CFETR數字化氚工廠數據庫初步設計

姚棨臨

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 前言

隨著人類的發展，能源的消耗越來越大，傳統能源不僅在儲量上已捉襟見肘，而且還會對環境造成嚴重破壞，尋找新能源已經成了人類迫在眉睫的問題。自20世紀50年代以來，許多科學家都投身于對通過可控核聚變產生能源的研究，而且目前已有一定成果。

中國聚變工程實驗堆（CFETR）是中國自主設計和研制并聯合國際合作的重大科學工程，是中國在全面消化吸收國際熱核聚變實驗堆相關技術的基礎上，預先開展下一代超導聚變堆研究的重大項目[1]。CFETR將基于托卡馬克基本的磁約束位形結構，并借鑒過去幾十年磁約束核聚變物理及工程技術的研發成果來進行建設[2]。

聚變堆的運轉離不開燃料的循環，氚工廠就是聚變堆的燃料循環系統[3]，其內部流程復雜，對安全性與穩定性的要求高，在未來的聚變堆氚工廠中使用數字化管理是必然要求。而且考慮到氚工廠所管理的“氚”同時具有放射危險性和戰略價值，氚工廠應該要具備一定的信息和管理方面的獨立性。因此需要在CFETR集成平臺之外再設計氚工廠集成管理平臺，它既能作為子平臺與CFETR集成平臺進行對接，又具備一定的獨立性。數字氚工廠集成管理平臺的建設能提高建設氚工廠相關工程任務的效率，對氚工廠系統的研發和建成具有重要的支撐作用。

1 數據庫結構設計

1.1 數據庫需求分析

對于數字化氚工廠中的設備，其包括的數據可以分為2類：1）設備的基本信息和工藝參數。該信息非常穩定，除了主動修改不會隨時間發生變化，數據量也相對較小。2）設備運行過程中的實時數據。該數據受實際環境的影響，隨時間變化而產生波動，數據量非常大。

兩類信息對數據庫的要求有很大的不同。實時數據的儲存周期短、數據量大，對讀寫速率和容量的要求高；而普通數據對讀寫準確性和丟失率的要求相對較高。這種對數據儲存需求的不同導致兩種數據要使用的儲存引擎也不同，所以兩者通常不儲存于同一數據庫中（通過合理的表設計與連接可以使兩者互通）。

因此，將數字化氚工廠設備數據庫分為設備工藝信息庫和設備運行數據庫，前者儲存設備的基本信息和工藝參數，后者儲存設備運行的相關信息。從特性上來看，氚工廠設備工藝信息庫更適合選用關系型數據庫。該文主要設計基于關系型數據庫的數字化氚工廠設備工藝信息庫，數據庫管理系統選用MySQL。

1.2 數據庫結構設計

根據數據的特點和應用方式，將數字化氚工廠數據庫系統分為底層數據、運行數據以及應用數據3個層次，如圖1所示（帶“*”的字段為主鍵）。

圖1 氚工廠數據庫結構

底層數據實際上是氚工廠系統、設備、文檔和人員的管理數據，儲存氚工廠中的各種靜態信息和參數，并通過表關系相互關聯，形成一個數據表關系網。該數據網既可以用于數字化氚工廠的數據管理系統，以便于進行設備、人員以及文檔的管理，又能夠關聯實時數據庫，對實時采集的數據進行擴充與解釋，使其擁有工程意義。

運行數據是氚工廠運行過程中產生的實時數據，包括實時數據記錄和操作記錄。前者是由傳感器采集而來的，后者是通過操作人員記錄（或者自動記錄經確認）得來的。運行數據隨時間實時產生，為確保數據庫的容量，單條數據內容較少，通過與底層數據的關聯，可以擴充其信息量，使其具有工程意義。例如對于某條實時數據來說，可以通過傳感器的“設備ID”、“所屬系統”將其連接至系統信息表與設備信息表；再通過“測量時間”與操作記錄表進行關聯。經過這樣的數據關聯與擴充，用戶就能知道關于這條傳感器記錄數據被記錄時的傳感器參數、系統參數、系統狀態以及相關操作記錄，傳感器的實時記錄也就成了系統某狀態下某測點的參數。

應用數據是針對某一具體的使用場景，將運行數據與底層數據進行組合產生新的數據表，以用于界面前端的具體功能頁面。由于應用數據中的內容全部為已有數據的組合，因此可以將應用數據表設置為虛擬表，以減少儲存空間的消耗。以工藝流程管理功能為例，為實現管理某個工藝流程進度的功能，需要知道工藝流程所屬系統名稱、工藝名稱、當前系統狀態、工藝流程關鍵物理量以及測量時間，這些內容全部由底層數據與運行數據提供，工藝設計人員在編寫完運行規程后再編寫幾個工藝流程運行表，設置不同流程進度（系統狀態）下關鍵物理量的數據源即可。

2 設備信息數據表設計

要在數據庫管理系統中建立數據庫，還需要對數據庫的具體邏輯結構進行設計，包括表設計和關聯設計。表關聯設計已在圖1中展示，該小節進一步對數字化氚工廠設備信息數據表進行開發。

2.1 設備信息轉化為表信息

關系型數據庫的設計實際上是表與表關系的設計。通常來說，通過分析某實體來創建數據表，表名和實體名是一致或相似的。要設計數字化氚工廠設備信息數據庫的設備信息表，就要先對氚工廠設備進行整體性分析。

將氚工廠設備信息按照其意義、用途以及指向目標進行劃分，對于某一設備來說，它通常包括以下信息。

2.1.1 標識信息包括ID、名稱等用于標識設備的信息，所有設備都具備該信息，用于區分設備，無工程意義。

2.1.2 管理信息

每個設備都具有的、與設備管理相關的信息，例如“所屬系統”、“設備負責人”以及“品牌型號”等。

2.1.3 模型信息

設備可能有對應的三維模型，模型信息記錄與設備對應三維模型相關的信息，例如模型文件路徑、模型上傳者等。該信息指向三維模型文件，通常被用于數字化系統中與三維模型相關的功能（模型的管理、預覽、編輯等）。

2.1.4 工藝參數信息

與設備工藝參數相關的信息，相當于設備工藝參數文件的精簡化、字段化。例如儲氚量、工作溫度、工作壓力、最大容量以及吸放氫特性等，對于不同的設備，其工藝參數信息字段會有較大的差異。設備的工藝參數信息與運行數據是密切相關的，設備工藝參數會影響系統運行時采集數據的計算和修正方式，還會影響系統的報警值。此外，在數字化氚工廠集成管理平臺的設計方案中，設備運行數據還能通過大數據分析反饋數據庫中保存的設備工藝參數，真正做到對數據的智能化管理。

2.1.5 延展信息

延展信息指向與該設備相關的文檔的信息，該文檔可能是與設備相關的工藝規程、試驗方案，也可能是針對某些工藝參數的詳細分析或者實驗驗證報告等。該數據由于內容較多，無法通過數據表來描述，只能制成文檔保存在文檔管理系統中，通過在數據表中插入文檔路徑，在數字化氚工廠集成管理平臺的應用中導航至對應文檔。

2.1.6 編輯信息

編輯信息主要與該條記錄的變動有關，例如編輯時間、編輯者等，通常用于對信息版本的管理。

其中“標識信息”、“管理信息”、“模型信息”、“延展信息”以及“編輯信息”為設備的固有信息，每個設備的字段都相同。根據氚工廠的需求，初步設計一個氚工廠設備信息表，見表1。

表1 氚工廠設備信息表

對于不同的設備，其工藝參數可能會完全不同，因此需要分別對每一類設備的工藝參數字段進行設計。在設備管理界面中，根據選擇的設備類型，展示該類型設備的相關信息。此外，用戶可以創建新的設備類型，設計設備的工藝參數字段，并將其保存至數據庫。

2.2 儲氫床與計量器具工藝參數表設計

上文已經對數字化氚工廠設備信息表進行了整體設計，該小節以儲氚床和計量器具為例，在表1的基礎上完善氚工廠設備信息表。SDS的核心任務是安全、快速地儲存與供給大量的氘氚燃料氣體并對氚進行計量。而儲氫床是SDS的核心組件，其主要任務就是完成氫同位素燃料氣的安全儲存、快速供給以及在線氚計量。因此最大容量和吸放氫特性就是儲氫床最重要的工藝參數。材料、溫度、氫壓的影響床體結構對于SDS儲氫床性能的影響較大。對于儲氫床來說，材料、床體結構以及最大容量是一個確定的屬性，可以作為字段添加進儲氫床的設備信息表中。而溫度、氫壓以及吸氫量則是實驗中的變量，不是一個定值，需要以P-c-T曲線的形式來表達。“吸氫特性”和“放氫特性”字段儲存文件路徑，以文件的形式記錄吸/放氫實驗中的各項參數，并能通過數據可視化功能生成P-c-T曲線。儲氫床的工藝參數字段有“儲氫材料”、“最大容量”、“吸氫特性”以及“放氫特性”。對于計量設備來說，用戶需要知道計量設備的量程、精度以及傳輸類型，以便于確定計量設備的使用場景，或對實時數據進行誤差分析。計量設備參數字段有“信號類型”、“量程下限”、“量程上限”以及“精度”。

用上述參數字段分別代替表1中的“工藝參數字段”，即可得到儲氫床與計量設備的設備信息表。

2.3 設備實時數據庫設計

實時數據庫包括實時采集數據表和操作記錄數據表，這2個數據表的字段和關聯關系已經在圖1中展示出來了，該小節具體解釋各字段的意義與用途。

對于實時數據庫來說，由于數據量極大，因此數據表的設計應當盡量簡潔。數據采集表和操作記錄表見表2 和表3。

表2 數據采集表

數據采集表儲存運行/實驗過程中傳感器采集的數據，每一次采集就會往表中添加數據記錄。由于每個傳感器在某時刻的采集數據是唯一的，因此將數據表的主鍵設置為“傳感器ID”和“測量時間”的聯合主鍵。該表通過“設備ID”字段與設備信息表進行關聯，當產生一條實時數據時，通過該關聯就能得到該傳感器的負責人、型號、量程、精度以及所屬系統等信息。此外，結合“所屬系統”和“測量時間”就能得到該系統最近的操作記錄，從而得知該數據是在系統進行何種操作后、處于何種狀態下被記錄的。

操作記錄表用于記錄系統的運行動作，由于某一系統在同一時刻只能有一組操作，因此將“系統ID”和“操作時間”設置為聯合主鍵。操作記錄表通過“系統ID”與系統信息表進行關聯，通過“操作員”與人員信息表進行關聯。“系統狀態”用于記錄操作后的系統狀態，并以閥門狀態圖或閥門狀態表的形式展示出來。在系統流程的編寫中，系統的操作會有對應的閥門狀態圖和閥門狀態表，儲存閥門狀態圖和閥門狀態表編號就能以編碼的形式在操作記錄表上表示。“操作依據”通常是運行規程文件的ID，可以連接至文檔管理數據庫。

應用層的數據表儲存的也是實時數據，只不過數據來源于上述數據的組合。應用層的數據表需要結合系統的具體功能來編寫。

3 結語

該文對數字化氚工廠的數據庫系統進行了一定程度的開發。從數據庫系統的需求分析開始，將數據庫系統按照數據特點與功能分成了“底層數據”、“運行數據”以及“應用數據”3個層次，并對設備信息表和實時記錄表進行了具體的設計，詳細描述了各字段的關聯和意義，對于數字化氚工廠的開發有一定的推動作用。