核電廠全范圍模擬機協同設計開發平臺研究

程敏敏，李 青，景應剛，謝政權

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢430023)

1 引言

核電廠全范圍模擬機是核電廠工程建設的關鍵設備，有“虛擬核電廠”之稱[1]。按照國際慣例和核電廠建設標準，每座核電廠至少應配備一臺全范圍模擬機。全范圍模擬機主要用于培訓核電廠運行人員，提高核電廠運行人員的素質和能力，是確保核電廠安全可靠運行的關鍵[2]。

全范圍模擬機是一類規模大、復雜程度高的大型復雜仿真系統，它通常包含若干仿真分系統，每個分系統完成各自的仿真職能，共同組成大系統以實現最終仿真目標。開發大型復雜仿真系統是一項復雜工程，不僅需建立嚴密的工作計劃，并且要依靠一個龐大的、涉及各領域和技術的人員來協同工作，整個開發過程中涉及到繁復的需求分析、設計、開發、測試等任務，并要管理大量的仿真數據、系統文檔、人員信息等[3]。這些工作如果完全依賴人工完成，必將消耗大量的人力和物力資源且效率低下，就算部分應用各種單獨的輔助工具軟件完成，也會出現系統內部數據離散、不一致、版本混亂的問題，對數據的深度利用、上下游的銜接更是無從談起。同時，隨著系統開發過程的逐漸深入，怎樣能使開發人員緊密聯系在一起？怎樣能讓項目成員快速找到所需的數據、信息、資料？怎樣打破不同部門、不同專業間的溝通障礙，使協作更高效？怎樣能實時掌握仿真系統的開發狀態？這些需求都對全范圍模擬機這樣的大型系統的開發提出了更高的要求。針對這些問題，國內大型設計仿真企業通常采用引進國外通用軟件如Windchill，通過與已有工具集成，來進行數據的協同和管理[4]。這種方式雖然能夠讓企業能夠較快速的實現設計制造數據的一體化管理，但是存在自主知識產權缺失、成本高昂、不夠靈活和不易擴展等問題。部分企業采用引進國產協同設計軟件系統，根據自身業務特點進行擴展和二次開發[5]，在價格和靈活性上有一定的優勢，但系統應用嚴格限制在特定領域內，仍然存在擴展的困難，對于模擬機而言，不符合仿真的流程設計，并且不能提供底層仿真開發環境的接口適配，無法滿足全范圍模擬機的要求。

為了應對這些問題，核電廠全范圍模擬機有必要搭建一個能夠進行全過程的數據管理和使用，覆蓋研發活動全壽期，能夠和項目的仿真開發環境即仿真支撐平臺RINSIM[6]直接對接，并進行基于數據、任務、工具協同的平臺。基于此，在對全范圍模擬機設計開發流程、數據特點和管理方式等進行了深入研究的基礎上，以在項目組成員、數據、流程及仿真支撐平臺之間構建一個友好、統一、協作的協同工作環境，減輕人員工作負荷、提高工作效率、改善產品的質量及完成知識的有效積累為目標，構建了覆蓋核電廠全范圍模擬機全壽期的協同設計開發管理平臺。本文從平臺的總體組成、功能特征、關鍵技術和應用出發，對平臺所具備的信息互通、數據共享、能力協同、應用集成等特性展開討論。

在信息互通方面，平臺設計了基于工作流引擎的全壽期過程管理體系結構，所有成員能夠及時的了解仿真系統的狀態，快速獲取所需要的信息或資源，成員之間、系統與成員間的信息交互，都可以有效地在平臺的工作流中顯式的追蹤和推送。在數據共享方面，平臺提出了統一數據模型下的領域工程建模方法，有效地提升了系統數據對象的標準化程度，降低上下游流程間交互的復雜度，在此基礎上，使用基于橋接器模式的可配置數據動態關聯技術，能夠動態的對仿真系統的數據進行擴展和修改，結合域定義和模板技術，平臺能夠智能地將數據按照所定義的格式自動化生成并進行版本管理。在能力協同方面，平臺面向異構對象提供了多種協同路徑，營造協同設計開發環境，使研發活動的不同流程能夠互聯互通、共享數據、交叉驗證，顯著提高了信息數據的利用度，使開發工作減少差錯、增強時效，來改善仿真系統的交付質量。在應用集成方面，平臺不僅能夠提供面向仿真支撐平臺RINSIM的適配接口，而且還集成了部分分散在外的仿真系統開發過程中使用的輔助工具或軟件，將程序、數據、配置集成在一起，進行統一的管理和使用，為仿真產品的設計和開發提供助力，為開發人員提供一致性的研發環境。

2 平臺組成及功能

如圖1所示，協同設計開發管理平臺由需求管理、設計管理、開發管理、測試管理、產品管理、項目支撐管理、個人工作平臺、知識管理以及系統管理組成。

需求管理是根據項目合同、核電廠提供的資料等項目信息，對核電廠全范圍模擬機進行系統需求分析和管理。按照軟件系統工程化方法對需求進行分解與量化，形成系統的模塊需求、功能需求、非功能性需求、硬件需求等，并提供需求的版本控制和需求說明書的自動生成和導出功能。

設計管理負責管理仿真系統的設計數據和電廠設計資料。設計管理的設計數據來源于電廠設計資料和仿真設計，包括系統相關的參數、設備詳細參數、設計圖紙、說明等，采用領域模型的方式進行動態設計，支持擴展，支持強大的多系統整體導入導出以及自適應模板生成功能。設計數據進行規范的版本控制，可根據版本需要生成設計階段的設計說明書，可根據開發要求提供相應的數據用于初始化、建模輸入和驗證輸入。設計數據和電廠設計資料作為全范圍模擬機的重要資產，可以作為型號設計參考進行知識積累進行重用。

圖1 協同設計開發管理平臺結構

開發管理提供仿真支撐平臺RINSIM的開發接口，可對仿真開發環境進行快速初始化工作，可利用設計數據成果，導入開發環境進行參數化建模，打通設計與開發的數據接口；可將開發環境中的運行數據導入，與設計數據進行交叉驗證，對開發中的錯誤進行批量比對，降低調試的工作量。同時，開發管理集成了散落在外的輔助工具和軟件，如IOMAP，SQLGenerator等，作為一體化的研發環境，使得軟件、數據、配置在一個統一的環境中協同使用。

測試管理為仿真系統的集成測試提供測試用例、測試規程的管理以及測試差異項的分發跟蹤。測試用例管理將構建標準化測試用例庫，與分解的需求對應，提供測試用例錄入/導入、更新、刪除、查詢/導出等功能。根據測試用例，系統可自動生成測試規程。差異管理是根據模擬機測試結果情況，對測試差異進行管理，支持差異錄入、差異處理、差異查詢、差異導出，并提供差異信息的分析統計功能。

產品管理根據公司驗收管理制度對產品進行產品驗收流程管理，對產品驗收后的產品，包括軟件、硬件信息、文檔等進行記錄和版本跟蹤以及售后維護處理。

項目管理支撐提供項目的信息管理、成員管理，并可對項目的評審/變更流程進行在線控制和推送。項目支撐管理根據項目的進度計劃安排，自動下發任務到項目組成員，并對項目的狀態進行監控，對項目的節點信息進行預警提醒。在項目實施過程中，項目支撐管理提供項目開發中的過程文檔、結果文檔的統一存儲、獲取和配置管理支撐。

個人工作平臺獨立于仿真系統項目，可面向個人提供個人任務事宜、所關聯項目列表、待辦任務、待辦協同、進度匯報等功能，是個人處理項目的專屬環境。知識管理負責將公司、部門、項目的知識資產進行管理，分體系文件、知識問答與分析、專業知識庫三個方面，為所有人員提供文件、工具、經驗的知識積累和規范化保障。系統管理負責系統配置、用戶管理、權限管理、設備管理以及項目定義等功能。

值得一提的是，設備的屬性管理和設備類型管理功能是設備動態設計建模的基礎，將設備屬性管理和類型管理放到系統管理的目的是能夠將動態建模技術生成的設備能夠提供給所有項目共享。同時，項目定義功能能夠定義一個項目的研發過程，根據項目的背景和實際情況定義或者裁剪研發過程，滿足不同類型項目的需求。

3 協同設計開發與管理過程模型

在協同設計開發管理平臺上可完整地實現和追蹤模擬機仿真系統開發的全過程。如圖1所示，系統管理作為使用入口，可提供項目內的活動途徑，也可以提供項目外如知識庫的使用途徑；從需求管理到產品管理的系統流程可在項目全壽期管理模型下進行管控，步驟1-8描述的是成員在各個階段參與的活動和可實現的共享和協同；系統與成員、成員與成員之間的信息工作流或協同工作均可通過流程引擎推送至個人工作平臺進行跟蹤和處理。

圖2 系統協同設計開發與管理過程

如圖2所示。項目啟動研發流程后，研發人員通過需求管理對系統進行需求分析，并對需求變更進行控制，需求定版后可生成相應的說明文檔；步驟2中根據需求進行系統設計，建立系統重要的設計模型和數據，形成設計資產，為其它應用提供服務。步驟3表示在開發階段，研發人員根據設計數據可進行設計與開發的協同，包括開發平臺快速初始化、參數化建模以及設計與開發的交叉驗證等活動。步驟4中利用集成的APP和平臺數據和配置，可提供統一的研發支持環境。到了測試階段，步驟5中可根據分解后的需求設計測試用例，并生成測試規程用于集成測試，同時提供測試差異項的跟蹤和管理，據差異及測試結果進行測試總結。步驟7中可以進行產品的驗收和入庫，并進行產品追蹤及售后維護版本維護。經過步驟1-7，完成產品從需求階段到部署階段的完整流程，在此過程中，步驟8提供研發過程中的統一信息/資源/計劃/狀態的共享與管理，并可利用流程引擎將項目任務下發、狀態監控、進度提醒的工作流推送至個人工作平臺，形成完整的信息管控路徑。在個人工作平臺上，也可發起針對項目任務的協同信息，提供研發活動的在線協作，并提升研發管理的精細化程度。

4 平臺關鍵技術研究

針對核電廠全范圍模擬機全壽期的協同設計開發管理平臺，體現出的信息互通、數據共享、能力協同、應用集成等特性，是構建在統一數據模型、動態映射、全壽期的過程管理體系以及面向異構對象的協同設計開發等關鍵技術的基礎上的，下面就支撐這些特性的關鍵技術進行討論。

4.1 統一數據模型下的領域工程建模方法

領域工程是指針對一個應用領域中的若干系統進行分析，并識別這些系統共享的領域需求，設計出能夠滿足這些需求的構架，并在此基礎上開發和組織該領域的可復用構件的過程[7]。采取基于領域工程的建模方法，即在識別應用系統的共同特征和可變特征的基礎上，對這些特征進行抽象，形成領域模型，依據領域模型來一步步引導用戶提供全面和深入的信息，最終形成完整的系統需求模型[8]。

本文結合領域工程的思想，提出核電廠仿真系統領域工程建模方法，形成了統一的業務數據模型。如圖3所示，統一的數據模型定義了研發活動從需求階段到產品部署階段的多層次數據表達體系，并實現不同層次、不同階階段、不同粒度子模型間的相互關聯、映射與融合的方法，將多個子模型合并成整體的統一數據模型。

其中，不同層次模型和數據體現從頂層到底層、整體到局部的逐漸深入表達，實現具體業務的整體化和精細化建模；需求階段依照CMMI模型體系規范[9]，對業務需求進行分解和量化分析，制定標準的需求分析管理流程，建立包括文件模板、體系手冊、過程指南、配置管理、檢查單等在內的完整的數據建模體系，從而改善需求分析流程，指導后續研發活動的進行。

圖3 統一數據模型視圖

在統一數據模型的基礎上，采用基于橋接器模式的可配置數據動態關聯技術，平臺將系統數據的設計分為屬性設計和設備定義與管理兩部分，從而使設備與屬性數據的耦合性降低，加強了數據定義的靈活性，使仿真系統的數據能夠動態地進行擴展和修改。同時，作為設計與開發協同的基礎，變量映射技術會以可配置的方式提供在屬性數據設計過程中，并支持在默認項目和特定項目內分別在線修改，實現與開發數據準確地動態交互。另外，使用域定義和模板技術，來支撐各種文檔的智能化自動生成及輸出，文檔模板可支持豐富多樣的格式，在模板中可隨時對需要生成的數據進行域定義，用以映射系統中相應的動態數據，在選擇好數據范圍和版本后，一鍵自動化批量生成。

在研發活動的各個階段，統一的數據模型規范地提供各層次的系統數據，保證了數據的一致性、在線性、共享性、正確性和可追溯性。

4.2 基于工作流引擎的全壽期過程管理體系

工作流(WorkFlow)就是工作流程的計算模型，即將工作流程中的工作如何前后組織在一起的邏輯和規則在計算機中以恰當的模型進行表示并對其實施計算[10]。工作流的目的是規劃、調度和控制設計開發的流程，以保證把正確的信息和資源，在正確的時刻，以正確的方式送給正確的小組或小組成員。工作流技術的運用將會給系統提供流程管理的自動化、智能化和整合化服務。

在工作流引擎的基礎上，本文設計了核電廠仿真的全壽期過程管理體系。如圖1所示，體系覆蓋了所有的活動流程，并提供了用于各活動和階段進行流轉和交互的自動流程。通過集成Project功能，平臺能夠提供工作任務的定義、編排、下發和監控機制，實現WBS定義與分解。在項目計劃活動中，將分解的任務自動下發推送到相關責任人的個人工作平臺；在任務實施過程中，不僅提供對任務和系統整體情況的狀態監控，而且能夠對責任人的任務進行智能化預警提示，從而形成對項目任務整體管控。同時，通過建立任務流程體系，可以為已分解的工作任務制定協同流程，描述流程的輸入、約束條件、輸出等信息，將其推送至被協同對象。這樣通過對任務和流程的驅動和狀態監測，為項目的進度管理提供更細致、準確的數據。

在全壽期的研發活動中，平臺對重要的數據變更例如需求數據變更、設計數據變更等提供了控制流程，用以進行嚴格、有效的版本管理，保護數據資產；在個人工作匯報中提供審核流程，增加對任務完成情況的把關；在開發和產品部署階段實施提交和驗收等管理流程，在測試階段提供差異項的錄入、處理、流轉和跟蹤，從而提升項目的交付和維護質量。平臺典型的流程如圖4所示。

圖4 設計變更流程

基于工作流引擎構建的針對核電廠仿真全壽期的過程管理體系，不僅對所有研發活動進行了過程監控，而且對項目的信息、數據、文件做了統一的生成及存儲、配置管理和共享利用。它讓項目所涉及的人員、數據、文件緊密地聯系在一起，實現了資源的高度共享、高效重用和可視化追溯，既充分保證了研發活動的完整性，又提高了項目管理的精細化程度。

4.3 面向異構對象的協同設計開發

隨著計算機和協同技術的高速發展，CSCW(計算機支持的協同工作) 在很多領域都有著大量的應用，它能夠為一個群體在計算機支持的協同環境中完成同一項共同的任務提供有力的支持[11]。協同工作會要求在一個完整的組織架構內共同來完成一個項目，目的是在安全的前提下，提供工程設計開發資源共享、信息交流、相互連接等功能。

核電廠仿真系統的面向異構對象的協同設計開發，主要集中在系統協同、數據協同、應用協同等方面。系統協同方面，平臺實現了與仿真支撐平臺RINSIM的有效集成，結合數據模型的變量映射技術支持，為仿真系統的開發提供了模型快速初始化&參數化建模的能力，使仿真設計數據能夠直接應用到開發過程，同時，還提供了開發數據和設計數據的驗證，用以開發環境的調試和設計數據的校核，設計開發驗證示意如圖5所示。平臺的數據協同，不僅包括在基于數據利用的動態文檔自動生成能力上，還包括平臺對WORD/EXCEL/PROJECT/XML等各種標準化文件接口的適配，以及需求用例到測試用例的一致性約束、基于動態數據關聯的可擴展仿真系統設計等方面。平臺的應用協同方面，通過集成部分分散在外的仿真系統開發過程中使用的輔助工具或軟件，將程序、數據、配置集成在一起，直接使用設計資料和數據來生成模型開發文件和成果，為仿真產品的設計和開發提供助力，為開發人員提供一致性的研發環境。

針對核電廠模擬機仿真系統的應用需求，通過面向異構對象的協同設計開發，構建了核電廠仿真全壽期的協同設計開發管理平臺，能夠有效地在異構對象、不同階段之間降低交互的復雜度，減少信息傳遞的二義性和誤差，提高信息數據的利用度，旨在減少差錯、增強時效、提高產品效率以及改善產品質量。

圖5 開發設計驗證示意

5 總結

本文從平臺的總體組成、功能特征、關鍵技術和應用出發，重點對平臺所具備的信息互通、數據共享、能力協同、應用集成等特性，平臺所支持的核電廠全范圍模擬機協同設計開發與管理過程模型以及支撐平臺功能的關鍵技術展開討論。其中，統一數據模型下的領域工程建模方法，有效地提升了系統數據對象的標準化程度和協同交互性，并可結合基于橋接器模式的可配置數據動態關聯和域定義及模板技術，提供可擴展的動態數據設計和文檔自動化生成能力。基于工作流引擎的全壽期過程管理體系結構，不僅支持任務自動下發、狀態監控和節點提醒，提供任務協同、設計變更、管理審批等流程，還實現了研發過程中數據、文檔、信息等內容的共享、重用、一致和可追溯。面向異構對象的協同設計開發顯著提高了信息數據的利用度，使開發工作減少差錯、增強時效，改善了仿真系統的交付質量。實踐應用證明，該平臺提供了數據的一致性、在線性、共享性、正確性和可追溯性，方便項目所涉及的人員、數據、文件緊密地聯系在一起，充分地保證了研發活動的完整性，又提高了項目管理的精細化程度。通過該平臺的應用可明顯提高了核電廠仿真項目的質量、開發效率及管理能力，可廣泛推廣到核電行業及其它領域。