張 亮

(核工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所 北京 100048)

0 引 言

核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程需要多學(xué)科、多系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員共同參與，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)新的核反應(yīng)堆通常是一個(gè)漫長(zhǎng)、耗費(fèi)巨大的過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合使用計(jì)算機(jī)工具、信息化技術(shù)(簡(jiǎn)稱“數(shù)字化設(shè)計(jì)”)成為提高核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期不可或缺的手段。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，三維設(shè)計(jì)技術(shù)、集成開(kāi)發(fā)技術(shù)、高性能數(shù)值計(jì)算技術(shù)、虛擬驗(yàn)證技術(shù)、仿真分析技術(shù)等相繼在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)階段得到應(yīng)用[1]。將先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)與IT基礎(chǔ)設(shè)施、軟硬件系統(tǒng)以及反應(yīng)堆設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程整合，構(gòu)建面向反應(yīng)堆設(shè)計(jì)全過(guò)程的全面集成的設(shè)計(jì)工作環(huán)境是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

1 核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)分析

1.1 業(yè)務(wù)分析方法

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[2]。由于核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)復(fù)雜，采用EA 方法能夠使數(shù)字化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)架構(gòu)得到系統(tǒng)的分析與梳理，進(jìn)一步結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)對(duì)信息化需求的定義，推導(dǎo)出核反應(yīng)堆數(shù)字化設(shè)計(jì)的IT層次結(jié)構(gòu)。需要特別說(shuō)明的是，EA 的本質(zhì)是企業(yè)的價(jià)值架構(gòu)，在能夠創(chuàng)造價(jià)值的地方遵從利益相關(guān)者的要求，引入能夠?qū)崿F(xiàn)此領(lǐng)域利益的信息，并合并某些信息。如果全面集成的工作投入太多，將抵消集成帶來(lái)的價(jià)值。

1.2 數(shù)字化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)架構(gòu)

業(yè)務(wù)架構(gòu)的分析與建立是全面集成模型的核心與源頭，借鑒EA 方法，如圖1所示，從整體上分析反應(yīng)堆設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)過(guò)程，將反應(yīng)堆數(shù)字化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)領(lǐng)域分為項(xiàng)目管理層、型號(hào)開(kāi)發(fā)層以及基礎(chǔ)研究層。

圖1 核反應(yīng)堆數(shù)字化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)架構(gòu)

(1) 項(xiàng)目管理層: 項(xiàng)目管理層完成項(xiàng)目定義(包括項(xiàng)目組合/項(xiàng)目立項(xiàng)和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)組成)、流程與計(jì)劃分解，并監(jiān)控項(xiàng)目的執(zhí)行過(guò)程，管理項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的文檔數(shù)據(jù)。

(2) 型號(hào)開(kāi)發(fā)層: 型號(hào)開(kāi)發(fā)層主要包括設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及設(shè)計(jì)支撐三個(gè)領(lǐng)域，其中設(shè)計(jì)領(lǐng)域按照設(shè)計(jì)階段劃分概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)以及施工設(shè)計(jì)，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為總體設(shè)計(jì)、回路設(shè)計(jì)、堆芯設(shè)計(jì)以及儀控電設(shè)計(jì)等。從工作流程上看，設(shè)計(jì)過(guò)程依次為設(shè)計(jì)輸入管理、設(shè)計(jì)任務(wù)執(zhí)行、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)文件輸出等環(huán)節(jié)，同時(shí)伴隨著設(shè)計(jì)接口管理、設(shè)計(jì)變更管理、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化管理等內(nèi)容。

反應(yīng)堆設(shè)計(jì)研究過(guò)程中會(huì)進(jìn)行大量的設(shè)備、系統(tǒng)方案試驗(yàn)論證，通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)設(shè)施，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中涉及的試驗(yàn)流程 、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、相關(guān)資源等內(nèi)容進(jìn)行全面細(xì)致和有效的管理。從工作流程上看，試驗(yàn)過(guò)程包括了試驗(yàn)任務(wù)接收、試驗(yàn)方案編制、試驗(yàn)任務(wù)執(zhí)行、試驗(yàn)報(bào)告審批等環(huán)節(jié)，同時(shí)伴隨著安全質(zhì)量管理、試驗(yàn)資源、場(chǎng)地環(huán)境、停工檢查等內(nèi)容。

設(shè)計(jì)支持領(lǐng)域包括了參數(shù)化研發(fā)設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)、虛擬驗(yàn)證、仿真分析、高性能計(jì)算等先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用。參數(shù)化研發(fā)設(shè)計(jì)將各種專業(yè)方法和工具封裝為知識(shí)組件，并通過(guò)流程驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆各專業(yè)內(nèi)部及專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。三維設(shè)計(jì)支持管道、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、電氣、暖通、支吊架等多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，支持實(shí)時(shí)碰撞檢查和自動(dòng)出圖。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)驗(yàn)證和交互式操作、成果展示、技術(shù)評(píng)審、設(shè)計(jì)人員培訓(xùn)、技術(shù)交流等工作。仿真分析包括了專業(yè)理論仿真(力學(xué)、流體、結(jié)構(gòu)及疲勞等)和數(shù)字化系統(tǒng)仿真(工藝系統(tǒng)驗(yàn)證、運(yùn)行工況和方式驗(yàn)證等)。

(3) 基礎(chǔ)研究層: 基礎(chǔ)研究層是反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括了中子物理研究、熱工水力研究、輻照技術(shù)研究、反應(yīng)堆材料研究、安全分析等專業(yè)，通常在基礎(chǔ)研究方面要開(kāi)展大量的材料和燃料研究、熱工流體和物理試驗(yàn)[3]。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)全面集成模型

2.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)IT系統(tǒng)規(guī)劃

反應(yīng)堆設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)架構(gòu)分析之后，對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)一步“架構(gòu)規(guī)劃”，包括應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)和IT 技術(shù)架構(gòu)，形成IT系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

從分析結(jié)果(見(jiàn)圖4)來(lái)看：側(cè)壁厚度越接近主壁厚，翹曲變形量越小。整體厚度趨近一致，收縮相對(duì)均勻，因此翹曲變形量相對(duì)較小。

圖2 數(shù)字化設(shè)計(jì)IT系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)IT系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明如下：

(1) 應(yīng)用架構(gòu)以業(yè)務(wù)架構(gòu)中業(yè)務(wù)分析、信息系統(tǒng)支撐需求為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域和用戶范圍，參考國(guó)內(nèi)外核工業(yè)同行設(shè)計(jì)院所的信息系統(tǒng)分布，以及主流商業(yè)軟件產(chǎn)品、套裝軟件、解決方案的特點(diǎn)和功能，定義數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用架構(gòu)圖。應(yīng)用架構(gòu)本質(zhì)上是業(yè)務(wù)架構(gòu)的映射，數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要應(yīng)用系統(tǒng)有企業(yè)門(mén)戶、項(xiàng)目管理系統(tǒng)、協(xié)同辦公系統(tǒng)、協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)(包括專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)等)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、知識(shí)管理系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)、虛擬驗(yàn)證和工藝仿真系統(tǒng)等。

(2) 數(shù)據(jù)架構(gòu)以數(shù)據(jù)為中心，重點(diǎn)在于管理支撐關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并保證這些數(shù)據(jù)能夠通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)、共享、更新以及修改，同時(shí)也規(guī)范了數(shù)據(jù)管理、安全以及共享的策略。數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)概括為與知識(shí)工程相關(guān)的知識(shí)與流程、標(biāo)準(zhǔn)文件庫(kù)，與產(chǎn)品數(shù)據(jù)歸集管理相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，與協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)、工具庫(kù)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，以及與項(xiàng)目管理相關(guān)的任務(wù)信息庫(kù)。

(3) 技術(shù)架構(gòu)確定了技術(shù)參考模型，主要涵蓋IT基礎(chǔ)設(shè)施、信息安全等方面的內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)設(shè)施中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、信息安全系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、容災(zāi)中心機(jī)房系統(tǒng)、集中輸入輸出系統(tǒng)、終端建設(shè)、涉密無(wú)紙化會(huì)議系統(tǒng)等都屬于技術(shù)架構(gòu)的范疇。

2.2 數(shù)字化設(shè)計(jì)整體集成層次結(jié)構(gòu)

數(shù)字化IT系統(tǒng)架構(gòu)明確后，既要考慮業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)實(shí)踐的完整性，又要尊重各軟硬件系統(tǒng)的專業(yè)性，信息系統(tǒng)之間存在必然的聯(lián)系。整體集成通常是指在集成技術(shù)規(guī)范的指導(dǎo)下，從不同層次上實(shí)現(xiàn)門(mén)戶集成、端到端流程集成、應(yīng)用系統(tǒng)/設(shè)計(jì)工具集成、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成、安全集成和支撐環(huán)境集成。在核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)信息化發(fā)展的具體階段，根據(jù)不同的需求，實(shí)現(xiàn)整體集成的不同層次和深度。

參考通用企業(yè)整體集成方法[5]，在解決傳統(tǒng)“信息孤島”問(wèn)題基礎(chǔ)上，著眼于實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)過(guò)程中信息、資源的共享與集成，提出如圖3所示的數(shù)字化設(shè)計(jì)整體集成層次結(jié)構(gòu)圖。其中ESB企業(yè)服務(wù)總線是企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)集成的核心中間件，數(shù)據(jù)總線和工程中間件用來(lái)集成專業(yè)的設(shè)計(jì)工具軟件，數(shù)值反應(yīng)堆集成平臺(tái)整合了堆芯、熱工水力、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)設(shè)計(jì)軟件。借鑒MBD思想，將三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成在PDM系統(tǒng)中，建立基于PDM數(shù)字化集成平臺(tái)的MBD三維數(shù)模數(shù)據(jù)管理體系。

圖3 數(shù)字化設(shè)計(jì)整體集成層次結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)字化設(shè)計(jì)全面集成模型

以IT系統(tǒng)架構(gòu)為依據(jù)，通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)架構(gòu)中集成關(guān)系和數(shù)據(jù)交互的梳理，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)整體集成層次方法，給出核反應(yīng)堆數(shù)字化設(shè)計(jì)全面集成模型，如圖4所示。

圖4 數(shù)字化設(shè)計(jì)全面集成模型

業(yè)務(wù)流程的展示界面可以集成到數(shù)字化設(shè)計(jì)門(mén)戶；數(shù)字化設(shè)計(jì)門(mén)戶可直接調(diào)用應(yīng)用集成平臺(tái)上的服務(wù)。數(shù)據(jù)中心的共享數(shù)據(jù)服務(wù)注冊(cè)到集成平臺(tái)，供其他系統(tǒng)使用。數(shù)據(jù)交換平臺(tái)的服務(wù)注冊(cè)到應(yīng)用集成平臺(tái)，供其他系統(tǒng)使用。應(yīng)用集成平臺(tái)為應(yīng)用中心提供基礎(chǔ)接入通道，同時(shí)為應(yīng)用中心提供服務(wù)共享平臺(tái)和流程協(xié)作平臺(tái)。

在應(yīng)用中心，通過(guò)工程中間件集成設(shè)計(jì)工具、數(shù)據(jù)、流程和規(guī)范[4]；通過(guò)項(xiàng)目管理系統(tǒng)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及檔案系統(tǒng)的集成，打通“項(xiàng)目管理-任務(wù)發(fā)放-交付物審簽-數(shù)據(jù)歸檔”的反應(yīng)堆研發(fā)設(shè)計(jì)管理全流程；通過(guò)知識(shí)管理系統(tǒng)的實(shí)施，采集來(lái)自各應(yīng)用系統(tǒng)的知識(shí)，建立反應(yīng)堆研發(fā)設(shè)計(jì)統(tǒng)一知識(shí)庫(kù)；通過(guò)數(shù)值反應(yīng)堆集成平臺(tái)整合堆芯、熱工水力、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)設(shè)計(jì)軟件。

在高性能計(jì)算中心，建設(shè)高性能設(shè)計(jì)一體化平臺(tái)，打通從PDM到CAD建模，再到后續(xù)前處理-高性能計(jì)算-后處理，迭代回到CAD建模的整個(gè)數(shù)字化設(shè)計(jì)流程，整合三維設(shè)計(jì)和高性能計(jì)算這兩大專業(yè)。

對(duì)于涉及國(guó)家秘密的核反應(yīng)堆型號(hào)設(shè)計(jì)，依據(jù)國(guó)家對(duì)涉密信息系統(tǒng)的建設(shè)要求，不斷優(yōu)化信息安全措施，達(dá)到既保證安全、又方便工作的目標(biāo)?；A(chǔ)環(huán)境集成位于全面集成模型的底層，運(yùn)維集成則實(shí)現(xiàn)對(duì)信息系統(tǒng)及基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境的可視、可控、可管理。

3 全面集成模型應(yīng)用研究

某型號(hào)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)在無(wú)直接參考堆型，自主研發(fā)的大背景下，開(kāi)展了工程科研和設(shè)計(jì)條件保障建設(shè)工作，需要實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆研發(fā)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)條件集成和應(yīng)用系統(tǒng)集成。參考數(shù)字化設(shè)計(jì)全面集成模型，規(guī)劃了如圖5所示的集成架構(gòu)，目前集成實(shí)施進(jìn)展順利。

圖5 某型號(hào)核反應(yīng)堆集成架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)基礎(chǔ)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)、高性能計(jì)算中心、涉密信息系統(tǒng)進(jìn)行支撐環(huán)境系統(tǒng)集成。應(yīng)用支撐平臺(tái)包括了單點(diǎn)登錄與統(tǒng)一身份管理平臺(tái)，企業(yè)服務(wù)總線平臺(tái)，流程管理平臺(tái)以及統(tǒng)一應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在企業(yè)架構(gòu)(EA)框架下，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用建設(shè)的“合規(guī)性”，依據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用集成，梳理服務(wù)目錄。最終展現(xiàn)給管理、科研、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)人員一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化設(shè)計(jì)門(mén)戶，設(shè)計(jì)人員在由各應(yīng)用系統(tǒng)組成的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

全面集成要滿足工程技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以及工程項(xiàng)目管理制度，通過(guò)多種集成方式的實(shí)施，滿足核反應(yīng)堆自主設(shè)計(jì)條件保障項(xiàng)目的業(yè)務(wù)目標(biāo)和建設(shè)目標(biāo)。

進(jìn)一步從全面集成角度分析該型號(hào)核反應(yīng)堆數(shù)字化設(shè)計(jì)著眼點(diǎn)如下：

(1) 建立面向數(shù)字化設(shè)計(jì)的完整知識(shí)分類體系，全面集成來(lái)自各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的知識(shí)資源，積累各專業(yè)學(xué)科、業(yè)務(wù)領(lǐng)域的顯性知識(shí)和隱形經(jīng)驗(yàn)?；诮y(tǒng)一的知識(shí)工程平臺(tái)，形成向?qū)街R(shí)服務(wù)環(huán)境，將知識(shí)推送至各業(yè)務(wù)活動(dòng)中，提升核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力。

(2) 在目前三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，集成已有的PDM系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的三維設(shè)計(jì)環(huán)境，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于三維數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模型標(biāo)注、模型檢查、模型審簽及下發(fā)，通過(guò)試點(diǎn)開(kāi)展可視化協(xié)同設(shè)計(jì)。

(3) 依托國(guó)家科技立項(xiàng)，建設(shè)核能數(shù)值反應(yīng)堆設(shè)計(jì)軟件集成平臺(tái)，開(kāi)發(fā)統(tǒng)一的集成環(huán)境和架構(gòu)，形成標(biāo)準(zhǔn)的接口，實(shí)現(xiàn)多尺度、多物理專業(yè)軟件的集成。

(4) 搭建以ESB為核心的應(yīng)用集成平臺(tái)，促進(jìn)應(yīng)用集成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)研發(fā)、設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)線應(yīng)用系統(tǒng)集成，對(duì)待建系統(tǒng)提出集成規(guī)范要求。

(5) 梳理數(shù)字化設(shè)計(jì)的綜合管理類、生產(chǎn)業(yè)務(wù)類流程，搭建流程集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)系統(tǒng)“端到端”流程的貫通，實(shí)現(xiàn)科研生產(chǎn)人員、行政管理人員工作協(xié)同水平，提高整體工作效率，為管理人員提供統(tǒng)一的流程處理平臺(tái)。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字化設(shè)計(jì)全面集成模型以核反應(yīng)堆研發(fā)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)，全面整合先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)、IT系統(tǒng)以及硬件基礎(chǔ)條件，將孤立的管理、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等過(guò)程整合成一個(gè)有機(jī)的整體，助力反應(yīng)堆型號(hào)研發(fā)工作安全、高效開(kāi)展。全面集成模型的落地應(yīng)尊重軟硬件系統(tǒng)的專業(yè)性，充分發(fā)揮各系統(tǒng)的卓越優(yōu)勢(shì)，同時(shí)關(guān)注效率、成本與風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)有效集成，達(dá)成對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)生產(chǎn)和管理支持的目標(biāo)。