基于配置思想的核電站熱工水力系統(tǒng)圖形化建模的實現(xiàn)

彭思濤，陸利剛，李 偉，馬忠英，張 薇，姚建凡，李 磊

(1.中廣核研究院有限公司, 廣東 深圳 518034;2.成都理工大學工程技術學院, 四川 樂山 614007;3.核工業(yè)西南物理研究院, 四川 成都 610225)

在核電站設計和安全分析過程中，熱工水力系統(tǒng)建模與分析是一個重要的步驟。已有的熱工水力仿真和分析軟件多采用文本形式建模，建模耗時長，易出錯，效率低。使用圖形化建模方法，可以有效地提高建模效率[1-2]。因為熱工水力系統(tǒng)分析軟件較多且輸入標準不一致，使得建模工具需要對不同軟件進行適配，使用配置思想，只修改配置文件即可對不同分析軟件進行適配，大大減少了軟件開發(fā)的工作量。配置思想是程序開發(fā)的一種實現(xiàn)方法，其將程序中需要的信息用配置信息進行存儲，程序的界面及相應的流轉、控制等行為根據配置信息進行自動切換。所以當用戶需求有變化時，通過修改相應的配置信息即可實現(xiàn)相應效果，而不需修改程序源代碼[2]。基于配置思想開發(fā)的系統(tǒng)具有數(shù)據可配置、界面可配置、流程可配置的優(yōu)點。在實現(xiàn)的過程中，最重要的就是配置文件的設計。配置文件可以對數(shù)據、界面中控件的類型與位置等信息進行保存，配置文件的形式包括: INI文件、XML文件、數(shù)據庫表等多種類型[2]。對于存儲少量數(shù)據而言，XML文件優(yōu)勢在于數(shù)據定義明確、標準化格式以及便于維護和管理，XML文件在配置文件和系統(tǒng)信息的交換中大量使用[3]。因此，項目使用XML文件作為配置文件。

Java語言的跨平臺特性和豐富的繪圖功能使其非常適合作為一種圖形化應用的開發(fā)軟件。軟件界面使用Java Swing構建，Swing開發(fā)工具包大多數(shù)用來開發(fā)Java應用程序用戶界面，它包含很多控件，可以很方便的用來構建界面[4]。

1 圖形化建模流程

熱工水力系統(tǒng)建模由許多不同的元件組成，包括部件、構件、接口、閥門等，這些元件預定義在元件庫中。用戶建模時，需要新建一個項目并指明目標分析軟件，程序為每個項目生成一個導航樹。導航樹自動生成目標分析軟件所需要的與圖形無關的參數(shù)配置項。用戶首先完成圖形無關的參數(shù)配置，然后從元件中選擇所需要的元件放入繪圖區(qū)，在屬性面板配置元件的參數(shù)，再以拖拽的方式將元件連接起來并配置連接參數(shù)，至此，建模過程結束。建模工具可以自動將圖形模型轉換成文本輸入卡。圖形化建模流程如圖1所示。

圖1 圖形化建模流程圖Fig.1 The flow chart of graphical modeling

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 元件庫

元件庫使用樹型目錄方式展示，目錄樹導航是一種很常見的導航方式, 它能夠清晰地表現(xiàn)數(shù)據之間的層次和分類關系[7]。并提供按名稱進行搜素的功能。元件庫目錄使用加載XML配置文件的方式生成。這樣，當需要更新元件庫時，只需要修改XML配置文件即可，這就是軟件開發(fā)過程中應用配置思想的益處。

2.2 項目導航

項目導航窗口為每個項目生成一個目錄樹，其中包含目標分析軟件所需的圖形無關的配置項，這些配置項也是通過加載XML配置文件的方式生成。項目目錄樹還包括所有添加到該項目中的圖形元件項。選擇目錄樹中的具體項，便可以通過具體項關聯(lián)的屬性面板配置該項的參數(shù)，同時可以對具體項進行重命名、復制、刪除等編輯操作，這些操作將同步到繪圖區(qū)中。

2.3 屬性面板

屬性面板用于配置項目中各個具體項的參數(shù)，對于每個具體項，其參數(shù)配置內容使用加載XML配置文件的方式來生成，其中包括參數(shù)之間的聯(lián)動關系和參數(shù)內部的限定條件，用于在輸入時進行參數(shù)的條件控制和合法性檢查。比如有些參數(shù)在特定條件才能輸入，或者某些參數(shù)為必要參數(shù)，不可以為空，另一些參數(shù)則不能超出指定的范圍。

2.4 繪圖區(qū)

繪圖區(qū)完成元件的圖形顯示并通過拖拽的方式進行元件間的連接。對于熱工水力元件，需要考慮流體的流動方向以及接口的夾角等參數(shù)，這些參數(shù)在連接線上進行配置，當選擇該連接線時，屬性面板將顯示該連接的可配置參數(shù)，連接線的上下游連接規(guī)則及可配置參數(shù)使用加載XML配置文件的方式來生成。

圖形建模工具效果如圖2所示。

圖2 建模工具效果圖Fig.2 The effect diagram of the modeling tool

3 關鍵技術

3.1 元件類型映射

每一個圖形元件針對不同的目標分析軟件具有不同的參數(shù)項。所以需要將元件庫中的元件類型映射為目標分析軟件中對應的元件類型。這種映射關系通過XML配置文件來指定。將元件從元件庫拖拽到繪圖區(qū)時，將根據元件類型名查找目標分析軟件的映射類型，如果沒有找到目標類型，則此元件不可添加到項目中。根據目標類型加載該圖形元件的圖形參數(shù)、元件配置參數(shù)等配置信息。元件映射流程如圖3所示。

圖3 元件映射流程圖Fig.3 The flow chart of element mapping

3.2 圖形模型轉文本輸入卡

在對核電廠進行安全分析時，對系統(tǒng)完成圖形建模以后，由核電廠安全分析軟件讀取并進行計算并得出結果。目前較為通用的核電廠安全分析程序大多要求程序員編寫輸入卡, 進行輸入操作和完成程序之間的調用[8]。所以需要將圖形模型轉換為文本輸入卡。

在文本輸入卡中，對同類型的元件進行編號，構成一個元件列表。元件的參數(shù)根據元件在列表中的位置形成一個參數(shù)列表。因為元件具體有哪些參數(shù)是根據xml配置文件生成的，所以可以讀取元件中所有參數(shù)名來確定該元件需要輸出的參數(shù)。

在圖形模型轉文本輸入卡時，將根據目的系統(tǒng)程序進行適配。以中廣核系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序GINKGO為例，轉換時需要首先將不同類型的元件進行分類并進行編號，對于同一類元件的某一個參數(shù)，按其在元件列表中的順序輸出具體值構成參數(shù)列表。元件的上下游關系由矩陣來表示，上游矩陣參數(shù)給出列表中所有元件的所有上游元件編號，如果有多個上游元件則需要多行。同理下游矩陣給出列表中所有元件的下游元件編號。如果該元件沒有上/下游，則在矩陣中填“0”。

部件、接口和構件都需要生成上/下游矩陣，其中構件的上/下游都是部件，接口的上/下游也都是部件，部件的上/下游可能是部件、構件或接口。部件上/下游矩陣只給出相鄰部件，所以需要排除構件和接口，其生成流程如圖4所示。

圖4 部件上/下游矩陣生成流程圖Fig.4 The flow chart of upstream/downstream matrix generation of components

當生成所有元件的上/下游矩陣后，就可以打印輸出模型的文本輸入卡。輸出文本輸入卡時，先輸出與圖形元件無關的總體參數(shù)名及其值，再輸出與元件相關的參數(shù)名及其值。與元件相關的參數(shù)輸出流程如圖5所示。

圖5 與元件相關參數(shù)輸出流程圖Fig.5 The flow chart of element related parameter output

3.3 文本輸入卡轉圖形模型

為了方便復用已有的文本輸入卡，同時讓修改文本輸入卡可以利用圖形建模的優(yōu)點，建模工具提供從文本輸入卡轉為圖形模型的功能。在文本輸入卡中，不同類型的元件處于不同的文本塊中，由文本塊的名字來區(qū)分，在轉換成圖形模型時，根據文本塊名來決定圖形元件的類型。然后再讀取各個元件的參數(shù)存入圖形模型中。上/下游關系矩陣的處理是圖形轉文本卡的逆過程。因為文本輸入卡沒有圖形元件的輸入位置，則使用自動生成的位置，生成圖形模型后，由用戶手動調各圖形元件的位置。如果多個輸入卡的圖形信息是一致的，則可以根據上下游關系以及類型匹配各圖形元件的位置，使用一個圖形模型可以對應多個輸入卡。輸入卡匹配圖形模型的導入流程如圖6所示。

圖6 輸入卡匹配圖形模型導入流程圖Fig.6 The flow chart of the matching graphic model import of the input card

4 結語

本文給出了在核電站設計與安全分析過程中，一種使用圖形化建模工具實現(xiàn)熱工水力系統(tǒng)建模的實現(xiàn)方法。建模工具具有圖形化界面，方便系統(tǒng)中各元件參數(shù)的配置以及連接并提供基本的編輯功能。應用配置思想，可以大大增加軟件的靈活性，避免頻繁的修改源代碼，僅需要修改配置文件即可實現(xiàn)對軟件的擴展和更新。建模工具使用樹型目錄給出建模中所需的元件，用戶只須拖動元件、配置參數(shù)、點按連接便可實現(xiàn)系統(tǒng)建模。工具實現(xiàn)了圖形化模型與文本輸入卡之間自動相互轉換的算法，方便用戶重復利用已經建好的圖形模型或文本輸入卡。本建模工具已經與中廣核系統(tǒng)瞬態(tài)分析軟件GINKGO進行適配使用，也在國家重點研發(fā)計劃項目“固有安全一體化小型氟鹽冷卻高溫堆技術研究”中為該項目的虛擬仿真技術研究提供圖形化系統(tǒng)建模功能，該工具的使用有效提高了建模效率，具有一定的實用價值。