6 文件管理系統(tǒng)

測試數(shù)據(jù)主要是為了便于檢索，主界面的布局采用數(shù)據(jù)表的形式展示。從性能測試、功能測試以及統(tǒng)計(jì)分析三方面進(jìn)行管理。性能測試按照板卡類型，板卡編號，測試內(nèi)容選擇。板卡類型包括AI(VI、DI、FI、TI、DO)，板卡編號對應(yīng)板卡類型，測試內(nèi)容包括電阻測試和信號采集測試。用戶可根據(jù)需求查詢?yōu)g覽表格中測試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 測試結(jié)果

測試板的性能變化趨勢和統(tǒng)計(jì)分析從誤差表中獲取數(shù)據(jù)。根據(jù)所選板卡類型以及板卡編號點(diǎn)擊統(tǒng)計(jì)分析，把不同板卡用不同類型曲線表示，反映具體板卡的誤差變化趨勢，如圖8所示。可以通過消除按鍵刪除測試結(jié)果中明顯異常的變化曲線，以消除對整體趨勢的影響。

圖8 統(tǒng)計(jì)分析

5 結(jié) 語

本文分析了保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的多樣性及測試過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，探討了測試工作中數(shù)據(jù)采集的方法。針對測試數(shù)據(jù)缺乏信息化、系統(tǒng)化的實(shí)際問題，提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)的可行方案，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，解決了保護(hù)系統(tǒng)文件管理、測試數(shù)據(jù)的管理與查詢，為保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析提供了重要依據(jù)。把保護(hù)系統(tǒng)模擬裝置數(shù)據(jù)管理軟件應(yīng)用在現(xiàn)有的資料管理上，實(shí)現(xiàn)了資料的分類檢索、錄入和存儲。對測試數(shù)據(jù)的管理，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確快速的查詢，給保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析提供重要的依據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用測試表明該數(shù)據(jù)庫使用速度快而且安全穩(wěn)定。這一應(yīng)用節(jié)約了用戶通過存儲介質(zhì)管理文件檢索數(shù)據(jù)的空間和時間，給實(shí)際的工作中帶來了便利。TMSR-SF1保護(hù)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)是TMSR-SF1工程數(shù)據(jù)庫的組成部分，工程數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)種類更加繁多，對今后工程數(shù)據(jù)庫的建立具有參考價值。