基于MBSE的核動力裝置智能化設(shè)計

賴建永 李 毅 張玉龍 韓 冰 任 云

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

0 引言

目前MBSE已被視為系統(tǒng)工程的“革命”“系統(tǒng)工程的未來”“系統(tǒng)工程的轉(zhuǎn)型”等，近些年發(fā)展尤為迅猛，MBSE近幾年來已成為系統(tǒng)工程領(lǐng)域應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)，MBSE可稱為將系統(tǒng)設(shè)計升級換代的革命性工具，MBSE將會是21世紀(jì)復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的基本范例，同時,對于支持高效的協(xié)作開發(fā)環(huán)境也至關(guān)重要。國內(nèi)外很多大型組織已經(jīng)在開展相關(guān)研究和應(yīng)用。MBSE是Model-Based System Engineering的縮寫，即基于模型的系統(tǒng)工程。2007年，國際系統(tǒng)工程學(xué)會在《系統(tǒng)工程2020年愿景》[1]中，給出MBSE技術(shù)的定義：MBSE是一種應(yīng)用建模方法的正確方式，用于支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、檢驗(yàn)和驗(yàn)證活動，這些活動從概念設(shè)計階段開始，貫穿整個開發(fā)過程及后續(xù)的生命周期。

核動力裝置設(shè)計作為一項多學(xué)科和跨專業(yè)的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程，具有功能和設(shè)備可靠性要求高、技術(shù)難度大、投入資金多、協(xié)同單位多，以及設(shè)計研制風(fēng)險高等眾多特點(diǎn)。我國核工業(yè)體系經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，逐漸形成了一套具有中國特色的核動力裝置設(shè)計的管理模式。但近年來，一批核工業(yè)重大工程的立項和開展使核動力裝置的設(shè)計產(chǎn)生了新的特點(diǎn)：（1）核動力裝置數(shù)量大幅增加，但設(shè)計周期進(jìn)一步壓縮；（2）性能指標(biāo)不斷提高，新系統(tǒng)、新技術(shù)、新設(shè)備不斷出現(xiàn)；（3）多系統(tǒng)協(xié)調(diào)、多設(shè)備并舉以及耦合協(xié)同的復(fù)雜關(guān)系等。因此，結(jié)合MBSE的基本特點(diǎn)，核動力裝置設(shè)計對于MBSE的應(yīng)用是天然土壤。

核動力工程作為高精尖工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要分支，也是傳統(tǒng)行業(yè)，目前，存在系統(tǒng)設(shè)計模式效率不高，創(chuàng)新性不強(qiáng)以及技術(shù)壟斷等問題，為改善這些問題，提成核動力系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量和開發(fā)速度，基于MBSE的核動力裝置智能化設(shè)計尤為必要。本文采用模型的系統(tǒng)工程思想，對核動力裝置領(lǐng)域系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計全過程提供支持。

1 MBSE概述

基于MBSE模式，工程設(shè)計和研發(fā)工作由過去的“80%勞動、20%創(chuàng)造”變?yōu)榱恕?0%創(chuàng)造、20%勞動”，即MBSE可以讓工程師將更多的時間投入在設(shè)計中，而不是文檔中。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、機(jī)電、雷達(dá)等復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計[2~4]。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是規(guī)范化的應(yīng)用模型技術(shù)來支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗(yàn)證與確認(rèn)，從概念設(shè)計階段直至生命周期的后期各個階段，持續(xù)貫穿整個產(chǎn)品的開發(fā)。MBSE能夠代替系統(tǒng)工程師已經(jīng)實(shí)踐的以文件為中心的方法，并且通過完全集成至系統(tǒng)工程流程的定義中改變將來系統(tǒng)工程的實(shí)踐。在汽車的電氣架構(gòu)開發(fā)領(lǐng)域，MBSE已經(jīng)被越來越多的公司所引入，并且通過使用相關(guān)的軟件工具，把MBSE應(yīng)用到電子電氣開發(fā)的各個領(lǐng)域，包括用戶場景的描述、功能開發(fā)、系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計和相應(yīng)的測試驗(yàn)證?，F(xiàn)在已經(jīng)有了直接將模型轉(zhuǎn)換為代碼的工具，所以，很多系統(tǒng)可以通過MBSE的使用，具備或提高上層應(yīng)用軟件的開發(fā)能力。圖1為系統(tǒng)工程經(jīng)典的V模型，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)工程的技術(shù)過程和管理過程。

圖1 系統(tǒng)工程V模型[5]

1.1 MBSE的優(yōu)勢

（1）提升效率，改變以文本為基礎(chǔ)的系統(tǒng)描述，極大地節(jié)省工程師的時間；（2）圖形化的表示方式，易于理解，不易出錯；（3）標(biāo)準(zhǔn)格式，易于交換和傳遞，包括不同人員、組織之間的傳遞、和不同軟件之間的傳遞；（4）易于重用，標(biāo)準(zhǔn)化的模型方便復(fù)制、修改；（5）配合相應(yīng)的工具，可以應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，減少實(shí)物驗(yàn)證的成本和周期，提升質(zhì)量。

1.2 MBSE的劣勢

相應(yīng)的工具鏈需要大量的投資，無論是建模還是仿真，都需要購買昂貴的軟件，投資可能動輒上千萬甚至上億。但是，如果能充分利用軟件，并且相應(yīng)地優(yōu)化流程，真正讓MBSE發(fā)揮作用，則投資非常必要。

應(yīng)用MBSE首先是思想上的轉(zhuǎn)變，讓一個工作了多年的工程師轉(zhuǎn)為模型上工作，除了要給相應(yīng)的人員大量的培訓(xùn)之外，在思想和思路上的轉(zhuǎn)變才是最難的。相比之下，現(xiàn)在很多年輕的大學(xué)畢業(yè)生在校期間就已經(jīng)接觸過相應(yīng)的工具和方法，上手較為容易，但是他們沒有相應(yīng)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，如何進(jìn)行新老員工配合是一個需要解決的問題。

另外，應(yīng)用MBSE短期并不能產(chǎn)生效果，因?yàn)槟Ｐ蛶斓慕⑿枰欢螘r間。然而，一旦有了基礎(chǔ)之后，后續(xù)的迭代更新速度是驚人的。

MBSE是系統(tǒng)設(shè)計的神經(jīng)系統(tǒng)，數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)庫、理論機(jī)制、數(shù)學(xué)物理模型，計算軟件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)以及AI智能學(xué)習(xí)等，構(gòu)成了系統(tǒng)設(shè)計的骨骼、肌肉和血液，基于MBSE可以有無限創(chuàng)造的可能。

MBSE雖然經(jīng)過了不斷發(fā)展、迭代以及演化，但仍存在著一些不足：（1）工作量大，應(yīng)用初期大量的建模過程需要人工去完成，該階段對建模的自動化支持也相對較少；（2）模型質(zhì)量無法保證，由于需要人工去完成，系統(tǒng)建模的質(zhì)量取決于工程師的經(jīng)驗(yàn)，因此，建模質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一，水平參差不齊；（3）效率較低，尤其是對于核動力裝置這種大型復(fù)雜系統(tǒng)的建模。

結(jié)合目前MBSE的工作體系，應(yīng)積極融入模型驅(qū)動的思想，實(shí)現(xiàn)由MBSE向人工驅(qū)動向模型驅(qū)動的系統(tǒng)工程 （Model-Driven System Engineering，MDSE）轉(zhuǎn)變。模型驅(qū)動即通過智能化技術(shù)進(jìn)行建模，利用現(xiàn)有的工程設(shè)計知識以及經(jīng)驗(yàn)，通過有效的邏輯設(shè)計進(jìn)行策略推理，智能化地實(shí)現(xiàn)相關(guān)模型設(shè)計工作，從而減少大量復(fù)雜而又重復(fù)性的工作。這種模型驅(qū)動將現(xiàn)有設(shè)計技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)根治于產(chǎn)品的研制過程中，需要對其進(jìn)行深入挖掘才能提煉出來，而這一過程的實(shí)現(xiàn)不是一蹴而就的，是需要不斷完善的過程。

2 核動力裝置設(shè)計中MBSE的應(yīng)用

針對MBSE的在核動力裝置設(shè)計中的應(yīng)用，本文以余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計為例，提供以下分析方法。

余熱排出系統(tǒng)可以提出以下不同的劃分：（1）根據(jù)工況不同，余熱排出系統(tǒng)可分為事故后的余熱排出和正常停堆對應(yīng)的余熱排出；（2）根據(jù)是否依靠外部資源，可分為能動余熱排出和非能動余熱排出；（3）能動余熱排出和非能動余熱排出可以為各自獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以為管道、換熱器、進(jìn)出口共用，只是閥門型式不同。目前，不同項目包括AP1000、華龍一號、模塊化小型示范堆等，對于余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計千差萬別。基于這些項目的余熱排出系統(tǒng)，開展了大量的計算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，設(shè)計階段也會經(jīng)歷方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、初步設(shè)計、施工設(shè)計以及經(jīng)驗(yàn)反饋等。

針對余熱排出系統(tǒng)，我們花費(fèi)了大量的人力、物力和財力，如何將這些看似雜亂的系統(tǒng)設(shè)計工作理論化，需要引進(jìn)MBSE方法。圖2為MBSE應(yīng)用模型示意圖。針對余熱排除系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)功能和參數(shù)，聯(lián)合安全分析、測量控制、力學(xué)分析、輻射防護(hù)。堆芯物理等專業(yè)，建立系統(tǒng)設(shè)計協(xié)同平臺，在此平臺上針對工程實(shí)際展開具體設(shè)計。而對于這些具體涉及的專業(yè)，首先要建立系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)庫。針對余熱排出系統(tǒng)的不同工程需要，提出個性化的設(shè)計方案。

圖2 MBSE應(yīng)用模型示意圖

在對MBSE進(jìn)行理論創(chuàng)新和發(fā)展的同時，應(yīng)當(dāng)基于MBSE理論指導(dǎo)核動力裝置設(shè)計實(shí)踐，開創(chuàng)出一條適應(yīng)于我國國情的核動力裝置設(shè)計模式。

2.1 建立和完善的系統(tǒng)核動力裝置的研制流程體系

系統(tǒng)工程的具體流程是該體系的重要核心。根據(jù)當(dāng)前核動力裝置設(shè)計的具體任務(wù)形勢，確定核動力裝置各階段的任務(wù)分類以及具體實(shí)施要求，對關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)或卡脖子技術(shù)開展集中攻關(guān)，不斷開展核動力裝置設(shè)計流程的梳理和優(yōu)化工作。針對系統(tǒng)的總體設(shè)計要素，基于具體的建模工具和手段，梳理和建立核動力系統(tǒng)和設(shè)備的協(xié)同設(shè)計流程、系統(tǒng)和布置三維設(shè)計的協(xié)同流程、基于模型的跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程、安全分析設(shè)計流程、力學(xué)分析設(shè)計流程、堆物理設(shè)計流程、測量控制設(shè)計流程等。同時，借鑒先進(jìn)的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)管理、信息表達(dá)、數(shù)據(jù)傳輸，為核動力裝置設(shè)計流程的上下貫穿提供根本性保障?；趨f(xié)同設(shè)計和并行工程的理念，建立適用于核動力裝置設(shè)計各研制階段，支持多學(xué)科、跨專業(yè)綜合集成的協(xié)同設(shè)計中心，并成立由系統(tǒng)、熱工、儀控、輻射防護(hù)、材料等相關(guān)技術(shù)人員組成的集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊，通過協(xié)同設(shè)計中心開展核動力裝置協(xié)同設(shè)計，提高產(chǎn)品研制的效率和質(zhì)量。

2.2 利用智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)由MBSE向MDSE的轉(zhuǎn)變

在充分利用當(dāng)前的智能化技術(shù)，結(jié)合核動力裝置設(shè)計的具體情況下，可以將數(shù)十年來積累的工程經(jīng)驗(yàn)和知識，如設(shè)計原則、設(shè)計方法、設(shè)計流程以及設(shè)計計算等，融合到一個集成的核動力裝置總體設(shè)計程序中，然后，根據(jù)不同的設(shè)計階段，通過有效的邏輯推理策略進(jìn)行推理，智能化地實(shí)現(xiàn)核動力裝置設(shè)計過程建模。

2.3 核動力裝置跨專業(yè)智能化協(xié)同設(shè)計模型

基于MBSE核動力裝置的設(shè)計工作，雖然改變了原有的各專業(yè)直接協(xié)同工作的模式，但各專業(yè)之間的協(xié)同仍然需要人工來進(jìn)行協(xié)調(diào)。因此，結(jié)合當(dāng)前核動力裝置設(shè)計模式，一方面，基于統(tǒng)一的輸入源項開展系統(tǒng)、熱工、儀控、材料等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計工作，可有效解決傳統(tǒng)模式下人工協(xié)調(diào)多、設(shè)計相互校核多和設(shè)計質(zhì)量無法保證等問題。另一方面，建立基于多級協(xié)同的智能化并行設(shè)計機(jī)制，實(shí)現(xiàn)上下游專業(yè)之間設(shè)計對象及時更新修改，從而降低設(shè)計工作的迭代周期，提升設(shè)計效率。

2.4 核動力裝置設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)

在MBSE方法中，需要一套完善的核動力系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系作為支撐，這是MBSE實(shí)施以及系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。在梳理當(dāng)前其他行業(yè)關(guān)于系統(tǒng)工程通用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上，開展了重點(diǎn)適用于核動力系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系框架設(shè)計，進(jìn)一步建立和完善核動力裝置設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

3 結(jié)語

MBSE代表著核動力裝置設(shè)計的最新進(jìn)展和未來的重要發(fā)展的方向之一。但必須指出的是，對于核動力裝置設(shè)計工作，MBSE還處于初步探索階段，在今后具體實(shí)施過程中，必然存在大量的問題需要一步步去解決。因此，需要結(jié)合我國現(xiàn)階段核動力裝置具體的設(shè)計特點(diǎn)，以及今后的發(fā)展要求，對其長遠(yuǎn)的發(fā)展進(jìn)行具體策劃。此外，還應(yīng)密切關(guān)注國內(nèi)外科研院所在這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展，及時吸收消化優(yōu)秀的研究成果，盡快形成具有我國核工業(yè)特色的MBSE，提高我國核動力裝置的總體設(shè)計水平。