參數化快堆協同設計平臺的設計和開發

劉晨　楊紅義　宋青

摘? 要：快堆設計是一項復雜的工程設計活動，涉及多學科的綜合應用，同時也面臨研制周期長、型號任務重等嚴峻形勢。隨著信息技術和網絡技術的快速發展，通過信息集成、過程集成和知識集成，構建統一的協同設計平臺，已經成為實現數字化快堆設計的重要保障。通過規范各設計技術流程，對設計所用的各種CAD/CAE軟件、自研程序進行有機整合，并對設計數據進行有效管理，從而構建以參數化驅動的協同設計平臺，進一步提高新型號快堆設計研發能力。

關鍵詞：數字化? 快堆設計? 參數驅動? 協同設計

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

核電站設計是一項復雜的工程設計活動，其理論基礎廣泛，包含各項核科學技術的綜合應用。快中子反應堆作為第四代反應堆的堆型，實現裂變核能的可持續應用。我國于20世紀80年代開始進行了以實驗快堆為目標的應用基礎研究，已完成了我國第一座快中子反應堆——中國實驗快堆（CEFR）的設計和設計驗證工作，初步具備自主研發大型快堆的能力。當前，在新型號快堆的設計過程中面臨著知識傳承和積累，靈活、柔性的設計流程管理，跨專業的設計和仿真工作環境，質量管理融入設計過程等難題。鑒于以上要求，開展快堆研發設計工作的研究，建立起一套將流程、知識、方法有機結合的協同設計環境，為滿足各專業、各設計人員間協同研發、并行設計的開展需求，實現各專業間業務協同和信息共享。

本文重點闡述在快堆設計研發工作中構建統一協同設計平臺的建設思路和內容，從快堆研發設計特點進行分析，闡述了協同設計平臺（一期）的架構、建設內容，并介紹了堆本體一體化布置專業、堆芯設計專業和廠房總體布置專業的實際開發實踐。

1? 面向參數驅動的快堆協同設計需求分析

隨著計算機技術、信息化技術的飛速發展，新型號快堆設計在當前傳統的設計和管理方面正面臨著新的挑戰和要求，主要體現在以下幾個方面。

（1）核電站設計是典型的多學科綜合設計。

各個學科由專業學科技術人員進行設計分析與優化，由于采用的設計方法和設計重點不同，限制了學科間的交互交流，使得設計決策過程變得冗長，單用戶設計系統已不能滿足設計需求，也無法保證各學科內部以及各學科之間的接口對接，各專業之間的碰撞問題，設計結果往往難以滿足要求。

（2）傳統的核電站設計是串行迭代的設計模式。

在設計階段形成的設計方案和設計圖紙在建造階段往往會遇到管道、設備位置與實際情況發生不匹配甚至是沖突的情況，給現場的施工帶來了很大的挑戰，也嚴重地影響了工程的設計進度和建設質量，造成整個工程建設投資增加。

（3）CEFR技術還沒有真正消化和完全掌握。

盡管我國第一座快中子反應堆CEFR是由我國完成全部設計和設計驗證任務，但仍然有很多技術沒有真正消化和掌握。結合CEFR的成功設計實踐，在消化吸收國外設計資料的基礎上，對技術流程進行梳理，參數驅動的技術流程梳理將使工藝設計過程參數化，技術流程顯性化，通過流程引導設計，使設計過程規范化。

（4）核電設計的工具軟件使用各不統一。

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

（5）設計過程中產生的工程數據分散和不規范在設計過程中產生大量的數據和文件，包括：各種設計數據、分析仿真數據、文件、報告等，當前絕大部分技術文件、圖紙已采用電子格式編寫或設計，分散在各個管理系統，甚至是設計人員個人電腦中，處于分散管理的狀態。設計者之間不能通過系統進行信息溝通和知識共享，各種知識關聯關系沒有管理，缺乏一致性，以至造成重復設計、設計版本不一致等情況，影響了工程設計質量和進度。

（6）傳統設計管理手段落后。

傳統依靠人力以紙質文件的設計管理手段已不能滿足當前設計需求。當前對設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，工作流程中數據的傳遞方式和類型不明確。更重要的是，無法在設計流程的引導下開展工作，實行計劃和執行情況之間缺乏互動，調度困難，不能很好的監控整個設計過程，同時設計過程是否符合規范等內容不能很好地監督和衡量，導致整個設計效率的降低，管理人員工作強度大。

（7）快堆設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，在如此長的設計周期內，設計人員的頻繁更替在所難免。如何保留設計過程中的設計知識、設計經驗，固化設計流程，為工程后期的調試、運行和退役提供依據，為后續設計優化和再利用提供參考，已經成為阻礙核電發展的重要瓶頸。為保證核電站的經濟性和安全性，應該從項目開始階段就考慮對核電站設計、施工、檢修至最終核電站退役整個生命周期進行全過程管理，通過知識的積累最大限度地提高設計質量，降低設計、管理、維護的各項成本，從而全面提升核電站的經濟效益。

綜上所述，如何協同地管理快堆型號設計及仿真過程中的各項關鍵數據和知識，成為縮短設計周期、降低研發成本與研發風險的關鍵，同時也成為快堆所生存和發展的重中之重，因此建立以滿足三維設計為前提的協同設計平臺是迎接核電新機遇的首要任務。

2? 參數化快堆協同設計平臺的設計方案

協同設計作為一種科學、有效、先進的管理手段和方法，將技術和資源有效地組織、管理和應用起來，以集成設計為手段，逐漸弱化工具類軟件在單一領域的功能，強化軟件之間的協同研發能力，均衡多物理屬性的開發需求，強調了集成解決方案的重要性[1-6]。

2.1 參數化快堆協同設計平臺架構

采用索為SYSWARE軟件作為一款快堆參數化協同設計平臺，以新型號快堆設計為需求，以數字化設計和仿真為技術手段，建立一套集設計、管理功能于一體的，符合核電設計需求的三維協同設計平臺，集成相關設計軟件（方法）、標準、規范、經驗等，將流程、軟件（方法）、知識等有機融合，通過“工程經驗模板化、工具軟件集成化、產品設計協同化、經驗數據知識化、項目流程規范化”的研發模式，實現參數化驅動的協同設計，滿足各專業間業務協同和信息共享，其體系架構如圖1。

通過建立以不同權限多角色操作的用戶界面層，以統一的用戶界面滿足設計人員、管理人員和決策人員不同的顯示需求，實現個性化的工作方式;

通過建立以支持設計任務、流程管理和滿足多學科集成設計的應用平臺層，針對不同專業特點形成不同專業設計子系統，實現對整個設計過程的管理和控制;

通過集成各類設計軟件工具，提供多種專業軟件設計工具，并提供數據管理接口和流程管理接口，實現統一的集成設計環境的軟件集成層;

通過建立以數據、知識、經驗管理為核心的數據支持層，形成設計基礎數據庫、設計、仿真模型庫、設計模板庫和規范、資源庫實現對數據信息資產的支持和管理;

通過建立以并行計算為中心的高性能計算系統，形成整體數據中心，實現滿足專業工藝軟件、數據處理軟件平臺運行的硬件支撐;

通過對上述角色、資源、設計過程以及知識等多維度的協調，構建一個多層次多角度參數化設計環境的協同設計平臺。

2.2 快堆協同設計平臺建設內容

協同設計平臺是通過多種技術的綜合應用，把相關聯的獨立設計活動融合的設計支持環境。通過搭建新型號快堆工藝設計過程模型的任務及流程管理框架，實現設計過程管理和控制;提供軟件集成和運行環境，集成工藝設計階段所用的設計軟件工具;對設計知識和經驗進行固化，進行有效的知識管理和重用;通過可擴展的數據庫技術來搭建可控可追溯的過程數據管理。目前我所基于國內各行業集成開發平臺的建設經驗，開發面向新型號快堆的協同設計平臺，該平臺的建設內容主要包括以下三個部分如圖2。

（1）設計管理協同環境。

設計管理協同環境包括設計流程管理及設計數據管理兩個部分。設計流程管理是由一系列快堆所自身業務流程組成。通過對設計流程管理的建立，在技術流程梳理的基礎上，根據設計任務的WBS結構，建立設計流程模型，將流程與數據、工具、知識相關聯。由流程引擎驅動設計流程的流轉，并根據流程節點的完成狀態進行流程監控;設計數據管理是提供專業的設計數據管理服務器，保證數據集中管理，減少大量查找設計數據的時間，快速獲取數據，積累、重用設計歷史數據，保護數據的知識產權。

（2）設計執行協同環境。

通過設計執行協同環境，為設計人員提供一個集設計工具、設計模板、設計過程一體化的設計工作臺面。通過工具集成、過程標準化及規范化、參數化及參數管理、優化設計、設計知識管理、基本設計資源模塊的建立，形成設計執行協同環境。快堆型號設計的各種設計技術流程，都可以全部在設計執行協同環境中集中起來，形成一個綜合化的快堆設計執行協同環境。根據快堆標準設計的技術流程，對各設計模板、子流程的邏輯關系和數據傳遞關系進行定義和搭建，集成主工藝專業設計功能模塊，能夠快速形成設計工具軟件。通過開發快速設計向導，將設計流程進行封裝，以類似設計流程向導的形式將參數、設計要求按照相應型號的設計流程逐級傳遞，同時驅動三維建模工具自動進行模型特征的加載和創建，減少手工創建特征的繁瑣。同時利用參數關聯技術將參數與流程、模型庫進行關聯，實現整體結構的隨動，方便進行模型的快速修改和變更。

（3）設計資源支撐環境。

工具軟件包括各種CAD/CAE設計工具和自研程序作為專業設計軟件集成的基礎設計資源，通過各種設計工具及自研程序可建立設計模型，進行各種設計分析計算機結果分析處理;通過基礎數據庫的建立，為協同設計平臺中各種業務系統的數據提供統一的數據訪問、處理和管理等服務，能夠建立任務流程、設計、仿真、知識以及其他數據之間的關聯關系，實現設計過程數據的一體化管理，提高數據維護、數據轉換與集成效率，保證各系統數據同步和協調，滿足數據項的可追溯性;通過知識庫的搭建，進行統一的知識資源的存儲、組織和管理，從而滿足后續對知識資源系統靈活性、可定制性、擴展性方面的要求。

3? 專業子系統的開發

通過前期參數化快堆協同設計平臺的建設，已完成參數化快堆協同設計平臺一期建設，開發了堆本體一體化布置軟件包、堆芯設計軟件包和廠房總體布置軟件包，初步形成快堆設計部分專業的參數化協同設計環境。

3.1 堆本體一體化布置軟件包

通過TDE/IDE集成環境實現GUI界面的交互、流程的控制管理及數據的傳遞管理，利用CATIA軟件進行三維實體效果展示，如圖3，通過構建線框模型系統，用于CAD和CAE的關聯設計，最終形成一套用于堆本體布置軟件包的結構方案設計軟件。

3.2 堆芯設計軟件包

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

對概念設計階段堆芯設計流程進行建模，如圖4形成堆芯設計流程模版，建立了物理、安全、熱工、組件、屏蔽五個專業的工程模板庫，圖5-6，形成堆芯設計分析專業軟件包，實現了堆芯概念設計階段的多專業協同設計。

3.3 廠房總體布置軟件包

選取新型號設計核島廠房作為案例進行相應的業務方案定義、設計開發、測試驗證、系統部署，通過集成CATIA軟件及二次開發實現成核島廠房總體布置，如圖7，便于方案設計的快速布置、調整，提高總體布置的工作效率。

4? 結語

自主化新型號快堆的研發設計工作是一項艱巨的歷史重任，為保證核電設計的安全性、可靠性和經濟性的條件下，研發工作需要在多學科、多專業不同的設計人員之間有效、協調、快速展開。為實現這一目標，必須有相適應的技術平臺作為支撐，通過規范各設計技術流程，對設計所用的各種CAD/CAE軟件、自研程序進行有機整合，并對設計數據進行有效管理，構建以參數化驅動的協同設計平臺，實現了各專業、各設計人員間協同研發、并行設計，以此來提高設計人員的工作效率，確保設計質量。

參考文獻

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