信息化环境下数字化核电厂三维结构模型及其解决方案

／核工业计算机应用研究所 张亮 高明／

信息化环境下数字化核电厂三维结构模型及其解决方案

／核工业计算机应用研究所 张亮 高明／

在综合分析数字化核电厂建设现状基础上，构建了信息化环境下数字化核电厂的三维结构模型，分为业务维、应用维和路线维。基于三维结构模型理论，采用企业架构（EA）方法分析信息化建设如何满足数字化核电厂业务需求，给出了数字化核电厂的总体业务架构和应用架构，指出了信息化环境下应重点建设数字化核电厂信息管理平台和多个智能应用系统，可以为核电企业数字化核电厂建设工作提供参考。

信息化；数字化核电厂；三维结构模型；业务架构；应用架构

0 引言

随着核电信息化的发展，对于“数字化核电厂”定义及其内涵还存在不同见解，传统意义上的数字化核电厂研究大多集中在数字化设计、控制以及仿真计算方面，以核电站数字化仪控系统和数字化反应堆计算软件平台为代表，侧重于在电厂规划、设计、建设和运行过程中数字化技术的运用以及电厂的数字化运行、监测和控制。在信息化环境下，数字化核电厂更需要考虑对电力生产和企业运营管理的全面支撑，在确保核电厂安全可靠运行的同时，为打造信息化核电企业提供明晰的电子化流程和翔实的基础数据，提升核电企业管理水平。

1 信息化环境下数字化核电厂建设现状

核电运营企业及旗下核电厂在“十二五”期间加大了信息化建设，建成了核电生产运行管理系统、人财物一体化平台[1]、企业内容管理系统等标准信息化套装软件，信息化水平显著提高，信息化已全面渗透到核电企业各个管理领域和各项业务环节，有效支撑了企业和电厂的科学发展。以设计为龙头，位于核电产业链的中端的核电工程公司发布了“四柱一面”核电项目管理信息化体系[2]，作为其在数字化建设上取得的阶段性成果，其中“四柱”分别指“设计信息管理系统”、“采购管理系统”、“施工管理系统”、“调试管理系统”，“一面”指“项目管理信息平台”。

信息化环境下，纵观我国目前数字化核电厂的建设现状，虽然核电企业在数字化建设上已经有较大的投入和应用，但是仍然存在一些问题，主要表现在：

1）数字化核电厂的建设理念不清晰，与信息化企业概念混淆。有人认为将核电信息管理系统与生产实时数据系统相结合就是数字化核电站，有人将三维虚拟核电厂理解为数字化核电站[4]，也有人将核心业务信息系统实施理解为数字化核电建设。数字化核电厂通过更全面、更合理的电厂数据采集、整合和分析优化，实现电厂的数字化规划、设计、建设、运营和管理，而信息化企业是在先进管理理念指导下，以信息技术为依托，建立覆盖整个企业的信息网络和一体化（多个）企业级信息系统。

2）核电厂全寿期各阶段仍存在信息孤岛，工程期与运营期之间缺乏数字化移交。核电设计、制造、施工、运行及维护等阶段的数据信息之间没有有效的关联，造成信息孤岛，尤其是核电工程（承包方）和核电运营（业主/运行方）信息系统各自建设，在工程移交阶段，通常不提供结构化的数据，只有“成包”的图纸、文档。工程方和运营方数据移交的方式、过（流）程不严谨和规范，数据的准确性没有保证；运营方需要花大量的人力和时间，从海量移交资料中手工整理、抽取、加工所需的信息和文档。

3）核心业务系统应用集成缺少技术标准和数据规范。在技术方面，缺乏企业级面向服务的标准化集成规范，导致核心业务系统之间集成要过多的考虑报文转换、接口标准等技术问题。在数据规范方面，特别是主数据，例如SSC（构筑物、系统和设备）、物资、文档缺乏面向核电企业内部以及企业之间的编码规范等，进一步造成行业信息交流困难。

2 信息化环境下数字化核电厂三维结构模型

在综合数字化核电厂建设现状和各种定义[6-9]的基础上，同时考虑数字化核电厂的发展趋势等因素，构建了信息化环境下数字化核电厂的三维结构模型，即数字化核电厂业务维、数字化核电厂应用维和数字化核电厂路线维，如图1所示。

图1 信息化环境下数字化核电厂三维结构模型

2.1 数字化核电厂业务维

数字化核电厂业务维从核电厂全寿期角度考虑，以单个核电厂为研究对象，覆盖了电厂项目前期、工程建造、移交接产、运行维护直至退役的全部过程，要实现整个过程的数字化，应建立“横向贯通”的信息化平台，集成和共享各个环节中重要物理对象（例如厂房、系统、设备等）和工作对象（例如设计信息、采购信息、施工信息等）。特别是在移交接产环节，核电工程方（承包方）和核电运营方（业主/运行方）都已有各自信息化平台的情况下，需要重点研究数字化移交的流程、方法、标准和规范。

2.2 数字化核电厂应用维

数字化核电厂应用维分为SSC（构筑物、系统和设备）物理对象层、数字化生产、数字化管理和智能化分析。SSC物理对象层包括电厂的构筑物、系统、设备等，是一个物理核电厂的分解结构；数字化生产实现了对物理核电厂信息采集、计算和监控，以核反应堆计算软件、电站数字化仪空系统（DCS）、实时数据库（PI）等为代表；数字化管理实现了核电厂的智能设计管理、敏捷采购管理、协同施工管理、生产运行管理、人财物集约化管理以及企业内容管理，主要以三维设计系统、仓储采购系统、现场施工系统、企业资产管理系统（EAM）、企业资源计划（ERP）、企业内容管理（ECM）等为代表，是信息化环境下信息化平台的主要着力点；智能化分析主要面向企业的经营决策分析，以商业智能（BI）、大数据技术等为代表。例如以SSC设备为研究对象，DCS系统采集监控设备运行数据，进一步传输到实时数据库（PI）中，PI通常会和电厂生产运行管理系统实现设备巡检信息接口，进而触发工单；EAM工单管理流程中，工单物料成本发生后，在ERP中实现成本归集，并触发工单物料补货流程；最后使用智能化分析技术研究电厂库存优化、预测性维修等。

2.3 数字化核电厂路线维

数字化核电厂路线维代表了对数字化核电厂发展的展望，核电技术经过数十年的发展，自动化水平已经很高，在信息化环境下，或者是信息化和工业化融合环境下，数字化核电已经上升为核电企业的发展战略。数字化核电是智能化核电的基础和落脚点，智能化阶段与数字化阶段是重叠关系，而不是顺序关系，同样智能化与智慧化也是重叠关系，本文提出智能化的下一个发展阶段是智慧化，并且认为智慧化核电与第四次工业革命“工业4.0”的概念是一致的。智慧化核电不再以单个核电厂或是单个核电企业为研究，更要结合电力体制改革、节能减排、能源互联网等整个电力行业价值链开展研究。

在数字化核电厂三维结构模型理论基础上，首先要全面了解数字化核电厂业务需求，建立数字化核电厂的模型和参考架构，然后需要有一套完整的方法论、工具和流程对数字化核电厂进行建模、规划、分析和优化。依据上述定义和分析，结合中国核电信息化建设现状，本文借鉴企业架构EA方法分析IT建设如何满足数字化核电业务需求，并给出解决方案。

图2 数字化核电厂总体业务架构

3 信息化环境下数字化核电厂解决方案

EA方法是一种能够将组织战略目标映射到信息技术（IT）建设目标的蓝图规划设计方法，有利于实现IT建设与企业业务战略的紧密结合[5]。由于核电厂的业务复杂，尤其是在信息化环境下采用EA 方法能够使核电全寿期业务流程得到系统的分析与梳理，使数字化核电厂建设得到全面而科学的规划与设计，本章节重点介绍了业务架构与应用架构。

3.1 数字化核电厂业务架构

业务架构定义了企业的业务流程、业务组织及管控模型和信息系统应该如何支撑数字化核电厂的业务，自顶向下对核电厂的核心业务逐层分析，识别出数字化核电厂核心业务能力包括三个领域，即“经营与决策领域”，“工程与运营领域”，“支持服务与资源保障领域”。本文基于核电生命周期管理和核电价值链的角度，对业务领域进一步分解为12个业务子领域， 业务子领域往下细分为业务活动（如图2所示）。

1）经营与决策领域：覆盖核电企业战略管理和企业决策层的业务过程，包括战略管理，经营管理，风险与内控管理3个业务子领域。

2）工程与运营领域包括项目前期核电建造、核电运营、电力销售、退役延寿、市场开发5个业务子领域，也是数字化核电厂全寿期业务内容。其中，核电建造主要面向核电的建造过程管理，核电工程方开展设计、采购、施工、调试的业务，同时开展生产准备和工程移交的工作；核电运营方主要是面向核电厂的运行、维修和技改等工作，开展设备可靠性管理、配置管理、运行管理、物资与服务管理以及工作管理等业务。

3）支持服务与资源保障领域包括安全与质量，资源与保障，综合与服务3个业务子领域，其中安全与质量面向保障核电工程和经营活动中的质量与安全；资源与保障主要指核电工程期和运营期活动所必要的资源保障和管理、技术等支持服务工作和流程等；综合与服务面向核电日常企业运作，提供综合服务、后勤保障和管理。

3.2 数字化核电厂应用架构

根据业务总体架构设计，结合数字化核电厂对信息化需求的定义，应用总体功能架构如图3所示，从应用的功能层面来看，数字化核电厂的应用可分为五个功能层面，自上而下分别为：访问与展现层，决策支持层，经营管理层，业务管理层，支持与服务层。根据专业领域和用户范围，参考行业中核电企业的信息系统分布现状，以及主流商业软件产品和套装软件及解决方案的特点和功能，对应用架构功能蓝图进行应用系统划分。

图3 数字化核电厂总体应用架构

其中，ERP（Enterprise Resource Plan）全称企业资源计划管理系统，定位于核电企业人财物一体化管理平台，包括了人力资源管理、财务管理、采购物资及仓储管理、售电管理、项目管理和经营管理等。EAM（Enterprise Asset Management）全称企业资产管理系统，涵盖了质量、安全、环境与健康（QSHE）管理，设备管理与运行管理，专业技术支持管理等业务。ECM（Enterprise Content Management）全称企业资产管理系统，以文档管理为中心，结合OA，知识管理等方面的内容，拓展实现对门户，个人工作台，文档一体化管理，公文和文档类的流程管理。BI（Business Intelligence）商业智能平台包括了工程期工程项目管理驾驶舱、经营管理驾驶舱、生产管理驾驶舱以及其他主题分析、指标和报表等。EIP（Enterprise Information Portal）全称企业信息门户，主要包括了企业门户和一些移动访问终端。工程项目管理平台包括了设计管理系统、采购管理系统、施工管理系统、调试管理系统以及项目管控等多个信息化平台。

从应用架构可以进一步看出，除了上述业务系统之外，应建立横向贯通的数字化核电厂信息管理平台，以及纵向集成的多个数字化核电厂应用系统。数字化核电厂信息管理平台面向核电厂全生命周期，以SSC结构为核心，实现核电从概念设计到延寿退役过程中所产生的各类生产、技术数据的关联和挂接，包括了前期数据、需求管理、SSC管理、3D模型数据管理等功能。将数字化电厂应用系统分为移动应用、智能应用和大数据应用三类，以智能应用系统为核心，包括了虚拟检维修（VR）、智能仓储（RFID）、数字管网（GIS）等应用。

4 结束语

数字化核电厂建设，必须先统一对数字化概念的认识，基于三维结构理论模型，提出使用EA方法论开展信息化环境下数字化核电厂建设规划，进一步提出了核电厂的业务架构和应用架构。加强数字化核电厂的顶层规划，从全寿期角度出发，业务应用为核心，信息技术为手段，全面构筑数字化核电厂，建设信息化核电企业。

在信息化环境下，数字化核电厂建设要对电厂已有信息系统资产利旧创新，而不是全面替换，重点建设数字化核电厂信息管理平台和智能应用系统。从长远看，建设数字化电厂是一项能够提高核电厂运行、管理水平的系统工程，在这一工程中，确保有效地拓展与利用电厂现有资源，通过信息化平台和应用系统实施等技术措施，实现全寿期协同与全产业互联，提升业务分析与管理决策能力，全面推动各项业务的高效开展。

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