智能化工藝系統設計平臺技術在核電工程設計的應用探討

高麒瀚，江德正

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518052）

智能化工藝系統設計平臺技術利用現代計算機圖形及網絡科學技術，解決核電工藝系統多專業協同設計問題。隨著核電廠數字化設計的發展，智能化工藝系統設計作為數字化設計的一環顯得尤為重要。作為布置設計、采購、物資管理的重要信息輸入或來源，智能化工藝系統設計為下游工作提供全面標準化、協同化、精確化保障。智能化工藝系統設計、三維布置設計、工程建造物資管理形成了互為支撐的數字化設計生產鏈條。

國際核電建設公司AREVA（阿海琺）在EPR堆型建設中采用智能化工藝系統設計平臺技術。通過設計參數標準化、操作專業化、屬性集成化，形成全面、完整的半自動化標準設計生產體系。通過數據批處理和電子表格定制技術，大大提高了設計生產效率。

根據智能化工藝系統設計平臺技術在工程應用的實踐，該技術歸納為以下幾個特點。

1）設計圖符標準化：核電核島設計中設備、閥門、管道多樣繁雜，要實現標準化設計，必須對各類元件進行分類，并使用清楚易識別的圖符進行標識。智能化平臺技術可滿足設計單位對不同項目、不同設計深度的設置要求。

2）設計屬性標準化：設計屬性根據元件分類，可初步分為各類工藝和通風設備（含作為設備采購的管道）、管道、閥門、儀表。每一類元件都具有標準化的屬性。這些屬性根據分工、設計習慣、堆型、分包規定而不同。

3）元件標示唯一性與統一性：核電設計對具有唯一功能的元件進行唯一標識。功能位置碼在智能化工藝系統設計平臺中同樣具有唯一性。在工藝系統流程圖設計和設計參數設計、設計采購中，都使用功能位置碼進行唯一標識。平臺系統通過此唯一碼調用各種元件信息。

現在業界具有此功能的軟件主要有AVEVA公司的VPE（VATAGE PLANT ENGINEERING）、鷹圖公司的Smartplant PID等。為了實現工藝系統設計、布置設計、物資材料統計體系一體化，智能化工藝系統設計平臺采用VPE，它與PDMS（PLANT DESIGN MANAGEMENT SYSTEM）、VPRM（VANTAGE PROJECT RESOURCE MANAGEMENT SYSTEM）一道，成為EPR堆型設計主要設計軟件。

1 智能化工藝系統設計平臺功能設計

智能化工藝設計平臺最終要達到繪制智能化流程圖和輸入輸出元件屬性的目的，其功能設計圍繞以下5點展開。

1．1 平臺適用范圍

在核電設計中，平臺本身適用范圍可根據需要應用于核島設計和常規島設計。然而因合同規定導致核島和常規島設計深度不一致。平臺功能設計應首先考慮適用范圍。本文中涉及技術均針對核島設計進行闡述。

1．2 平臺適用專業

應根據設計深度考慮平臺適用專業。EPR核電設計中適用專業有工藝系統、暖通、設備、布置、儀控、電氣。其中布置和電氣均作為上游提資。其他專業主要對應工藝管道、工藝設備、閥門、儀表設計。

1．3 設計生產文件

根據平臺產出進行功能設計。基本應滿足工藝系統流程圖繪制及設計參數處理。其設計生產文件可包含工藝系統流程圖（包含工藝管線及儀表）、工藝流程圖（僅含工藝管線）、系統設計手冊（SDM）中各種元件數據清單（管線、閥門、部分設備）、技術規范書參數清單。

1．4 設計狀態設置

狀態管理是工程實際應用的重要部分。主要有兩個方面：對系統、元件、屬性不同對象的狀態設置和管理；對工程設計不同階段的數據狀態進行管理。狀態的設置和提取應滿足工程設計特點和需要。

1．5 功能設計架構

平臺架構設計是功能設計的基本需求。以VPE為例，主要分為VPE P＆ID和VPE WORKBENCH（以下簡稱VPE WB）兩個部分。為了增強適用性和實用性，需自行開發圖形及數據處理工具（BDM），配置數據發布工具（BO）。為實現系統設計與布置設計一體化，在臺山項目中使用自主開發的二三維數據對比工具（PEP），用于實現系統設計數據與布置設計數據（來自PDMS）的對比。在未來架構中，同時會使用MOM，用于系統設計數據與布置數據的相互傳遞，以及還在研究實驗中的圖紙模型對象校驗。智能化工藝系統設計平臺架構及平臺內部設計信息流如圖1、圖2所示。

圖1 智能化工藝系統設計平臺架構Fig．1 Framework of intelligent process system design platform

2 功能實現關鍵技術路線

針對核島工藝系統設計范圍內的功能設計，需根據設計工作具體要求進行設置。以下論述以智能化工藝系統設計平臺VPE為例。

2．1 智能化圖例符號

智能化圖例符號是智能化工藝系統設計平臺圖例符號的總稱。在VPE中對pid．sym文件的圖例符號進行編碼、命名、類型、是否在線、插入方向、角度、是否伴熱線、閥門機構類型、PDMS類型（用于二、三維校驗）等字段進行設置。

2．2 智能化流程圖繪制

智能化流程圖繪圖設置主要包含圖框、圖層、字體、線形等常規圖紙設置；根據設計要求進行設備、閥門、儀表標注設置。標注設置關系元件設計參數的唯一性識別問題。要達到系統設計布置設計一體化，設置時務必須與布置設計規范一致。

繪圖設置包含項目設置、權限設置、圖紙設置及標注設置。項目設置指根據項目編碼，設置具有可讀性，可與VPE WB、PDMS、VPRM項目編碼相關的設置。權限設置根據項目組織需要，設置對文件的讀、寫、修改權限。圖紙設置指根據工藝系統流程圖繪制要求，對圖框、圖層、字體、字高、線型的設置。標注設置指對設備（包括管嘴）、管線、儀表、閥門功能標示號的標示。

2．3 基礎設置

VPE WB不僅是一個數據庫，它是涵蓋業務流程和管理流程的系統平臺。因此在運用系統平臺進行工程設計之前，需完成大量的設置工作。

根據性質分類，基礎設置分為系統平臺管理設置和基礎數據設置。

1）系統平臺管理設置有用戶和用戶組及權限設置、數據來源設置、導入規則設置、管線設備閥門儀表位號設置、數據狀態管理設置。基礎數據設置指對設計參數選擇范圍，即基礎數據進行設置。

2）基礎數據涵蓋工藝、設備、電氣、儀控專業。臺山項目設置有76類基礎數據，有閥門類型、尺寸、建造材質、流體代碼、測試介質代碼、供應商類型等。臺山項目還設有閥門選型庫，在設置的時候還需要對閥門選型庫進行設置。

2．4 數據導入

通過VPE插件EXCEL INTERFACE進行系統設置，導入導出設置，定義和規范數據批量導入流程，導入過程如圖3所示。

圖2 智能化工藝系統設計平臺內部信息流Fig.2 Internal information workflow of intelligent process system design platform

圖3 導入過程Fig．3 Data input process

2．5 數據導出

在工程設計中會產生大量的工程設計數據，利用基于BO可以開發強大的報表，包括數據報表、圖形報表、矩陣報表等多種類型。根據系統設計手冊SDM要求、自定義需要，建立起一套標準化的系統設計報表模型，使得在不同項目之間的系統設計的數據能夠參考和復用。

2．5．1 設置過程

整個數據導出設置過程（如圖4所示）有：參數需求收集、數據整理、報表標準化、報表建模、數據表自動生成。

2．5．2 設置驗證

為保證大批量自動生成SDM的準確性，設置完成后，有必要對設置效果進行驗證，如圖5所示。

圖4 數據導出設置過程Fig．4 Data output setting process

圖5 數據導出設置過程Fig．5 Data output setting verification

3 基礎庫

基礎庫是智能化工藝系統設計平臺功能實現的基石。針對工程設計，設置兩大類基礎庫，一類是用于繪制流程圖的圖例符號庫；一類是用于設計屬性歸類、定義、發布的屬性庫。

3．1 圖例符號庫

圖例符號庫是VPE PID的基礎數據庫。根據流程圖圖例符號、二字碼、設備儀表分類，分別定義其命名、圖形、編碼、類別信息。圖例符號庫以電子的形式存儲在VPE PID中。如圖6所示。

3．2 屬性庫

屬性庫根據堆型和設計需求進行定義。針對CPR1000堆型，定義了12種常用工藝系統元件類型：閥門，VALVES、泵，PUMPS、管線，PIPES、容器，VESSELS、熱交換器，HEAT EXCHANGER、過濾器，FILTERS、孔板，ORIFICES、傳感器，SENSORS、加熱器，HEATERS、電動閥，ELECTRIC（Valves）、暖通，HVAC。

屬性值有兩類賦值方法：一種是直接賦值，一種是選擇性賦值，在WB中稱為LOV（LIST OF VALUE），所有輸入值必須在LOV范圍之類，此種多用于歸納性屬性值。如圖7所示。

圖6 圖例符號庫架構Fig．6 Symbol library framework

圖7 屬性值Fig．7 Attribute value

3．3 閥門選型庫

阿海琺公司建立了獨有的閥門選型庫，并運用于臺山項目，保證了閥門設計與采購最大程度的一體化。閥門選型庫是多項目知識積累的結晶。它反映了其工程建設獨特的管理體系和建設思路。智能化工藝系統設計平臺VPE WB提供VALVE CATALOG模塊對閥門選型庫進行管理。閥門選型庫（如圖8所示）分3部分：閥門類型、閥門驅動機構、閥門等級。其信息覆蓋設計和采購。

圖8 閥門選型庫Fig．8 Valve catalog

4 智能化工藝系統設計平臺CPR1000標準應用體系

根據CPR1000堆型建設需要，獨立創建了CPR1000智能化工藝系統平臺應用標準體系。本體系涵蓋5個標準文件。

4．1 圖例符號庫定義及應用標準

該標準根據流程圖圖例符號、閥門規程、設備閥門儀表分類、設備閥門國標等文件規定了CPR1000核島主輔、三廢、暖通專業智能化流程圖圖例符號定義及其命名規則。在智能化工藝系統設計平臺中對應圖例符號基礎庫（如圖9所示）。

4．2 智能化PID設計管理規范及流程

該標準用于智能化PID項目設置和責任分工及校審管理；滿足應用VPE P＆ID進行流程圖繪制的要求。為增加效率，將工藝系統流程圖設計分為流程圖設計及繪制兩個步驟，同樣設置系統設計工程師與P＆ID繪圖員分別承擔兩個步驟的工作。在P＆ID繪圖員完成P＆ID圖繪制后，將P＆ID圖中的圖形數據進行校驗、更新、發布到Workbench。在對P＆ID圖進行任何修改（包括重命名、更改路徑、創建、刪除對象）之后，必須重復一次VPE工作流。P＆ID圖輔助設計與發布流程見圖10。

圖9 圖例符號庫Fig．9 Symbol library

4．3 元件類型屬性定制說明文件

元件類型屬性定制說明是定義屬性庫的基本文件。涉及CPR1000設計中12大類設計對象的屬性、參數及負責提交專業（即責任專業）。這12大類設計對象包括：

①閥門，VALVES；

②泵，PUMPS；

③管線，PIPES；

④容器，VESSELS；

⑤熱交換器，HEAT EXCHANGER；

圖10 P＆ID設計與發布流程Fig．10 P＆ID design and issue process

⑥過濾器，FILTERS；

⑦孔板，ORIFICES；

⑧傳感器，SENSORS；

⑨加熱器，HEATERS；

⑩電動閥，ELECTRIC（Valves），主要定義閥門電動頭屬性；

?電動設備，ELECTRIC（eqpts），主要定義設備驅動器屬性；

?暖通，HVAC，主要定義暖通風系統相關屬性。

4．4 數據模板定義及數據發布應用規范

改標準用于定義以上12大類元件數據發布模板及應用規范。覆蓋SDM設計手冊管道、閥門、設備數據清單屬性內容。

4．4．1 利用數據導入模板輸入

依靠自行開發BDM工具，利用數據模板對元件屬性數據進行輸入（如圖11所示）及發布應用，為數據輸入及發布的數字信息化提供了有效途徑。

圖11 利用數據導入模板進行批量數據輸入Fig．11 Batch of data input with template

4．4．2 數據發布模板

數據的發布有兩種方式：由平臺的管理人員來統一執行數據的發布工作；平臺管理人員賦予專業工程師數據發布的權限，由專業的設計人員自行進行數據的發布。表1列出了容器類元件參數數據發布模板。數據發布模板可與導入模板不同，應根據自動導出格式需要進行設置。如圖12所示，在BO中進行數據導出設置后，數據模板內容可通過自動發布功能進行提取。

表1 VESSLES類數據模版定義Table 1 Definition of VESSLES data template

圖12 自動提取數據Fig．12 Automatic data extraction

4．5 VPE設計平臺各專業管理規范

平臺管理是智能化設計平臺運作的核心。根據CPR1000堆型特點并考慮設計院專業分工等因素，規定了各專業在工藝系統設計平臺上協同工作的組織架構、職責分工與工作流程。

4．5．1 管理規范范圍

該標準范圍包含基礎數據協同管理流程、數據狀態管理、工藝系統設計權限管理流程、工藝系統數據管理流程、智能化流程圖設計流程、數據應用管理工作流程。

4．5．2 智能化工藝系統設計平臺管理模式

工作模式圍繞以下三類工程師職責展開：

1）設計項目數據管理工程師履行工藝系統設計數據項目管理職責。負責對工藝系統設計數據的進度、狀態進行管控。負責工藝系統設計平臺及數據使用人權限管理，按照項目進度下達各專業數據上傳及發布指令。

2）設計平臺管理與技術支持工程師按照設計項目數據管理工程師指令操作，定時匯報平臺運作情況，對系統設計工程師支持，履行工藝系統設計平臺管理職責，平臺技術支持職責。根據設計項目數據管理工程師要求，對數據管理進行技術支持。技術支持包含項目建立，標準數據庫建立，工具開發、程序編寫。負責數據庫安全，災備，維護及數據處理，VPE系統基礎設置，系統日常維護等工作。

3）系統設計工程師，包含進行工藝系統設計的各專業設計工程師，負責在工藝系統設計平臺上生產工藝系統流程圖、管線、設備、閥門清單。

5 結論

智能化工藝系統設計平臺應用于核電工程設計，有利于增加協同設計效率、提高設計數據準確性、加大系統與布置設計數字一體化，是踐行工業與信息化部提出的信息化提高工程建設和工業生產的一個細微方面。核電工程工藝系統智能化設計平臺已經研究多年，但仍然與國際一流水平存在差距。在對國外三代技術的引進、消化、吸收過程中，很有必要根據公司和項目自身要求，進行適應性改進。同時在考慮“走出去”時，考慮堆型和項目管理實際情況。現在該技術已應用于實際工程項目。筆者旨在“拋磚引玉”，推動該領域數字化、標準化探討。文中不足之處，請各位專家和同行批評指正。

［1］ 廣東核電培訓中心．900MW壓水堆核電站系統與設備（上冊）［M］．北京：原子能出版社，2007．

［2］ 廣東核電培訓中心．核電工程總承包與項目管理［M］．北京：中國電力出版社，2010．

［3］ EJ／T 311—1994壓水堆核電廠工程設計用文字代號和圖形符號［S］．1994．