信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠三維結構模型及其解決方案

／核工業(yè)計算機應用研究所 張亮 高明／

信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠三維結構模型及其解決方案

／核工業(yè)計算機應用研究所 張亮 高明／

在綜合分析數(shù)字化核電廠建設現(xiàn)狀基礎上，構建了信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠的三維結構模型，分為業(yè)務維、應用維和路線維?；谌S結構模型理論，采用企業(yè)架構（EA）方法分析信息化建設如何滿足數(shù)字化核電廠業(yè)務需求，給出了數(shù)字化核電廠的總體業(yè)務架構和應用架構，指出了信息化環(huán)境下應重點建設數(shù)字化核電廠信息管理平臺和多個智能應用系統(tǒng)，可以為核電企業(yè)數(shù)字化核電廠建設工作提供參考。

信息化；數(shù)字化核電廠；三維結構模型；業(yè)務架構；應用架構

0 引言

隨著核電信息化的發(fā)展，對于“數(shù)字化核電廠”定義及其內涵還存在不同見解，傳統(tǒng)意義上的數(shù)字化核電廠研究大多集中在數(shù)字化設計、控制以及仿真計算方面，以核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)和數(shù)字化反應堆計算軟件平臺為代表，側重于在電廠規(guī)劃、設計、建設和運行過程中數(shù)字化技術的運用以及電廠的數(shù)字化運行、監(jiān)測和控制。在信息化環(huán)境下，數(shù)字化核電廠更需要考慮對電力生產和企業(yè)運營管理的全面支撐，在確保核電廠安全可靠運行的同時，為打造信息化核電企業(yè)提供明晰的電子化流程和翔實的基礎數(shù)據，提升核電企業(yè)管理水平。

1 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠建設現(xiàn)狀

核電運營企業(yè)及旗下核電廠在“十二五”期間加大了信息化建設，建成了核電生產運行管理系統(tǒng)、人財物一體化平臺[1]、企業(yè)內容管理系統(tǒng)等標準信息化套裝軟件，信息化水平顯著提高，信息化已全面滲透到核電企業(yè)各個管理領域和各項業(yè)務環(huán)節(jié)，有效支撐了企業(yè)和電廠的科學發(fā)展。以設計為龍頭，位于核電產業(yè)鏈的中端的核電工程公司發(fā)布了“四柱一面”核電項目管理信息化體系[2]，作為其在數(shù)字化建設上取得的階段性成果，其中“四柱”分別指“設計信息管理系統(tǒng)”、“采購管理系統(tǒng)”、“施工管理系統(tǒng)”、“調試管理系統(tǒng)”，“一面”指“項目管理信息平臺”。

信息化環(huán)境下，縱觀我國目前數(shù)字化核電廠的建設現(xiàn)狀，雖然核電企業(yè)在數(shù)字化建設上已經有較大的投入和應用，但是仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在：

1）數(shù)字化核電廠的建設理念不清晰，與信息化企業(yè)概念混淆。有人認為將核電信息管理系統(tǒng)與生產實時數(shù)據系統(tǒng)相結合就是數(shù)字化核電站，有人將三維虛擬核電廠理解為數(shù)字化核電站[4]，也有人將核心業(yè)務信息系統(tǒng)實施理解為數(shù)字化核電建設。數(shù)字化核電廠通過更全面、更合理的電廠數(shù)據采集、整合和分析優(yōu)化，實現(xiàn)電廠的數(shù)字化規(guī)劃、設計、建設、運營和管理，而信息化企業(yè)是在先進管理理念指導下，以信息技術為依托，建立覆蓋整個企業(yè)的信息網絡和一體化（多個）企業(yè)級信息系統(tǒng)。

2）核電廠全壽期各階段仍存在信息孤島，工程期與運營期之間缺乏數(shù)字化移交。核電設計、制造、施工、運行及維護等階段的數(shù)據信息之間沒有有效的關聯(lián)，造成信息孤島，尤其是核電工程（承包方）和核電運營（業(yè)主/運行方）信息系統(tǒng)各自建設，在工程移交階段，通常不提供結構化的數(shù)據，只有“成包”的圖紙、文檔。工程方和運營方數(shù)據移交的方式、過（流）程不嚴謹和規(guī)范，數(shù)據的準確性沒有保證；運營方需要花大量的人力和時間，從海量移交資料中手工整理、抽取、加工所需的信息和文檔。

3）核心業(yè)務系統(tǒng)應用集成缺少技術標準和數(shù)據規(guī)范。在技術方面，缺乏企業(yè)級面向服務的標準化集成規(guī)范，導致核心業(yè)務系統(tǒng)之間集成要過多的考慮報文轉換、接口標準等技術問題。在數(shù)據規(guī)范方面，特別是主數(shù)據，例如SSC（構筑物、系統(tǒng)和設備）、物資、文檔缺乏面向核電企業(yè)內部以及企業(yè)之間的編碼規(guī)范等，進一步造成行業(yè)信息交流困難。

2 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠三維結構模型

在綜合數(shù)字化核電廠建設現(xiàn)狀和各種定義[6-9]的基礎上，同時考慮數(shù)字化核電廠的發(fā)展趨勢等因素，構建了信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠的三維結構模型，即數(shù)字化核電廠業(yè)務維、數(shù)字化核電廠應用維和數(shù)字化核電廠路線維，如圖1所示。

圖1 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠三維結構模型

2.1 數(shù)字化核電廠業(yè)務維

數(shù)字化核電廠業(yè)務維從核電廠全壽期角度考慮，以單個核電廠為研究對象，覆蓋了電廠項目前期、工程建造、移交接產、運行維護直至退役的全部過程，要實現(xiàn)整個過程的數(shù)字化，應建立“橫向貫通”的信息化平臺，集成和共享各個環(huán)節(jié)中重要物理對象（例如廠房、系統(tǒng)、設備等）和工作對象（例如設計信息、采購信息、施工信息等）。特別是在移交接產環(huán)節(jié)，核電工程方（承包方）和核電運營方（業(yè)主/運行方）都已有各自信息化平臺的情況下，需要重點研究數(shù)字化移交的流程、方法、標準和規(guī)范。

2.2 數(shù)字化核電廠應用維

數(shù)字化核電廠應用維分為SSC（構筑物、系統(tǒng)和設備）物理對象層、數(shù)字化生產、數(shù)字化管理和智能化分析。SSC物理對象層包括電廠的構筑物、系統(tǒng)、設備等，是一個物理核電廠的分解結構；數(shù)字化生產實現(xiàn)了對物理核電廠信息采集、計算和監(jiān)控，以核反應堆計算軟件、電站數(shù)字化儀空系統(tǒng)（DCS）、實時數(shù)據庫（PI）等為代表；數(shù)字化管理實現(xiàn)了核電廠的智能設計管理、敏捷采購管理、協(xié)同施工管理、生產運行管理、人財物集約化管理以及企業(yè)內容管理，主要以三維設計系統(tǒng)、倉儲采購系統(tǒng)、現(xiàn)場施工系統(tǒng)、企業(yè)資產管理系統(tǒng)（EAM）、企業(yè)資源計劃（ERP）、企業(yè)內容管理（ECM）等為代表，是信息化環(huán)境下信息化平臺的主要著力點；智能化分析主要面向企業(yè)的經營決策分析，以商業(yè)智能（BI）、大數(shù)據技術等為代表。例如以SSC設備為研究對象，DCS系統(tǒng)采集監(jiān)控設備運行數(shù)據，進一步傳輸?shù)綄崟r數(shù)據庫（PI）中，PI通常會和電廠生產運行管理系統(tǒng)實現(xiàn)設備巡檢信息接口，進而觸發(fā)工單；EAM工單管理流程中，工單物料成本發(fā)生后，在ERP中實現(xiàn)成本歸集，并觸發(fā)工單物料補貨流程；最后使用智能化分析技術研究電廠庫存優(yōu)化、預測性維修等。

2.3 數(shù)字化核電廠路線維

數(shù)字化核電廠路線維代表了對數(shù)字化核電廠發(fā)展的展望，核電技術經過數(shù)十年的發(fā)展，自動化水平已經很高，在信息化環(huán)境下，或者是信息化和工業(yè)化融合環(huán)境下，數(shù)字化核電已經上升為核電企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。數(shù)字化核電是智能化核電的基礎和落腳點，智能化階段與數(shù)字化階段是重疊關系，而不是順序關系，同樣智能化與智慧化也是重疊關系，本文提出智能化的下一個發(fā)展階段是智慧化，并且認為智慧化核電與第四次工業(yè)革命“工業(yè)4.0”的概念是一致的。智慧化核電不再以單個核電廠或是單個核電企業(yè)為研究，更要結合電力體制改革、節(jié)能減排、能源互聯(lián)網等整個電力行業(yè)價值鏈開展研究。

在數(shù)字化核電廠三維結構模型理論基礎上，首先要全面了解數(shù)字化核電廠業(yè)務需求，建立數(shù)字化核電廠的模型和參考架構，然后需要有一套完整的方法論、工具和流程對數(shù)字化核電廠進行建模、規(guī)劃、分析和優(yōu)化。依據上述定義和分析，結合中國核電信息化建設現(xiàn)狀，本文借鑒企業(yè)架構EA方法分析IT建設如何滿足數(shù)字化核電業(yè)務需求，并給出解決方案。

圖2 數(shù)字化核電廠總體業(yè)務架構

3 信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠解決方案

EA方法是一種能夠將組織戰(zhàn)略目標映射到信息技術（IT）建設目標的藍圖規(guī)劃設計方法，有利于實現(xiàn)IT建設與企業(yè)業(yè)務戰(zhàn)略的緊密結合[5]。由于核電廠的業(yè)務復雜，尤其是在信息化環(huán)境下采用EA 方法能夠使核電全壽期業(yè)務流程得到系統(tǒng)的分析與梳理，使數(shù)字化核電廠建設得到全面而科學的規(guī)劃與設計，本章節(jié)重點介紹了業(yè)務架構與應用架構。

3.1 數(shù)字化核電廠業(yè)務架構

業(yè)務架構定義了企業(yè)的業(yè)務流程、業(yè)務組織及管控模型和信息系統(tǒng)應該如何支撐數(shù)字化核電廠的業(yè)務，自頂向下對核電廠的核心業(yè)務逐層分析，識別出數(shù)字化核電廠核心業(yè)務能力包括三個領域，即“經營與決策領域”，“工程與運營領域”，“支持服務與資源保障領域”。本文基于核電生命周期管理和核電價值鏈的角度，對業(yè)務領域進一步分解為12個業(yè)務子領域， 業(yè)務子領域往下細分為業(yè)務活動（如圖2所示）。

1）經營與決策領域：覆蓋核電企業(yè)戰(zhàn)略管理和企業(yè)決策層的業(yè)務過程，包括戰(zhàn)略管理，經營管理，風險與內控管理3個業(yè)務子領域。

2）工程與運營領域包括項目前期核電建造、核電運營、電力銷售、退役延壽、市場開發(fā)5個業(yè)務子領域，也是數(shù)字化核電廠全壽期業(yè)務內容。其中，核電建造主要面向核電的建造過程管理，核電工程方開展設計、采購、施工、調試的業(yè)務，同時開展生產準備和工程移交的工作；核電運營方主要是面向核電廠的運行、維修和技改等工作，開展設備可靠性管理、配置管理、運行管理、物資與服務管理以及工作管理等業(yè)務。

3）支持服務與資源保障領域包括安全與質量，資源與保障，綜合與服務3個業(yè)務子領域，其中安全與質量面向保障核電工程和經營活動中的質量與安全；資源與保障主要指核電工程期和運營期活動所必要的資源保障和管理、技術等支持服務工作和流程等；綜合與服務面向核電日常企業(yè)運作，提供綜合服務、后勤保障和管理。

3.2 數(shù)字化核電廠應用架構

根據業(yè)務總體架構設計，結合數(shù)字化核電廠對信息化需求的定義，應用總體功能架構如圖3所示，從應用的功能層面來看，數(shù)字化核電廠的應用可分為五個功能層面，自上而下分別為：訪問與展現(xiàn)層，決策支持層，經營管理層，業(yè)務管理層，支持與服務層。根據專業(yè)領域和用戶范圍，參考行業(yè)中核電企業(yè)的信息系統(tǒng)分布現(xiàn)狀，以及主流商業(yè)軟件產品和套裝軟件及解決方案的特點和功能，對應用架構功能藍圖進行應用系統(tǒng)劃分。

圖3 數(shù)字化核電廠總體應用架構

其中，ERP（Enterprise Resource Plan）全稱企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)，定位于核電企業(yè)人財物一體化管理平臺，包括了人力資源管理、財務管理、采購物資及倉儲管理、售電管理、項目管理和經營管理等。EAM（Enterprise Asset Management）全稱企業(yè)資產管理系統(tǒng)，涵蓋了質量、安全、環(huán)境與健康（QSHE）管理，設備管理與運行管理，專業(yè)技術支持管理等業(yè)務。ECM（Enterprise Content Management）全稱企業(yè)資產管理系統(tǒng)，以文檔管理為中心，結合OA，知識管理等方面的內容，拓展實現(xiàn)對門戶，個人工作臺，文檔一體化管理，公文和文檔類的流程管理。BI（Business Intelligence）商業(yè)智能平臺包括了工程期工程項目管理駕駛艙、經營管理駕駛艙、生產管理駕駛艙以及其他主題分析、指標和報表等。EIP（Enterprise Information Portal）全稱企業(yè)信息門戶，主要包括了企業(yè)門戶和一些移動訪問終端。工程項目管理平臺包括了設計管理系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、施工管理系統(tǒng)、調試管理系統(tǒng)以及項目管控等多個信息化平臺。

從應用架構可以進一步看出，除了上述業(yè)務系統(tǒng)之外，應建立橫向貫通的數(shù)字化核電廠信息管理平臺，以及縱向集成的多個數(shù)字化核電廠應用系統(tǒng)。數(shù)字化核電廠信息管理平臺面向核電廠全生命周期，以SSC結構為核心，實現(xiàn)核電從概念設計到延壽退役過程中所產生的各類生產、技術數(shù)據的關聯(lián)和掛接，包括了前期數(shù)據、需求管理、SSC管理、3D模型數(shù)據管理等功能。將數(shù)字化電廠應用系統(tǒng)分為移動應用、智能應用和大數(shù)據應用三類，以智能應用系統(tǒng)為核心，包括了虛擬檢維修（VR）、智能倉儲（RFID）、數(shù)字管網（GIS）等應用。

4 結束語

數(shù)字化核電廠建設，必須先統(tǒng)一對數(shù)字化概念的認識，基于三維結構理論模型，提出使用EA方法論開展信息化環(huán)境下數(shù)字化核電廠建設規(guī)劃，進一步提出了核電廠的業(yè)務架構和應用架構。加強數(shù)字化核電廠的頂層規(guī)劃，從全壽期角度出發(fā)，業(yè)務應用為核心，信息技術為手段，全面構筑數(shù)字化核電廠，建設信息化核電企業(yè)。

在信息化環(huán)境下，數(shù)字化核電廠建設要對電廠已有信息系統(tǒng)資產利舊創(chuàng)新，而不是全面替換，重點建設數(shù)字化核電廠信息管理平臺和智能應用系統(tǒng)。從長遠看，建設數(shù)字化電廠是一項能夠提高核電廠運行、管理水平的系統(tǒng)工程，在這一工程中，確保有效地拓展與利用電廠現(xiàn)有資源，通過信息化平臺和應用系統(tǒng)實施等技術措施，實現(xiàn)全壽期協(xié)同與全產業(yè)互聯(lián)，提升業(yè)務分析與管理決策能力，全面推動各項業(yè)務的高效開展。

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