劉晨　楊紅義　宋青

摘? 要：快堆設(shè)計是一項復(fù)雜的工程設(shè)計活動，涉及多學(xué)科的綜合應(yīng)用，同時也面臨研制周期長、型號任務(wù)重等嚴(yán)峻形勢。隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，通過信息集成、過程集成和知識集成，構(gòu)建統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計平臺，已經(jīng)成為實現(xiàn)數(shù)字化快堆設(shè)計的重要保障。通過規(guī)范各設(shè)計技術(shù)流程，對設(shè)計所用的各種CAD/CAE軟件、自研程序進(jìn)行有機(jī)整合，并對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，從而構(gòu)建以參數(shù)化驅(qū)動的協(xié)同設(shè)計平臺，進(jìn)一步提高新型號快堆設(shè)計研發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化? 快堆設(shè)計? 參數(shù)驅(qū)動? 協(xié)同設(shè)計

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0060-06

Abstract： Fast reactor design is a complicated engineering design activities involved in multi-subject synthesis application，and is faced with the long R&D time and heavy task of multi-type reactors. With the rapid development of information and Internet technology， the collaborative design platform is proposed through the integration of information， process and knowledge. This approach has as an important support condition to implement numerical FR design. Through standardized design technology flow， integrated CAD/CAM and self-developed software and managed design datum effective， the parametrical-driven collaborative design platform was built to improve the ability of FR design and development.

Key Words： Numerical; FR design; Parametrical-driven; Collaborative design

核電站設(shè)計是一項復(fù)雜的工程設(shè)計活動，其理論基礎(chǔ)廣泛，包含各項核科學(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用?？熘凶臃磻?yīng)堆作為第四代反應(yīng)堆的堆型，實現(xiàn)裂變核能的可持續(xù)應(yīng)用。我國于20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行了以實驗快堆為目標(biāo)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，已完成了我國第一座快中子反應(yīng)堆——中國實驗快堆（CEFR）的設(shè)計和設(shè)計驗證工作，初步具備自主研發(fā)大型快堆的能力。當(dāng)前，在新型號快堆的設(shè)計過程中面臨著知識傳承和積累，靈活、柔性的設(shè)計流程管理，跨專業(yè)的設(shè)計和仿真工作環(huán)境，質(zhì)量管理融入設(shè)計過程等難題。鑒于以上要求，開展快堆研發(fā)設(shè)計工作的研究，建立起一套將流程、知識、方法有機(jī)結(jié)合的協(xié)同設(shè)計環(huán)境，為滿足各專業(yè)、各設(shè)計人員間協(xié)同研發(fā)、并行設(shè)計的開展需求，實現(xiàn)各專業(yè)間業(yè)務(wù)協(xié)同和信息共享。

本文重點(diǎn)闡述在快堆設(shè)計研發(fā)工作中構(gòu)建統(tǒng)一協(xié)同設(shè)計平臺的建設(shè)思路和內(nèi)容，從快堆研發(fā)設(shè)計特點(diǎn)進(jìn)行分析，闡述了協(xié)同設(shè)計平臺（一期）的架構(gòu)、建設(shè)內(nèi)容，并介紹了堆本體一體化布置專業(yè)、堆芯設(shè)計專業(yè)和廠房總體布置專業(yè)的實際開發(fā)實踐。

1? 面向參數(shù)驅(qū)動的快堆協(xié)同設(shè)計需求分析

隨著計算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，新型號快堆設(shè)計在當(dāng)前傳統(tǒng)的設(shè)計和管理方面正面臨著新的挑戰(zhàn)和要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）核電站設(shè)計是典型的多學(xué)科綜合設(shè)計。

各個學(xué)科由專業(yè)學(xué)科技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計分析與優(yōu)化，由于采用的設(shè)計方法和設(shè)計重點(diǎn)不同，限制了學(xué)科間的交互交流，使得設(shè)計決策過程變得冗長，單用戶設(shè)計系統(tǒng)已不能滿足設(shè)計需求，也無法保證各學(xué)科內(nèi)部以及各學(xué)科之間的接口對接，各專業(yè)之間的碰撞問題，設(shè)計結(jié)果往往難以滿足要求。

（2）傳統(tǒng)的核電站設(shè)計是串行迭代的設(shè)計模式。

在設(shè)計階段形成的設(shè)計方案和設(shè)計圖紙在建造階段往往會遇到管道、設(shè)備位置與實際情況發(fā)生不匹配甚至是沖突的情況，給現(xiàn)場的施工帶來了很大的挑戰(zhàn)，也嚴(yán)重地影響了工程的設(shè)計進(jìn)度和建設(shè)質(zhì)量，造成整個工程建設(shè)投資增加。

（3）CEFR技術(shù)還沒有真正消化和完全掌握。

盡管我國第一座快中子反應(yīng)堆CEFR是由我國完成全部設(shè)計和設(shè)計驗證任務(wù)，但仍然有很多技術(shù)沒有真正消化和掌握。結(jié)合CEFR的成功設(shè)計實踐，在消化吸收國外設(shè)計資料的基礎(chǔ)上，對技術(shù)流程進(jìn)行梳理，參數(shù)驅(qū)動的技術(shù)流程梳理將使工藝設(shè)計過程參數(shù)化，技術(shù)流程顯性化，通過流程引導(dǎo)設(shè)計，使設(shè)計過程規(guī)范化。

（4）核電設(shè)計的工具軟件使用各不統(tǒng)一。

通過國際合作引進(jìn)的設(shè)計軟件，主要以國外的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為核心，不能直接有效地用于我國核電站設(shè)計;通過商業(yè)途徑采購的設(shè)計軟件，過于通用化，主要依賴設(shè)計人員的使用經(jīng)驗，不能很好地解決快堆電站的專業(yè)設(shè)計問題。同時各個工具之間缺乏集成，無法快速迭代設(shè)計方案;軟件工具和系統(tǒng)間相互獨(dú)立，集成和整合程度不夠。為了有效地利用這些軟件，需要進(jìn)行集成和必要的定制開發(fā)，形成能真正有效用于快堆設(shè)計的專業(yè)軟件系統(tǒng)或工具包。

（5）設(shè)計過程中產(chǎn)生的工程數(shù)據(jù)分散和不規(guī)范在設(shè)計過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)和文件，包括：各種設(shè)計數(shù)據(jù)、分析仿真數(shù)據(jù)、文件、報告等，當(dāng)前絕大部分技術(shù)文件、圖紙已采用電子格式編寫或設(shè)計，分散在各個管理系統(tǒng)，甚至是設(shè)計人員個人電腦中，處于分散管理的狀態(tài)。設(shè)計者之間不能通過系統(tǒng)進(jìn)行信息溝通和知識共享，各種知識關(guān)聯(lián)關(guān)系沒有管理，缺乏一致性，以至造成重復(fù)設(shè)計、設(shè)計版本不一致等情況，影響了工程設(shè)計質(zhì)量和進(jìn)度。

（6）傳統(tǒng)設(shè)計管理手段落后。

傳統(tǒng)依靠人力以紙質(zhì)文件的設(shè)計管理手段已不能滿足當(dāng)前設(shè)計需求。當(dāng)前對設(shè)計項目的管理相對比較粗放，只能以傳遞文件的方式，比較單一，工作流程中數(shù)據(jù)的傳遞方式和類型不明確。更重要的是，無法在設(shè)計流程的引導(dǎo)下開展工作，實行計劃和執(zhí)行情況之間缺乏互動，調(diào)度困難，不能很好的監(jiān)控整個設(shè)計過程，同時設(shè)計過程是否符合規(guī)范等內(nèi)容不能很好地監(jiān)督和衡量，導(dǎo)致整個設(shè)計效率的降低，管理人員工作強(qiáng)度大。

（7）快堆設(shè)計是一個知識積累的過程。

核電工程一般意義上來說都是年代工程，在如此長的設(shè)計周期內(nèi)，設(shè)計人員的頻繁更替在所難免。如何保留設(shè)計過程中的設(shè)計知識、設(shè)計經(jīng)驗，固化設(shè)計流程，為工程后期的調(diào)試、運(yùn)行和退役提供依據(jù)，為后續(xù)設(shè)計優(yōu)化和再利用提供參考，已經(jīng)成為阻礙核電發(fā)展的重要瓶頸。為保證核電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性，應(yīng)該從項目開始階段就考慮對核電站設(shè)計、施工、檢修至最終核電站退役整個生命周期進(jìn)行全過程管理，通過知識的積累最大限度地提高設(shè)計質(zhì)量，降低設(shè)計、管理、維護(hù)的各項成本，從而全面提升核電站的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，如何協(xié)同地管理快堆型號設(shè)計及仿真過程中的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)和知識，成為縮短設(shè)計周期、降低研發(fā)成本與研發(fā)風(fēng)險的關(guān)鍵，同時也成為快堆所生存和發(fā)展的重中之重，因此建立以滿足三維設(shè)計為前提的協(xié)同設(shè)計平臺是迎接核電新機(jī)遇的首要任務(wù)。

2? 參數(shù)化快堆協(xié)同設(shè)計平臺的設(shè)計方案

協(xié)同設(shè)計作為一種科學(xué)、有效、先進(jìn)的管理手段和方法，將技術(shù)和資源有效地組織、管理和應(yīng)用起來，以集成設(shè)計為手段，逐漸弱化工具類軟件在單一領(lǐng)域的功能，強(qiáng)化軟件之間的協(xié)同研發(fā)能力，均衡多物理屬性的開發(fā)需求，強(qiáng)調(diào)了集成解決方案的重要性[1-6]。

2.1 參數(shù)化快堆協(xié)同設(shè)計平臺架構(gòu)

采用索為SYSWARE軟件作為一款快堆參數(shù)化協(xié)同設(shè)計平臺，以新型號快堆設(shè)計為需求，以數(shù)字化設(shè)計和仿真為技術(shù)手段，建立一套集設(shè)計、管理功能于一體的，符合核電設(shè)計需求的三維協(xié)同設(shè)計平臺，集成相關(guān)設(shè)計軟件（方法）、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、經(jīng)驗等，將流程、軟件（方法）、知識等有機(jī)融合，通過“工程經(jīng)驗?zāi)０寤?、工具軟件集成化、產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同化、經(jīng)驗數(shù)據(jù)知識化、項目流程規(guī)范化”的研發(fā)模式，實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動的協(xié)同設(shè)計，滿足各專業(yè)間業(yè)務(wù)協(xié)同和信息共享，其體系架構(gòu)如圖1。

通過建立以不同權(quán)限多角色操作的用戶界面層，以統(tǒng)一的用戶界面滿足設(shè)計人員、管理人員和決策人員不同的顯示需求，實現(xiàn)個性化的工作方式;

通過建立以支持設(shè)計任務(wù)、流程管理和滿足多學(xué)科集成設(shè)計的應(yīng)用平臺層，針對不同專業(yè)特點(diǎn)形成不同專業(yè)設(shè)計子系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個設(shè)計過程的管理和控制;

通過集成各類設(shè)計軟件工具，提供多種專業(yè)軟件設(shè)計工具，并提供數(shù)據(jù)管理接口和流程管理接口，實現(xiàn)統(tǒng)一的集成設(shè)計環(huán)境的軟件集成層;

通過建立以數(shù)據(jù)、知識、經(jīng)驗管理為核心的數(shù)據(jù)支持層，形成設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、設(shè)計、仿真模型庫、設(shè)計模板庫和規(guī)范、資源庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息資產(chǎn)的支持和管理;

通過建立以并行計算為中心的高性能計算系統(tǒng)，形成整體數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)滿足專業(yè)工藝軟件、數(shù)據(jù)處理軟件平臺運(yùn)行的硬件支撐;

通過對上述角色、資源、設(shè)計過程以及知識等多維度的協(xié)調(diào)，構(gòu)建一個多層次多角度參數(shù)化設(shè)計環(huán)境的協(xié)同設(shè)計平臺。

2.2 快堆協(xié)同設(shè)計平臺建設(shè)內(nèi)容

協(xié)同設(shè)計平臺是通過多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，把相關(guān)聯(lián)的獨(dú)立設(shè)計活動融合的設(shè)計支持環(huán)境。通過搭建新型號快堆工藝設(shè)計過程模型的任務(wù)及流程管理框架，實現(xiàn)設(shè)計過程管理和控制;提供軟件集成和運(yùn)行環(huán)境，集成工藝設(shè)計階段所用的設(shè)計軟件工具;對設(shè)計知識和經(jīng)驗進(jìn)行固化，進(jìn)行有效的知識管理和重用;通過可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫技術(shù)來搭建可控可追溯的過程數(shù)據(jù)管理。目前我所基于國內(nèi)各行業(yè)集成開發(fā)平臺的建設(shè)經(jīng)驗，開發(fā)面向新型號快堆的協(xié)同設(shè)計平臺，該平臺的建設(shè)內(nèi)容主要包括以下三個部分如圖2。

（1）設(shè)計管理協(xié)同環(huán)境。

設(shè)計管理協(xié)同環(huán)境包括設(shè)計流程管理及設(shè)計數(shù)據(jù)管理兩個部分。設(shè)計流程管理是由一系列快堆所自身業(yè)務(wù)流程組成。通過對設(shè)計流程管理的建立，在技術(shù)流程梳理的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計任務(wù)的WBS結(jié)構(gòu)，建立設(shè)計流程模型，將流程與數(shù)據(jù)、工具、知識相關(guān)聯(lián)。由流程引擎驅(qū)動設(shè)計流程的流轉(zhuǎn)，并根據(jù)流程節(jié)點(diǎn)的完成狀態(tài)進(jìn)行流程監(jiān)控;設(shè)計數(shù)據(jù)管理是提供專業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，保證數(shù)據(jù)集中管理，減少大量查找設(shè)計數(shù)據(jù)的時間，快速獲取數(shù)據(jù)，積累、重用設(shè)計歷史數(shù)據(jù)，保護(hù)數(shù)據(jù)的知識產(chǎn)權(quán)。

（2）設(shè)計執(zhí)行協(xié)同環(huán)境。

通過設(shè)計執(zhí)行協(xié)同環(huán)境，為設(shè)計人員提供一個集設(shè)計工具、設(shè)計模板、設(shè)計過程一體化的設(shè)計工作臺面。通過工具集成、過程標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化、參數(shù)化及參數(shù)管理、優(yōu)化設(shè)計、設(shè)計知識管理、基本設(shè)計資源模塊的建立，形成設(shè)計執(zhí)行協(xié)同環(huán)境?？於研吞栐O(shè)計的各種設(shè)計技術(shù)流程，都可以全部在設(shè)計執(zhí)行協(xié)同環(huán)境中集中起來，形成一個綜合化的快堆設(shè)計執(zhí)行協(xié)同環(huán)境。根據(jù)快堆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的技術(shù)流程，對各設(shè)計模板、子流程的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系進(jìn)行定義和搭建，集成主工藝專業(yè)設(shè)計功能模塊，能夠快速形成設(shè)計工具軟件。通過開發(fā)快速設(shè)計向?qū)?，將設(shè)計流程進(jìn)行封裝，以類似設(shè)計流程向?qū)У男问綄?shù)、設(shè)計要求按照相應(yīng)型號的設(shè)計流程逐級傳遞，同時驅(qū)動三維建模工具自動進(jìn)行模型特征的加載和創(chuàng)建，減少手工創(chuàng)建特征的繁瑣。同時利用參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)將參數(shù)與流程、模型庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的隨動，方便進(jìn)行模型的快速修改和變更。

（3）設(shè)計資源支撐環(huán)境。

工具軟件包括各種CAD/CAE設(shè)計工具和自研程序作為專業(yè)設(shè)計軟件集成的基礎(chǔ)設(shè)計資源，通過各種設(shè)計工具及自研程序可建立設(shè)計模型，進(jìn)行各種設(shè)計分析計算機(jī)結(jié)果分析處理;通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立，為協(xié)同設(shè)計平臺中各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問、處理和管理等服務(wù)，能夠建立任務(wù)流程、設(shè)計、仿真、知識以及其他數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)計過程數(shù)據(jù)的一體化管理，提高數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與集成效率，保證各系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步和協(xié)調(diào)，滿足數(shù)據(jù)項的可追溯性;通過知識庫的搭建，進(jìn)行統(tǒng)一的知識資源的存儲、組織和管理，從而滿足后續(xù)對知識資源系統(tǒng)靈活性、可定制性、擴(kuò)展性方面的要求。

3? 專業(yè)子系統(tǒng)的開發(fā)

通過前期參數(shù)化快堆協(xié)同設(shè)計平臺的建設(shè)，已完成參數(shù)化快堆協(xié)同設(shè)計平臺一期建設(shè)，開發(fā)了堆本體一體化布置軟件包、堆芯設(shè)計軟件包和廠房總體布置軟件包，初步形成快堆設(shè)計部分專業(yè)的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計環(huán)境。

3.1 堆本體一體化布置軟件包

通過TDE/IDE集成環(huán)境實現(xiàn)GUI界面的交互、流程的控制管理及數(shù)據(jù)的傳遞管理，利用CATIA軟件進(jìn)行三維實體效果展示，如圖3，通過構(gòu)建線框模型系統(tǒng)，用于CAD和CAE的關(guān)聯(lián)設(shè)計，最終形成一套用于堆本體布置軟件包的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計軟件。

3.2 堆芯設(shè)計軟件包

基于堆芯設(shè)計流程過程文件和調(diào)研情況，對堆芯設(shè)計研發(fā)流程進(jìn)行建模，形成堆芯設(shè)計研發(fā)流程模版;基于自研軟件、商業(yè)軟件接口組件和搭建設(shè)計流程的邏輯組件，封裝堆芯設(shè)計過程的工程模板;基于堆芯研發(fā)流程的梳理及工程模板封裝工作，梳理堆芯子系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)模型，最終初步形成集安全、組件、屏蔽、熱工和物理專業(yè)的堆芯設(shè)計軟件包。

對概念設(shè)計階段堆芯設(shè)計流程進(jìn)行建模，如圖4形成堆芯設(shè)計流程模版，建立了物理、安全、熱工、組件、屏蔽五個專業(yè)的工程模板庫，圖5-6，形成堆芯設(shè)計分析專業(yè)軟件包，實現(xiàn)了堆芯概念設(shè)計階段的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計。

3.3 廠房總體布置軟件包

選取新型號設(shè)計核島廠房作為案例進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)方案定義、設(shè)計開發(fā)、測試驗證、系統(tǒng)部署，通過集成CATIA軟件及二次開發(fā)實現(xiàn)成核島廠房總體布置，如圖7，便于方案設(shè)計的快速布置、調(diào)整，提高總體布置的工作效率。

4? 結(jié)語

自主化新型號快堆的研發(fā)設(shè)計工作是一項艱巨的歷史重任，為保證核電設(shè)計的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的條件下，研發(fā)工作需要在多學(xué)科、多專業(yè)不同的設(shè)計人員之間有效、協(xié)調(diào)、快速展開。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須有相適應(yīng)的技術(shù)平臺作為支撐，通過規(guī)范各設(shè)計技術(shù)流程，對設(shè)計所用的各種CAD/CAE軟件、自研程序進(jìn)行有機(jī)整合，并對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，構(gòu)建以參數(shù)化驅(qū)動的協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)了各專業(yè)、各設(shè)計人員間協(xié)同研發(fā)、并行設(shè)計，以此來提高設(shè)計人員的工作效率，確保設(shè)計質(zhì)量。

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