面向反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的快速建模平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用

李 偉，姚建凡，付 叢，彭思濤，陳 俊，張希晉

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

反應(yīng)堆設(shè)計(jì)軟件包是核電工程設(shè)計(jì)與安全分析的重要工具。軟件包涵蓋了堆芯物理軟件、熱工水力軟件和系統(tǒng)輔助軟件等，提供了包括燃料組件計(jì)算、三維核設(shè)計(jì)、通量圖處理、子通道分析、系統(tǒng)瞬態(tài)等功能。但各軟件在設(shè)計(jì)分析中存在以下不足：

1)軟件跨專業(yè)，輸入輸出差異大；

2)文本形式建模，人機(jī)交互較差，影響設(shè)計(jì)效率；

3)數(shù)據(jù)管理的方式不利于數(shù)據(jù)的重用與共享；

4)沒有使用調(diào)度策略，無法充分利用計(jì)算資源。

綜上所述，亟待開發(fā)一套面向反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的快速建模平臺(tái)。結(jié)合不同專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)特點(diǎn)，融合標(biāo)準(zhǔn)化的輸入和輸出，并采用軟件組件化管理和自主研發(fā)的界面解析器實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)軟件模塊的快速集成與界面定制。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)、主要功能和應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平臺(tái)支持多用戶的操作，具備管理和并發(fā)執(zhí)行的能力，支持新功能的快速開發(fā)，已有功能模塊的易維護(hù)的特點(diǎn)。根據(jù)以上特點(diǎn)，系統(tǒng)的物理架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

1.1 物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

物理架構(gòu)設(shè)計(jì)為2臺(tái)管理服務(wù)器、2臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器和N臺(tái)計(jì)算服務(wù)器，如圖1所示。

圖1 物理架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Physical architecture design

管理服務(wù)器上部署了平臺(tái)軟件、設(shè)計(jì)軟件及相關(guān)輔助軟件，用戶采用遠(yuǎn)程登錄的方式登錄到管理服務(wù)器上進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)保存平臺(tái)上用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括文件及數(shù)據(jù)庫。

N臺(tái)計(jì)算服務(wù)器組成計(jì)算云平臺(tái)，被虛擬成M個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有K個(gè)計(jì)算線程，實(shí)現(xiàn)最大同時(shí)運(yùn)行M×K個(gè)計(jì)算。

1.2 邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)為3層，分別為表現(xiàn)層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層，如圖2所示。

圖2 邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Logical architecture design

表現(xiàn)層：包括軟件的界面及與用戶進(jìn)行交互的工具，其中界面是基于Java Swing構(gòu)建,界面的操作采用多線程的方式進(jìn)行異步處理，保證界面操作的靈敏度。Swing開發(fā)工具包大多數(shù)用來開發(fā)Java應(yīng)用程序用戶界面，它包含很多控件，可以很方便的用來構(gòu)建界面[1]。

應(yīng)用邏輯層：包含系統(tǒng)功能上的數(shù)據(jù)處理過程、算法及相關(guān)的業(yè)務(wù)處理，并與表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)服務(wù)層交互。

數(shù)據(jù)訪問層：數(shù)據(jù)訪問層定義了操作存儲(chǔ)介質(zhì)的入口，本平臺(tái)有文件、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫3種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。

1.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)有3類持久數(shù)據(jù)單元，第1類是文件，包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、界面輸入數(shù)據(jù)和圖表數(shù)據(jù)；第2類是非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)報(bào)表數(shù)據(jù)；第3類是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)平臺(tái)管理數(shù)據(jù)，包括權(quán)限、問題反饋，計(jì)算流程規(guī)則等。

平臺(tái)中數(shù)據(jù)量最大的是用戶計(jì)算數(shù)據(jù)，如圖3所示。將用戶計(jì)算數(shù)據(jù)按照User、Task、Work、Job 4級目錄架構(gòu)進(jìn)行重組，支持同一用戶下數(shù)據(jù)重用(復(fù)制、粘貼)與不同用戶間數(shù)據(jù)共享(導(dǎo)入、導(dǎo)出)。

圖3 用戶計(jì)算數(shù)據(jù)架構(gòu)圖Fig.3 User computing data architecture

User級代表不同用戶的數(shù)據(jù)，Task代表一個(gè)設(shè)計(jì)工程，Work代表完成一個(gè)指定功能的計(jì)算集，Job代表一個(gè)指定任務(wù)的單個(gè)計(jì)算。每個(gè)Job運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Databank目錄，存儲(chǔ)計(jì)算過程的日志數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。

報(bào)告數(shù)據(jù)采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫具備靈活的數(shù)據(jù)模型，不定義表結(jié)構(gòu)，不存在數(shù)據(jù)模型的約束[2]，可以靈活配置多種類型的報(bào)告。

管理數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是為了方便與企業(yè)內(nèi)部的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將設(shè)計(jì)工作與設(shè)計(jì)管理進(jìn)行對接。對平臺(tái)用戶而言，看到的是一個(gè)整體，從開始設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)執(zhí)行到結(jié)束設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的管理信息與工程數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)同步，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與管理一體化。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 界面解析器

平臺(tái)集成了反應(yīng)堆專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件，并為設(shè)計(jì)軟件提供輸入界面。平臺(tái)的輸入界面類型分為3種，第1種是純Swing組件界面，第2種是圖形類型界面，第3種是Swing組件和圖形類型混合布局界面。平臺(tái)累計(jì)集成有上百計(jì)算模塊，所有計(jì)算模塊采用定制編程方式實(shí)現(xiàn)軟件界面，工作量巨大，后期維護(hù)也很困難?？蓴U(kuò)展標(biāo)記語言XML(Extensible Markup Language)是由W3C組織采用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種描述語言[3]。平臺(tái)將Swing組件界面采用XML進(jìn)行配置，圖形類型界面采用定制開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)，部分圖形類型界面封裝成自定義組件提供給混合布局界面中XML配置引用。

界面解析器提供一套將XML文件轉(zhuǎn)譯成界面程序的方式，開發(fā)人員只需要根據(jù)界面需求配置XML文件，平臺(tái)就能根據(jù)配置的XML文件生成界面。實(shí)現(xiàn)高效定制設(shè)計(jì)軟件的輸入界面，也能保證各設(shè)計(jì)軟件界面風(fēng)格的統(tǒng)一。

2.2 設(shè)計(jì)軟件組件化管理

組件化管理系統(tǒng)的基本思想是系統(tǒng)為外圍組件定義統(tǒng)一的接口規(guī)范，使系統(tǒng)通過統(tǒng)一的接口調(diào)用各個(gè)外圍組件所提供的功能[4]。平臺(tái)提供一個(gè)軟件集成的標(biāo)準(zhǔn)化接口規(guī)范，設(shè)計(jì)軟件按照標(biāo)準(zhǔn)接口以組件形式與平臺(tái)進(jìn)行對接，包括軟件路徑、執(zhí)行參數(shù)、上游計(jì)算類型、輸出類型、數(shù)據(jù)后處理、輸入文件等。

集成過程中，設(shè)計(jì)軟件具備自身的數(shù)據(jù)組織特點(diǎn)，平臺(tái)采用了標(biāo)準(zhǔn)化的輸入流程和輸出文件來解決軟件之間輸入輸出文件在格式上的差異問題。輸入流程描述為，設(shè)計(jì)軟件提供具備自身數(shù)據(jù)組織特點(diǎn)的模板文件；用戶在界面上的輸入信息生成鍵-值形式的數(shù)據(jù)文件；平臺(tái)按照關(guān)鍵字檢索將數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容填充到模板文件中，生成最終格式的輸入文件，由此解決輸入文件在數(shù)據(jù)組織上的差異問題。

平臺(tái)具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性，開發(fā)工程師可以在平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)文件生成前后處理的接口和二次開發(fā)源程序的路徑配置，由平臺(tái)自動(dòng)調(diào)用二次開發(fā)的程序。

2.3 界面數(shù)據(jù)映射

在工程設(shè)計(jì)中，界面輸入與數(shù)據(jù)文件輸入具備各自的特點(diǎn)，為了滿足工程設(shè)計(jì)的需要，需要兼容兩種輸入方式，同時(shí)保證界面和數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)同步，因此建立界面與數(shù)據(jù)文件自動(dòng)映射關(guān)系能滿足工程設(shè)計(jì)的需求。界面數(shù)據(jù)映射需要建立界面與數(shù)據(jù)文件之間的數(shù)據(jù)映射模型，映射模型里定義多個(gè)映射約束、映射條件和映射規(guī)則，將界面上的元素對象與數(shù)據(jù)文件中的元素對象之間建立映射匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)界面輸入和數(shù)據(jù)文件輸入兩種方式之間的雙向轉(zhuǎn)換，同時(shí)兼容兩種輸入方式。

2.4 可配置的數(shù)據(jù)圖表

采用編程的方式去定制各軟件的圖表，工作量大，且難以覆蓋各設(shè)計(jì)軟件的需求。平臺(tái)提供一種可視化圖表自定義生成方法，該方法提供可配置的圖表模板，圖表模板包括樣式配置和數(shù)據(jù)源配置。通過模板完成圖表的類型、關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)源ID和顯示效果等各項(xiàng)圖表參數(shù)的配置，由圖表解析引擎解析模板文件，自動(dòng)生成展示結(jié)果數(shù)據(jù)的圖表文件。

3 主要功能

3.1 計(jì)算流程設(shè)計(jì)

平臺(tái)提供圖形化的核設(shè)計(jì)過程，使用連接線的方式去組合不同的計(jì)算，采用流程圖的方式將復(fù)雜的核設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)化為計(jì)算邏輯流程圖。設(shè)計(jì)工程師在執(zhí)行計(jì)算流程的過程中，平臺(tái)能識(shí)別出哪些計(jì)算實(shí)例滿足并行條件，并加以并行執(zhí)行，同時(shí)自動(dòng)為上下游計(jì)算實(shí)例更新數(shù)據(jù)接口，提升設(shè)計(jì)效率，如圖4所示。

圖4 圖形化計(jì)算流程設(shè)計(jì)Fig.4 Graphical calculation process design

3.2 圖形化建模

平臺(tái)采用了自主研發(fā)的界面解析器和部分圖形模塊定制開發(fā)為集成的上百計(jì)算模塊提供界面，界面類型包括燃料組件建模、控制棒設(shè)計(jì)、堆芯設(shè)計(jì)、換料設(shè)計(jì)等，通過這些豐富的界面使設(shè)計(jì)軟件具備圖形化快速建模的能力。

圖5 圖形化建模Fig.5 Graphical modeling

3.3 基于計(jì)算云的作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)支持

高性能計(jì)算云平臺(tái)是一種將高性能計(jì)算機(jī)與云計(jì)算技術(shù)結(jié)合的高效服務(wù)平臺(tái)，通過虛擬化技術(shù)將底層資源整合，為用戶提供高性能計(jì)算服務(wù)[5]。平臺(tái)以高性能計(jì)算云平臺(tái)為支撐，集成有Torque和Slurm兩種作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，支持上千計(jì)算并發(fā)執(zhí)行，通過作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)能夠有效利用計(jì)算云平臺(tái)的高并發(fā)計(jì)算能力，縮短工程設(shè)計(jì)任務(wù)的計(jì)算時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

圖6 計(jì)算任務(wù)執(zhí)行調(diào)度管理Fig.6 Scheduling management for computing task execution

3.4 結(jié)果顯示

平臺(tái)為各專業(yè)設(shè)計(jì)軟件提供結(jié)果顯示，結(jié)果顯示分為2類，第1類是為堆芯物理軟件定制開發(fā)的結(jié)果顯示，包括鍵值數(shù)據(jù)顯示、一維數(shù)據(jù)顯示、二維數(shù)據(jù)顯示和三維數(shù)據(jù)顯示，其中三維數(shù)據(jù)顯示依靠一維結(jié)合二維的方式實(shí)現(xiàn);第2類是圖表形式展示結(jié)果數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)軟件根據(jù)預(yù)先規(guī)定的數(shù)據(jù)格式生成結(jié)果文件，平臺(tái)加載結(jié)果文件提供各類圖表的顯示。

圖7 結(jié)果顯示Fig.7 Results display

3.5 報(bào)錯(cuò)提示

平臺(tái)在計(jì)算流程建模、計(jì)算輸入、換料設(shè)計(jì)檢查、計(jì)算執(zhí)行調(diào)度和報(bào)告生成中提供報(bào)錯(cuò)提示，包括計(jì)算流程建模過程中的邏輯錯(cuò)誤、界面輸入?yún)?shù)錯(cuò)誤、輸入文件錯(cuò)誤、預(yù)定義規(guī)則的換料設(shè)計(jì)檢查錯(cuò)誤、部分計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)異常、計(jì)算狀態(tài)錯(cuò)誤和報(bào)告生成錯(cuò)誤等。錯(cuò)誤提示的種類包括彈出框、標(biāo)簽、計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)和顏色狀態(tài)、消息輸出控制臺(tái)及日志輸出。

圖8 彈出框提示Fig.8 The pop-up prompt

3.6 一體化測試與發(fā)布

平臺(tái)采用開源軟件搭建了軟件測試與發(fā)布功能的持續(xù)集成框架，全程無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自主軟件從軟件開發(fā)工程師到設(shè)計(jì)工程師的點(diǎn)對點(diǎn)敏捷工作模式。

3.7 自動(dòng)化報(bào)告

自主研發(fā)可定制模板的報(bào)告生成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工程師完成計(jì)算后，通過該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)提取、加工和相應(yīng)工程報(bào)告一鍵生成，提高了設(shè)計(jì)工作效率。

4 平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在國內(nèi)某核電集團(tuán)的多項(xiàng)工程設(shè)計(jì)工作中。圖11是使用平臺(tái)搭建的國內(nèi)某核電廠燃料管理計(jì)算框架模板，13個(gè)循環(huán)的初始模板的設(shè)計(jì)周期從原本的1個(gè)月左右縮減到1周，進(jìn)行完整的復(fù)算只需要6 h，設(shè)計(jì)效率成倍數(shù)提升。

圖12是使用平臺(tái)搭建的國內(nèi)某核電廠某次循環(huán)的核設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)算框架，利用自動(dòng)化報(bào)告定制生成功能，計(jì)算完成后由平臺(tái)自動(dòng)完成結(jié)果數(shù)據(jù)提取、加工和相應(yīng)工程報(bào)告一鍵生成，復(fù)雜的數(shù)據(jù)梳理和報(bào)告內(nèi)容修改過程從原本耗時(shí)1周縮短到1 h內(nèi)，顯著提升設(shè)計(jì)工程師的工作效率。

在這些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)任務(wù)中，平臺(tái)的并行計(jì)算支持能夠充分利用計(jì)算資源，優(yōu)化調(diào)度策略，合理分?jǐn)偧瘓F(tuán)計(jì)算資源的成本。工程報(bào)告一鍵生成功能顯著提高設(shè)計(jì)工程師的工作效率。圖形的流程設(shè)計(jì)、輸入界面與計(jì)算過程監(jiān)控有效提高設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量。

圖9 一體化功能流程圖Fig.9 The flow chart of integrated function

圖10 自動(dòng)化報(bào)告效果圖Fig.10 The effect diagram of the automated report

圖11 燃料管理計(jì)算框架圖Fig.11 The fuel management calculation framework

圖12 核設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)算框架圖Fig.12 The calculation framework of the nuclear design report

平臺(tái)的研發(fā)與推廣應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)過程流程化管理，顯著提高了設(shè)計(jì)工程師的工作效率和質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本文對傳統(tǒng)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行簡要分析，詳細(xì)介紹快速建模平臺(tái)的架構(gòu)和功能，并對平臺(tái)應(yīng)用前后的設(shè)計(jì)效率進(jìn)行對比。通過應(yīng)用平臺(tái)，可以使反應(yīng)堆設(shè)計(jì)軟件包的運(yùn)行和管理標(biāo)準(zhǔn)化，減少人因?qū)е碌牟町愋?，提高了設(shè)計(jì)工程師的工作效率和質(zhì)量。平臺(tái)還為核電行業(yè)其他同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了借鑒。