提高核電裝備設計質量與設計效率的若干思考

何英勇，張　峰，任憲常，范守文

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518000；2.電子科技大學，四川 成都 611731)

?

提高核電裝備設計質量與設計效率的若干思考

何英勇1，張峰1，任憲常1，范守文2

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518000；2.電子科技大學，四川 成都 611731)

摘要：探討了容錯糾錯設計技術、可驗證設計技術和數字化及自動化設計技術在核電裝備設計中的應用前景，分析了上述設計技術對于提高核電裝備設計質量與設計效率的重要意義，研究了其中的關鍵技術。以自動開封蓋裝置為對象，建立了其數字化樣機，在數字化環境中完成了自動開封蓋裝置的設計、分析、仿真和驗證等工作，形成了完整的數字化樣機創建平臺和設計規范，為核電設備的快速自動化設計提供了參考和依據。

關鍵詞：容錯糾錯設計；可驗證設計；數字化與自動化設計

設計是人類一切有目的活動的起始，其目的是為實施制定路徑。設計是制造業的靈魂，創新是設計的靈魂，現代設計正日益發展成一門專門學科——設計科學[1]。現代產品的設計過程變得越來越復雜，這是由于產品在對功能和性能要求越來越高的同時，對其安全性和可靠性的要求也越來越高，而對其開發時間的要求越來越短[2]。高可靠性一直是產品設計制造中追求的目標，而在航空、航天、軍事和核電等工作條件惡劣且可靠性要求極高的要害關鍵部位，高可靠性就更為重要，一個小故障就可能導致重大事故和經濟損失。

近年來，我國經濟不斷快速發展，為了支撐我國經濟的快速發展，必須確保能源供應，而當今我國又面臨日益嚴重的環境問題，這需要大力發展可以大規模提供能源供應的優質清潔能源，核電、水電及天然氣就成為了現階段清潔能源的發展重點。核電作為實用的發電技術，目前已經有了成熟的技術，能夠安全可靠運行，經濟性較好，具有不斷發展提高的潛力，上述因素使得核電越來越重要。核電站是一個技術高度密集的大型復雜的工程裝備系統，核電站的設計、制造直至運營反映出一個國家的綜合技術集成能力，也從側面反映了一個國家的綜合國力。與核電強國相比，我國核電技術水平和裝備制造集成能力相對落后，主要體現在缺少具有自主知識產權的核心技術，很多已開工項目的主機、大件和關鍵件需要從國外進口，沒有像西屋、GE和阿海琺那樣具有核蒸汽供應系統集成供貨能力的企業集團[3]。

通常把核電站的組成設備稱為核電裝備，核電站各系統的設備約有48 000多套件，其中機械設備約6 000套件，電器設備5 000多套件，儀器儀表25 000余套件，總質量約為6.7萬t[4]。建造核電站的設備主要分為3類：核島設備、常規島設備和輔助系統。核島設備是承擔熱核反應的主要部分，技術含量最高，對安全設計的要求也最高，核島設備包括反應堆堆芯、反應堆壓力殼、堆內構件、控制棒驅動機構、蒸汽發生器、主泵、主管道、安注箱、硼注箱和穩壓器等；常規島設備在技術上不分第2代和第3代，包括汽輪機、發電機、除氧器、凝汽器、汽水分離再熱器、高低壓加熱器、主給水泵、燃料轉運裝置、凝結水泵、主變壓器和循環水泵等；輔助系統的工程規模比較小，包括核蒸汽供應系統之外的部分，即化學制水、海水、制氧和壓縮空氣站等。這3類設備在核電站的造價中所占到的比例為5∶3∶2[5]。

按照我國《核電中長期發展規劃(2005年—2020年)》目標，到2020年，我國核電運行裝機容量應達7 000萬kW，形成核電裝備自主設計，主設備、關鍵配套設備制造和核級原材料提供的能力，并具備成套出口的能力。盡管2011年3月日本發生了嚴重的福島核事故，但這不會影響到我國的核電發展目標，而只會使我國在吸取福島教訓后更加穩妥地發展核電，在我國核電裝備國產化的進程中，安全性和可靠性仍然是設計、制造和運營過程中應重點考慮的問題。

本文論述了容錯糾錯設計技術、可驗證設計技術以及數字化與自動化設計技術在核電裝備設計中的應用前景，分析了上述設計技術對于提高核電裝備設計質量與設計效率的重要意義，探討了其中的關鍵技術。

1核電裝備的容錯糾錯設計

現代機電產品發生故障的隨機性很大，往往難以預料。工程實踐表明，除了少數突發故障以外，大多數故障如果早期發現，及時采取恰當的措施是完全可以防止的。雖然人們無法保證所設計的系統各個構成環節的絕對可靠，但如果將容錯、糾錯的概念引入到系統中，構成容錯、糾錯系統，則可以使系統中的各個故障因素對系統性能的影響被顯著削弱，這就意味著間接地提高了系統的可靠性。容錯糾錯技術為提高機電產品的可靠性開辟了一條新途徑。采用傳統方法(如精選元器件、篩選和老煉等)提高機電產品的可靠性已幾乎達到極限，而采用容錯糾錯技術可有效地提高機電產品可靠性，大大降低故障給系統帶來的危害；因此，容錯糾錯技術的使用將會產生顯著的社會和經濟效益[6]。面向核電裝備的容錯糾錯設計的最終目標是實現核電裝備的在線自維修功能，為核電裝備增加一層可靠性保障機制，提高核電裝備運行的安全性和可靠性。

核電裝備在使用階段出現故障的代價都可能是極其昂貴的，特別是由整個系統的非計劃被迫停機所引起的事故；因此，在核電裝備使用中是否能有效地防范故障，正確地檢測、預測出故障，快速隔離故障、快速修復故障，有賴于一種全新的面向故障可診斷性、可修復性的設計思想。近年來，新的設計理念、設計方法層出不窮，但是作為重要設計指標，貫穿產品的全生命周期的故障可診斷性、可修復性完整設計理論和方法還沒有形成；因此，面向可自診斷、自修復核電裝備的容錯糾錯設計理論的研究開發與應用，將大大減少核電裝備的運行維護成本，提高核電裝備的可靠性和安全性，同時也將為核電裝備的故障容錯糾錯設計提供一套行之有效的理論、方法與技術，具有重要的理論意義和實用價值。

具有容錯糾錯功能的核電裝備應具有極為完善的自檢測、自診斷和自修復功能，采用容錯技術，可以達到投入較少的資金而提高大系統的整體可靠性的效果。容錯糾錯設計的主要目的是糾正核電裝備中的錯誤，以提高系統的可靠性。容錯技術總是與冗余的概念緊密聯系在一起的，當某一個部件出現故障時，它所承擔的工作應由與其配對的正常部件來接替。如果這些部件僅用來提高系統的可靠性，而不影響系統的計算性能，則稱它們為冗余。冗余可用如下方式得到：1)對關鍵性的部件配備多份，同時工作(硬件冗余)；2)對關鍵性的操作配備若干個可供選擇的程序(軟件冗余)；3)采用糾錯碼或校驗碼來表達信息(信息冗余)；4)對關鍵性的操作重復若干次(時間冗余)。

根據核電裝備系統組成特點，核電裝備系統故障類型可以分為機械系統故障、軟件系統故障、信號系統故障和控制系統故障等。目前，對于機械系統容錯設計的研究主要是采用運動學冗余和可調機構的技術方案；對于軟件系統容錯設計，比較公認的方法有：軟件冗余和時間冗余等2種，提出的軟件容錯模型包括數據流分析模型和仿生免疫分析模型等；控制系統采用的容錯技術有看門狗(Watchdog)技術、雙機冗余系統設計技術、降額使用技術、系統重構技術以及控制系統自修復技術等。

為了保障核電裝備運行的安全性和可靠性，應在核電裝備的設計階段，尤其是產品設計早期充分考慮設備的可診斷性、可修復性需求，統一規劃核電裝備的可診斷性、可修復性指標和診斷與修復方法及相關信息，同時充分考慮核電裝備性能及其他生命周期的質量因素，建立起一套面向核電裝備全生命周期的產品故障容錯糾錯設計理論和方法。核電裝備容錯糾錯設計系統技術方案如圖1所示。

圖1　核電裝備容錯糾錯設計系統技術方案

1)機械系統容錯技術。通過增加機械系統的冗余自由度可達到提高可靠性的目的，但是并不是隨意增加冗余自由度。對于給定的任務目標，究竟需要多少個自由度，不同的自由度配置對產品性能有何影響，在機械結構冗余設計中可借鑒和利用機構學中有關運動學關節冗余、可調機構等的研究成果，建立多目標綜合的罰函數，基于遺傳算法研究機械冗余的優化設計問題。

2)軟件系統容錯技術。軟件失效最根本的原因是數據的畸變，最終的表現形式是數據的畸變，所以通過對數據流的研究而實施軟件容錯是一個重要而有效的途徑。可通過引入多優先級線程以及事件觸發機制，基于馬爾可夫鏈，建立軟件系統的事件觸發并發的動態數據流分析模型，用于監控軟件系統的失效故障；可綜合運用和發展N版本編程技術、恢復塊技術及N版本自檢編程技術等軟件容錯方法，進行軟件系統結構的冗余設計，基于遺傳算法研究軟件系統結構的優化問題。

3)信號系統容錯技術。可融合信號完整性檢查、信號恢復等技術，基于人工免疫算法和完整性策略機制研究信號系統免疫監測模型，使之保護機電產品中的信號數據安全。模型通過制定信號的完整性策略，檢查信號系統中違反完整性策略的事件，并對信號進行自動恢復，以維持信號系統的完整性。通過研究該模型的形式化描述、體系結構、實現方法，以及對人工免疫算法的關鍵問題(如免疫識別、免疫學習、免疫記憶、克隆選擇、個體多樣性、分布式和自適應等)的深入研究，使信號系統免疫模型具有快速反應能力及自我演化功能，并具有較好的自適應性和魯棒性，從而保證機電產品在安全可靠的環境中運行。

4)控制系統容錯糾錯技術。在綜合分析故障模式的基礎上，可基于預測控制理論設計魯棒容錯糾錯控制器，使得機電系統可在正常工作和故障條件下進行切換，控制器既可在正常工作狀態下獲得好的控制系統性能，又可在任何形式的故障情況(如傳感器、驅動器故障等)下，通過對冗余控制模塊的敏捷切換和系統優化重構，仍能保持系統的魯棒穩定性，即具有容錯、自修復功能。

通過對核電裝備進行容錯糾錯設計，可提高核電裝備的安全性與可靠性，當系統出現有限數目的故障時,核電裝備仍可連續、正常運行。

2核電裝備的可驗證設計

目前，國內外大多數企業和研發機構中，產品的設計工作和分析驗證工作是由不同的人甚至不同的部門，在產品研發的不同階段先后完成的。在這種開發模式中，驗證與設計沒有同步，驗證工作開始得太遲，設計缺陷的發現、定位以及修復的難度和工作量都很大，造成了驗證效率的低下。由于設計與驗證不同步，使得設計階段產品設計的信息沒有在驗證階段被充分利用，甚至造成重復建模或者出現兩者模型不一致的偏差，直接影響了驗證結果的可信度，這種開發流程使得發現、定位和修復設計缺陷的代價非常高，嚴重影響了機電產品的開發進程，驗證效率已越來越成為制約設計效率提升的瓶頸，驗證不應該是在機電產品設計完成后才進行的工作，而應該是機電產品設計工作的一部分[7]。

設計缺陷嚴重影響著產品的質量、可靠性與安全性，“7·23”甬溫線高鐵追尾事故就是因為列控中心設備存在嚴重設計缺陷，導致了重大的人員傷亡。核電領域曾經發生的烏克蘭切爾諾貝利核事故以及日本福島核事故教訓慘痛，這2起核事故的起因都與核電裝備的設計缺陷不無關系。調查表明，切爾諾貝利核事故是由于壓力管式石墨慢化沸水反應爐的設計存在缺陷，尤其是控制棒的設計缺陷。而導致福島核事件的主要原因是：1)由于設計缺陷使得核島設備存在安全隱患；2)建設時對自然災難引發的風險評估不足。

設計驗證的目的是要確保設計對象滿足在功能規約和約束規約中所定義的要求，機電產品的設計驗證是建立在設計對象功能規約和約束規約的基礎之上。機電產品在規模與功能上的擴展，使得其功能與約束的驗證越來越復雜困難，出錯的概率也大大增加，有些設計缺陷甚至可能引起災難性的后果。

如果在機電產品設計的初期，就能準確辯識、快速定位和無損修復機電產品中的設計缺陷，不僅有利于提高機電產品的設計質量與設計效率，而且有利于提高機電產品的安全性與可靠性。自2000年以來，國內外一些學者已經意識到了設計與驗證脫節的弊端，在面向驗證的設計思想、動態驗證模型的構建和基于約束的驗證方法等研究方面做出了有益的探索。機電產品是否能快速、高水平、高質量和高可靠地研制成功投入使用，有賴于一種全新的面向可驗證性的設計思想，因此應盡可能早地將功能和約束的驗證引入機電產品的設計之中，只有和設計同步執行驗證，才能保證在設計中不會引入新的缺陷，致使機電產品設計失敗。

功能與約束的驗證是機電產品設計開發過程中的重要環節，在實際工程應用中，由于機電產品在規模與功能上的擴展，使得按傳統方法進行系統的功能與約束驗證十分困難，機電產品設計中面臨的系統驗證方法和驗證環境的不完備等問題，也成為了傳統機械設計方法日益增重的負擔和提高設計效率和質量的瓶頸。

設計缺陷的辯識與設計缺陷的修復是機電產品可驗證設計系統中的兩大關鍵技術。機電產品設計缺陷的來源概括起來有2類：1)隨著機電產品復雜程度的不斷增加，對其功能和性能要求的不斷提高，以及對機電產品安全性可靠性要求的不斷提高，機電產品的設計過程越來越復雜，因而也就無可避免地帶來了更大的出現設計缺陷的可能性；2)隨著用戶需求的不斷變化，機電產品更新換代頻率的加快，機電產品新增功能的增加和性能的不斷提升，都會帶來新功能模塊和原有功能模塊相互之間的沖突，從而也會導致新的設計缺陷產生。

通過對現有機電產品設計缺陷的成因分析可知，導致機電產品設計缺陷的因素總結起來包括：1)基于經驗進行機電產品設計，缺乏相應的理論分析、計算和仿真研究；2)考慮到了某一個或某幾個技術性能指標而忽略了其他技術性能指標；3)深層次的運動機理未研究透徹；4)復雜的運動/裝配約束關系未完全滿足等。

為了更好地修復機電產品設計缺陷，應對設計缺陷的嚴重程度、修復的優先級加以區分。機電產品設計缺陷嚴重程度的等級可劃分如下：1)嚴重缺陷，不能實現正常工作功能或重要性能，或者危及人身安全；2)較大缺陷，嚴重影響系統基本功能或主要性能的實現，且難以修正；3)較小缺陷， 影響系統基本功能或主要性能的實現，但存在合理的修正辦法；4)輕微缺陷，使操作者不方便或遇到麻煩，但它不影響實現基本功能或主要性能。設計缺陷的修復優先級描述如下：1)最高優先級，缺陷導致系統的主要功能錯誤或者造成系統崩潰，危及人身安全，必須被馬上解決；2)較高優先級，缺陷影響到系統基本功能和主要性能的實現，造成后果的嚴重性較大，須盡快解決；3)一般優先級，缺陷影響到系統輔助功能和次要性能的實現，缺陷造成后果的嚴重性較小，排隊解決；4)低優先級，對產品的質量影響非常輕微或出現幾率很低的缺陷，可以在方便時再修復。

機電產品設計缺陷修復的成本/代價，平均而言，如果在需求分析階段修復一個缺陷的成本/代價為1，那么，在概念設計階段就是其3～6倍，在方案設計階段是其10倍，在初步設計階段是其20～40倍，在詳細設計階段是其30～70倍，而到了產品推向市場后，這個數字就是40～1 000倍，修復缺陷的成本/代價不是隨時間線性增長，而幾乎是呈指數增長的。機械產品常見的設計缺陷分類、缺陷原因及其表現形式概括總結見表1。

表1　機械產品常見設計缺陷分類、缺陷原因及其表現形式

發現設計缺陷后，應盡快修復設計缺陷，其原因在于設計缺陷并不只是在詳細設計階段產生，在需求分析階段和概念設計階段同樣會產生設計缺陷。一開始，可能只是一個很小范圍內的小缺陷，但隨著產品開發工作的進行，小缺陷會擴散成大缺陷。如果缺陷不能被及早發現，那么可能會造成越來越嚴重的后果，缺陷發現、解決的越遲，其修復的成本/代價就越高。

傳統的機電產品設計缺陷的修復是困難、耗時的手工過程，設計缺陷的修復能力依賴于機械設計開發人員的專業知識和行業經驗，這種現狀導致了機電產品開發周期長、成本高，完全采用手工方式進行機電產品設計缺陷修復已經難以適應機電產品復雜、快速多變的發展需求。

機電產品設計缺陷的修復可行的解決方案大體上可分為3類：1)根據設計缺陷辯識與定位結果，通過修改設計參數來修復設計缺陷；2)對機電產品設計方案做出較大調整、修改，來修復設計缺陷；3)對設計原理做出重大修正、重新設計，來可修復設計缺陷。其中，第3類修復解決方案實現起來的難度和工作量都最大。

考慮到設計缺陷修復的目的，結合到應用需求與技術發展現狀，本文首先確定了機電產品設計缺陷修復應該遵循的3條基本原則：1)在修復舊的設計缺陷的同時不能引入新的設計缺陷；2)修復成本最小化原則；3)修復后產品可靠性最大化原則。

在機電產品設計缺陷的辯識/修復中，如果有大量的產品設計前后設計缺陷辯識/修復相關信息和知識的支持，則可以有效提高設計缺陷辯識/修復的質量和效率。對于機電產品的設計缺陷辯識/修復而言，設計缺陷辯識/修復相關信息、知識的來源大致可分為：1)通過理論分析或仿真實驗獲取的驗前信息；2)專家知識及工程經驗；3)歷史試驗數據；4)單元及分系統試驗數據；5)相似系統信息；6)系統在不同環境下的試驗信息等。

目前，國內外學者已經意識到了機電產品設計缺陷修復研究的重要性，在進行設計缺陷辯識模型與方法研究的同時，開始嘗試進行設計缺陷修復的研究工作，但研究工作尚存在著如下不足之處：1)有關機電產品設計缺陷辯識/定位理論、方法與技術的研究，國內外學者已經做出了一些有價值的研究成果，但對于如何修復設計缺陷，如何做到設計缺陷的無損修復，研究工作尚不夠深入和系統；2)現有的設計缺陷修復技術的研究主要是針對軟件系統的設計缺陷修復、集成電路布圖設計缺陷修復以及曲面設計缺陷修復，而機械系統中設計缺陷的修復很大程度上依賴設計人員的經驗，自動化、智能化水平低，設計缺陷修復方法的通用性和可移植性差；3)現有的機電產品設計缺陷修復技術研究都是一種靜態修復技術的研究，或者說是一種事后/設計完成后的修復技術的研究，沒有提供一種有效方式來動態跟蹤設計變化對約束關系的影響，對設計缺陷進行動態辯識，在線修復。

出現上述矛盾的主要原因有：1)沒有對機電產品設計缺陷產生的原因進行深入細致的剖析，從而有針對性地來系統規劃設計缺陷的修復工作；2)設計缺陷辯識研究與設計缺陷修復研究脫節，沒有充分利用設計缺陷辯識中得到的有用信息來啟發、引導設計缺陷的修復工作；3)深層次的運動機理未研究透徹，無法從根源上尋找出設計缺陷的一攬子修復解決方案；4)沒有系統級的驗證模型和驗證方法對設計缺陷的修復效果進行評判。

核電裝備可驗證設計系統技術方案如圖2所示，其中的關鍵技術如下。

1)機電產品設計缺陷的約束關系網修復技術。通過對約束關系網中節點的數據結構、節點之間的連接關系以及約束關系網的訪問方式等基本問題的研究，提出構建約束關系網的通用方法，探索基于約束關系網的設計缺陷的修復模型與方法是一項非常有應用前景的研究內容。利用節點之間的連接權值來映射約束關系滿足程度，從約束關系網中的設計缺陷節點出發，以約束路徑權值的加懲罰因子平方和為能量函數，采用遺傳算法或蟻群算法對設計缺陷的修正路徑進行了優化，可得到設計缺陷修復參數的最佳組合，這種設計缺陷修復方法既可有效提高設計缺陷修復的質量和效率，又能保證在修復舊的設計缺陷的同時不引入新的設計缺陷。

設計缺陷的約束關系網修復方法適用于機電產品的干涉、裝配和可加工性等類型設計缺陷的修復。

2)機電產品設計缺陷的去特征化修復技術。每一種機電產品設計缺陷類型都對應著具體的缺陷特征(就像感冒對應著發燒和流涕的癥狀一樣)，其對應的特征指標有可能為一個或多個，設計缺陷的特征建模需要分別對每一種設計缺陷類型的特征指標與其影響參數之間的關系進行建模，設計缺陷的特征模型是實現設計缺陷去特征化修復的基礎，設計缺陷的特征指標與其影響參數之間的靈敏度分析是實現設計缺陷去特征化修復的關鍵。

機電產品設計缺陷的去特征化修復方法適用于由于參數不合理設置導致的機電產品的運動干涉、強度、剛度、精度、振動及可加工性等類型設計缺陷的修復。

3)機電產品設計缺陷的拓撲重構修復技術。通過對機構的回路缺陷、分支缺陷及運動順序缺陷等可動性設計缺陷的深入分析發現，這些可動性設計缺陷產生的根本原因在于在機構綜合設計中，設計位置點位于不同的回路、不同的分支或不同的拓撲順序，即設計位置點不是位于一條連續的拓撲同倫路徑上。這給了我們修復可動性設計缺陷的重要啟示：如果在機構綜合設計中，通過重建拓撲約束關系，將設計位置點布局在一條拓撲同倫連續路徑上，重新進行運動軌跡綜合，則有可能修復機構設計中的可動性設計缺陷，這方面的研究既有潛力，又有價值。

設計缺陷的拓撲重構修復方法適用于機電產品的可動性設計缺陷的修復。

4)機電產品設計缺陷的免疫仿生修復技術。生物體的免疫修復與機電產品設計缺陷的免疫修復從機理上來說是相同的，通過對生物體內的免疫修復機制的仿生研究來修復機電產品的設計缺陷是一項非常有應用前景的研究內容，有望取得創新性的研究成果。變異算子的設計是基于免疫仿生機理的機電產品設計缺陷免疫修復理論與方法的核心環節，它是產生變異體的根本依據，而變異體則可能是設計缺陷潛在的“巨噬細胞”，即修復版本。在變異算子的設計中引入可疑度指數和危險度指數，危險度指數高的設計變量優先進行變異，可疑度指數高的設計變量重點進行變異，可降低設計缺陷修復的成本，有望取得較好的設計缺陷修復效果。

基于免疫仿生機理，通過“疫苗接種”探索研究“啟發式變異算子”與變異算法，來研究設計缺陷的自動修復技術，可實現設計缺陷的自動化修復流程，最終提高設計缺陷修復的質量和效率。

設計缺陷的免疫仿生修復方法是一種通用方法，理論上來說，可適用于各種類型設計缺陷的修復。

5)機電產品設計缺陷無損修復輔助軟件工具。有關機電產品設計缺陷修復理論、方法與技術的研究，如果缺乏相對應軟件工具的研發，將導致研究成果與應用的嚴重脫節。開發機電產品設計缺陷無損修復輔助軟件工具，一方面可以通過集成上述新方法、新技術形成具有自主知識產權的特色方法；另一方面又可通過提供開放式軟件接口，供今后進一步擴展無損修復輔助軟件工具的功能，將更多的新方法、新技術集成應用于機電產品設計的實踐之中，同時機電產品無損修復軟件工具的運用，將減少對機械設計人員設計經驗的過分依賴，使得機械設計經驗較缺乏的設計人員也可以設計出高質量、高可靠性的機電產品。

在設計缺陷辯識與定位研究的基礎上，深入研究設計缺陷的無損修復理論與方法，可構建核電裝備設計缺陷無損修復理論與方法技術體系，保障在修復舊的設計缺陷的同時，不引入新的設計缺陷，實現設計缺陷的無損修復，進而大幅提升核電裝備設計的自動化技術水平，保障核電裝備設計的質量和效率，為實現核電裝備的可驗證設計提供行之有效的理論、方法與技術支撐。

圖2　核電裝備可驗證設計系統技術方案

3核電裝備的數字化與自動化設計

數字化樣機技術是20世紀80年代迅速發展起來的一項計算機輔助工程技術，隨著波音777、空中客車380等民用飛機的推出和我國新一代先進戰斗機“梟龍”系列的問世及科技型制造業的崛起，“數字化”的概念逐步進入了人們的視野。數字樣機是指相對于物理樣機，在計算機上表達的機電產品整機或子系統的數字化模型，其作用是用來驗證物理樣機的功能和性能。數字樣機在功能上可實現產品干涉檢查、運動分析、性能模擬、加工制造模擬、培訓宣傳和維修規范等。

隨著計算機輔助設計(CAD)軟件能夠創建越來越精確的三維CAD模型，數字樣機開發逐漸被明確提出。國際知名的研究機構Aberdeen與主流的CAD廠商共同完成的一項研究表明，采用數字樣機開發技術不僅能夠大大減少物理樣機的制作數量，從而降低成本，而且可以提高產品研發效率，縮短產品上市周期，降低產品研發的風險，使研發的產品更加適應市場需求。作為先進的設計方法，數字樣機技術的應用對設計的創新、提高設計工作效率、減少設計缺陷、提高設計質量和加快產品開發周期有著重要的意義。

數字化樣機技術在發達國家，如美國、德國等都已經得到了廣泛的應用，應用領域包含了汽車業、工程機械、航空航天業、機械電子業、國防工業、通用機械以及人機工程學等諸多領域。美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首架以無圖樣方式研發及制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用的數字化樣機技術。這不但使研發周期大大縮短，研發成本顯著降低，而且很好地保證了最終產品的一次拼裝成功。美國航天航空局(NASA)噴氣實驗室(JPL)研制成功的實現在火星上軟著陸的“探路號”探測器，也是成功應用數字化樣機技術設計的范例。

產品設計通常可以分為創新設計和變形設計兩大類。在實際的設計工作中，大約有70%屬于變形設計，即在原有產品的基礎上，按市場需求進行局部變形、調整或模塊重組，形成新的產品。變形設計的實現過程可以最大限度地利用企業已有的成熟產品資源，具有很強的靈活性和適應性。變形設計不但可以快速開發產品、響應市場，而且還可以極大地降低產品設計階段的成本，是一種適應于大規模客戶化定制生產模式的現代設計方法。變形設計有效地解決了大批量生產的低成本、短交貨期與定制生產的高成本、長生產周期的統一問題。

機械零件是最適合參數化設計的，因為它們往往具有相類似的形狀和結構，且控制形體的尺寸約束和幾何約束的種類和數量都是相同的，即產品型號的不同，各個組成零件的尺寸大小不同，而結構卻是相似的，所以能夠通過參數化來進行產品的系列化設計與開發。

參數輸入部分提供了主要的尺寸輸入。用來驅動模型中對應的尺寸重新生成模型。如果數據較多，可以通過Access軟件建立系列尺寸數據庫，通過調用數據查詢函數，直接調用Access軟件數據庫中的數據，來驅動模型中的系列尺寸的重新生成，可提高設計效率。在機電產品的快速變形設計中，也可以將常用的一些強度校核計算等功能集成到所開發的變形設計程序中，以加快同類產品變形設計的速度，并保證設計質量。

在建立大型復雜裝配件時，因為零部件過多，易發生裝配干涉。在Pro/E軟件中提供了一個骨架模型的功能，允許使用者在加入零件之前，先設計好每個零件在空間的靜止位置，或者運動時相對位置的結構圖。當設計好結構圖后，利用結構將每個零件裝配上去，以避免不必要的裝配限制沖突。在復雜產品的裝配設計中采用骨架模型具有如下優點。

1)集中提供設計數據。骨架模型定義了一些非實體單元，例如參考面、軸線、點、坐標系、曲線和曲面等，勾畫了產品的主要結構、形狀和位置等，作為裝配的參考和設計零部件的參考。

2)零部件位置自動變更。零部件的裝配是以骨架模型中基準作為參考的，因此，零部件的位置會自動跟著骨架模型變化。

3)減少不必要的父子關系。因為設計中要盡可能的參考骨架模型，而不參考其他的零部件，所以可以減少父子關系。

4)可以任意確定零部件的裝配順序。零部件的裝配是以骨架模型作為基準裝配的，而不是依賴其他的零部件，因此，可以方便地更改裝配順序。

5)改變參考控制。通過設計信息集中在骨架模型中，零部件設計以骨架作為參考，可以減少對外部參考的依賴。

通過創建產品初始零、部件模型庫，開發應用程序，設計人性化的人機交互界面，可建立一個由參數控制的產品參數化快速變形設計系統。零、部件模型的快速調用和參數的便捷修改，可節省設計中的大量重復工作，縮短設計時間，提高設計效率。

4核電裝備數字化與自動化設計案例

自動開封蓋裝置是核電站核放射性廢料處理流水線中不可或缺的關鍵設備，在核廢料的處理過程中，首先將放射性核廢料裝入廢料金屬桶，進行水泥固化，然后自動開封蓋裝置為廢料桶蓋上桶蓋，擰緊螺栓，將廢料桶封裝。

自動開封蓋裝置數字化樣機快速設計平臺(以下簡稱為“設計平臺”)的開發將減少非標設計物理樣機的數量，在數字環境下完成設計和驗證的大部分工作，降低設備開發的風險；設計平臺的建設將大大提高產品設計的效率，以計算機替代人力進行復雜的運算、校核，提升設計效率；此外在設計平臺的支持下，可以對設計缺陷進行自動辨識和修復，縮短設計周期，保證設計質量，最終設計平臺在參數化設計方法的支撐下，能夠完成自動開封蓋裝置的快速變形設計，形成系列產品。

設計平臺的研發對于提升非標設備的開發能力，提高設計效率具有重要的意義。該設計平臺能夠完成開封蓋裝置的快速變形設計，也為其他核電核心裝備的快速智能化設計模式提供了重要的參考和模板，其方法和原理能夠向更多的產品推廣，從而從根本上提升核電設備的研發能力，加快核電設備國產化的進程。

設計平臺以創建自動開封蓋機的數字化樣機為核心，基于Pro/E 5.0軟件構建自頂向下的自動開封蓋裝置快速設計系統，并集成ANSYS、ADAMS等軟件對樣機進行優化設計、運動學和動力學仿真，最終形成核電產品數字化樣機設計的一般規范。項目的總體技術架構如圖3所示。

設計平臺將自動開封蓋裝置的機械結構分解為支架、平動機構、提升機構、旋轉機構、取蓋機構、擰緊軸和存蓋裝置等七大部件模塊，基于此來構建開封蓋機的骨架模型，具體的結構劃分如圖4所示。

圖3　自動開封蓋裝置數字樣機快速設計平臺技術框架

圖4　自動開封蓋裝置的骨架模型

用戶進入設計平臺，進行自動開封蓋裝置快速設計的基本流程如下：1)進入“總體設計模塊”，該模塊的輸入信息為開封蓋機的基本性能參數(如核廢料桶的規格、總體尺寸)，該模塊的輸出信息為一系列推薦的七大部件模塊的結構參數，該推薦的結構參數可作為“參數化設計模塊”的輸入參數；2)逐一進入七大部件的“參數化設計模塊”，以總體設計獲得的推薦參數或者用戶需要的參數作為輸入，自動獲得各個模塊的變型設計三維模型；3)調用“總體裝配模塊”，將經過重新設計的七大部件按一定順序進行組裝，明顯的干涉和錯誤會進行自動調整或者提示用戶進行手動調整；4)調用“缺陷辯識/修復模塊”，對組裝的整機中存在的更多設計缺陷進行辨識和分析，并自動調整或者提示用戶進行手動調整。

自動開封蓋機數字化設計平臺包括如下基本功能模塊。

1)總體設計模塊。

2)參數化設計模塊。包括：a.支架參數化設計模塊；b.平動機構參數化設計模塊；c.提升機構參數化設計模塊；d.旋轉機構參數化設計模塊；e.取蓋機構參數化設計模塊；f.擰緊軸參數化設計模塊；g.存蓋機構參數化設計模塊。

3)總體裝配模塊。

4)缺陷辯識/修復模塊。

上述功能模塊之間的關系如圖5所示。

圖5　自動開封蓋裝置數字樣機快速設計系統功能模塊圖

上述實施方案完成后，將實現自動開封蓋裝置數字化樣機設計全流程的自動化，實施方案中增加了頂層的“總體設計模塊”，采用上述實施方案，可以減少甚至避免出現由于各結構部件“參數化設計模塊”參數輸入不合理造成的總體裝配不協調等問題。在該實施方案中還增加了一個“缺陷辯識/修復模塊”，該模塊可在一定程度上避免設計失誤的出現，保障自動開封蓋機的設計質量。

5結語

本文探討了容錯糾錯設計技術、可驗證設計技術以及數字化與自動化設計技術在核電裝備設計中的應用前景，分析了上述設計技術對于提高核電裝備設計質量與設計效率的重要意義，研究了其中的關鍵技術。在核電裝備設計的早期引入容錯糾錯技術、設計驗證技術，可大幅縮短設計驗證時間，降低設計驗證難度，實現設計缺陷辯識、定位和修復的集成，從而有效提高核電裝備的設計質量、水平和效率，保障核電裝備運行的安全性與可靠性。容錯糾錯設計技術、可驗證設計技術以及數字化與自動化設計技術的研究及其在核電裝備中的應用將會產生顯著的社會和經濟效益。

參考文獻

[1] 謝友柏. 設計科學的爭論和設計競爭力[J]. 中國工程科學, 2014, 16(8):4-13.

[2] Rehage D, Carl U B, Vahl A. Redundancy management of fault tolerant aircraft system architectures-reliability synthesis and analysis of degraded system states[J]. Aerospace Science and Technology,2005,9:337-347.

[3] 王遠隆. 中國核電裝備的國產化[J]. 科技導報, 2012, 30(20):65-70.

[4] 中國工業新聞網. 積極推進核電建設推動核電國產化發展[EB/OL]. [2006-04-04]. http://www.cinn.cn/xw/chanj/110204.shtml.

[5] 中國產業信息網. 2015年中國核電裝備行業發展現狀及發展趨勢淺析[EB/OL]. [2015-08-17]. http://www.chyxx.com/industry/201508/336867.html.

[6] 范守文,黃洪鐘. 機電產品的容錯糾錯設計系統及其基本框架研究[J]. 計算機集成制造系統, 2007, 13(7):1275-1281.[7] 范守文,熊靜琪. 機電產品的可驗證設計系統及其實現框架研究[J]. 計算機集成制造系統, 2010, 16(6):1151-1157.

責任編輯鄭練

Some Thoughts on Improving the Design Quality and Efficiency of Nuclear Power Equipment

HE Yingyong1, ZHANG Feng1, REN Xianchang1, FAN Shouwen2

(1.China Nuclear Power Design Co., Ltd., (Shenzhen), Shenzhen 518000, China; 2.University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Abstract：The application prospect of fault tolerant error correction design technology, verifiable design technology, digital and automation design technology in the design of nuclear power equipment is discussed, the importance of the technology in improving the design quality and design efficiency of nuclear power equipment is analyzed, and the key technology is studied. Taking automatic capping device as example, the digital prototype is built. The design, analysis, simulation and verification are completed in the digital environment. The design and automation of the digital prototype is realized. The platform and design specification of digital prototype is formed, which provides the basis for the rapid and automatic design of nuclear power equipment.

Key words:fault tolerant error correction design, verifiable design technology, digital and automation design

中圖分類號：TH 215

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-10-14

作者簡介：何英勇(1978-)，男，工程師，主要從事核島設備設計等方面的研究。