参数化快堆协同设计平台的设计和开发

刘晨　杨红义　宋青

摘  要：快堆设计是一项复杂的工程设计活动，涉及多学科的综合应用，同时也面临研制周期长、型号任务重等严峻形势。随着信息技术和网络技术的快速发展，通过信息集成、过程集成和知识集成，构建统一的协同设计平台，已经成为实现数字化快堆设计的重要保障。通过规范各设计技术流程，对设计所用的各种CAD/CAE软件、自研程序进行有机整合，并对设计数据进行有效管理，从而构建以参数化驱动的协同设计平台，进一步提高新型号快堆设计研发能力。

关键词：数字化  快堆设计  参数驱动  协同设计

中图分类号：TP391                            文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0060-06

Abstract： Fast reactor design is a complicated engineering design activities involved in multi-subject synthesis application，and is faced with the long R&D time and heavy task of multi-type reactors. With the rapid development of information and Internet technology， the collaborative design platform is proposed through the integration of information， process and knowledge. This approach has as an important support condition to implement numerical FR design. Through standardized design technology flow， integrated CAD/CAM and self-developed software and managed design datum effective， the parametrical-driven collaborative design platform was built to improve the ability of FR design and development.

Key Words： Numerical; FR design; Parametrical-driven; Collaborative design

核电站设计是一项复杂的工程设计活动，其理论基础广泛，包含各项核科学技术的综合应用。快中子反应堆作为第四代反应堆的堆型，实现裂变核能的可持续应用。我国于20世纪80年代开始进行了以实验快堆为目标的应用基础研究，已完成了我国第一座快中子反应堆——中国实验快堆（CEFR）的设计和设计验证工作，初步具备自主研发大型快堆的能力。当前，在新型号快堆的设计过程中面临着知识传承和积累，灵活、柔性的设计流程管理，跨专业的设计和仿真工作环境，质量管理融入设计过程等难题。鉴于以上要求，开展快堆研发设计工作的研究，建立起一套将流程、知识、方法有机结合的协同设计环境，为满足各专业、各设计人员间协同研发、并行设计的开展需求，实现各专业间业务协同和信息共享。

本文重点阐述在快堆设计研发工作中构建统一协同设计平台的建设思路和内容，从快堆研发设计特点进行分析，阐述了协同设计平台（一期）的架构、建设内容，并介绍了堆本体一体化布置专业、堆芯设计专业和厂房总体布置专业的实际开发实践。

1  面向参数驱动的快堆协同设计需求分析

随着计算机技术、信息化技术的飞速发展，新型号快堆设计在当前传统的设计和管理方面正面临着新的挑战和要求，主要体现在以下几个方面。

（1）核电站设计是典型的多学科综合设计。

各个学科由专业学科技术人员进行设计分析与优化，由于采用的设计方法和设计重点不同，限制了学科间的交互交流，使得设计决策过程变得冗长，单用户设计系统已不能满足设计需求，也无法保证各学科内部以及各学科之间的接口对接，各专业之间的碰撞问题，设计结果往往难以满足要求。

（2）传统的核电站设计是串行迭代的设计模式。

在设计阶段形成的设计方案和设计图纸在建造阶段往往会遇到管道、设备位置与实际情况发生不匹配甚至是冲突的情况，给现场的施工带来了很大的挑战，也严重地影响了工程的设计进度和建设质量，造成整个工程建设投资增加。

（3）CEFR技术还没有真正消化和完全掌握。

尽管我国第一座快中子反应堆CEFR是由我國完成全部设计和设计验证任务，但仍然有很多技术没有真正消化和掌握。结合CEFR的成功设计实践，在消化吸收国外设计资料的基础上，对技术流程进行梳理，参数驱动的技术流程梳理将使工艺设计过程参数化，技术流程显性化，通过流程引导设计，使设计过程规范化。

（4）核电设计的工具软件使用各不统一。

通过国际合作引进的设计软件，主要以国外的标准和规范为核心，不能直接有效地用于我国核电站设计;通过商业途径采购的设计软件，过于通用化，主要依赖设计人员的使用经验，不能很好地解决快堆电站的专业设计问题。同时各个工具之间缺乏集成，无法快速迭代设计方案;软件工具和系统间相互独立，集成和整合程度不够。为了有效地利用这些软件，需要进行集成和必要的定制开发，形成能真正有效用于快堆设计的专业软件系统或工具包。

（5）设计过程中产生的工程数据分散和不规范在设计过程中产生大量的数据和文件，包括：各种设计数据、分析仿真数据、文件、报告等，当前绝大部分技术文件、图纸已采用电子格式编写或设计，分散在各个管理系统，甚至是设计人员个人电脑中，处于分散管理的状态。设计者之间不能通过系统进行信息沟通和知识共享，各种知识关联关系没有管理，缺乏一致性，以至造成重复设计、设计版本不一致等情况，影响了工程设计质量和进度。

（6）传统设计管理手段落后。

传统依靠人力以纸质文件的设计管理手段已不能满足当前设计需求。当前对设计项目的管理相对比较粗放，只能以传递文件的方式，比较单一，工作流程中数据的传递方式和类型不明确。更重要的是，无法在设计流程的引导下开展工作，实行计划和执行情况之间缺乏互动，调度困难，不能很好的监控整个设计过程，同时设计过程是否符合规范等内容不能很好地监督和衡量，导致整个设计效率的降低，管理人员工作强度大。

（7）快堆设计是一个知识积累的过程。

核电工程一般意义上来说都是年代工程，在如此长的设计周期内，设计人员的频繁更替在所难免。如何保留设计过程中的设计知识、设计经验，固化设计流程，为工程后期的调试、运行和退役提供依据，为后续设计优化和再利用提供参考，已经成为阻碍核电发展的重要瓶颈。为保证核电站的经济性和安全性，应该从项目开始阶段就考虑对核电站设计、施工、检修至最终核电站退役整个生命周期进行全过程管理，通过知识的积累最大限度地提高设计质量，降低设计、管理、维护的各项成本，从而全面提升核电站的经济效益。

综上所述，如何协同地管理快堆型号设计及仿真过程中的各项关键数据和知识，成为缩短设计周期、降低研发成本与研发风险的关键，同时也成为快堆所生存和发展的重中之重，因此建立以满足三维设计为前提的协同设计平台是迎接核电新机遇的首要任务。

2  参数化快堆协同设计平台的设计方案

协同设计作为一种科学、有效、先进的管理手段和方法，将技术和资源有效地组织、管理和应用起来，以集成设计为手段，逐渐弱化工具类软件在单一领域的功能，强化软件之间的协同研发能力，均衡多物理属性的开发需求，强调了集成解决方案的重要性[1-6]。

2.1 参数化快堆协同设计平台架构

采用索为SYSWARE软件作为一款快堆参数化协同设计平台，以新型号快堆设计为需求，以数字化设计和仿真为技术手段，建立一套集设计、管理功能于一体的，符合核电设计需求的三维协同设计平台，集成相关设计软件（方法）、标准、规范、经验等，将流程、软件（方法）、知识等有机融合，通过“工程经验模板化、工具软件集成化、产品设计协同化、经验数据知识化、项目流程规范化”的研发模式，实现参数化驱动的协同设计，满足各专业间业务协同和信息共享，其体系架构如图1。

通过建立以不同权限多角色操作的用户界面层，以统一的用户界面满足设计人员、管理人员和决策人员不同的显示需求，实現个性化的工作方式;

通过建立以支持设计任务、流程管理和满足多学科集成设计的应用平台层，针对不同专业特点形成不同专业设计子系统，实现对整个设计过程的管理和控制;

通过集成各类设计软件工具，提供多种专业软件设计工具，并提供数据管理接口和流程管理接口，实现统一的集成设计环境的软件集成层;

通过建立以数据、知识、经验管理为核心的数据支持层，形成设计基础数据库、设计、仿真模型库、设计模板库和规范、资源库实现对数据信息资产的支持和管理;

通过建立以并行计算为中心的高性能计算系统，形成整体数据中心，实现满足专业工艺软件、数据处理软件平台运行的硬件支撑;

通过对上述角色、资源、设计过程以及知识等多维度的协调，构建一个多层次多角度参数化设计环境的协同设计平台。

2.2 快堆协同设计平台建设内容

协同设计平台是通过多种技术的综合应用，把相关联的独立设计活动融合的设计支持环境。通过搭建新型号快堆工艺设计过程模型的任务及流程管理框架，实现设计过程管理和控制;提供软件集成和运行环境，集成工艺设计阶段所用的设计软件工具;对设计知识和经验进行固化，进行有效的知识管理和重用;通过可扩展的数据库技术来搭建可控可追溯的过程数据管理。目前我所基于国内各行业集成开发平台的建设经验，开发面向新型号快堆的协同设计平台，该平台的建设内容主要包括以下三个部分如图2。

（1）设计管理协同环境。

设计管理协同环境包括设计流程管理及设计数据管理两个部分。设计流程管理是由一系列快堆所自身业务流程组成。通过对设计流程管理的建立，在技术流程梳理的基础上，根据设计任务的WBS结构，建立设计流程模型，将流程与数据、工具、知识相关联。由流程引擎驱动设计流程的流转，并根据流程节点的完成状态进行流程监控;设计数据管理是提供专业的设计数据管理服务器，保证数据集中管理，减少大量查找设计数据的时间，快速获取数据，积累、重用设计历史数据，保护数据的知识产权。

（2）设计执行协同环境。

通过设计执行协同环境，为设计人员提供一个集设计工具、设计模板、设计过程一体化的设计工作台面。通过工具集成、过程标准化及规范化、参数化及参数管理、优化设计、设计知识管理、基本设计资源模块的建立，形成设计执行协同环境。快堆型号设计的各种设计技术流程，都可以全部在设计执行协同环境中集中起来，形成一个综合化的快堆设计执行协同环境。根据快堆标准设计的技术流程，对各设计模板、子流程的逻辑关系和数据传递关系进行定义和搭建，集成主工艺专业设计功能模块，能够快速形成设计工具软件。通过开发快速设计向导，将设计流程进行封装，以类似设计流程向导的形式将参数、设计要求按照相应型号的设计流程逐级传递，同时驱动三维建模工具自动进行模型特征的加载和创建，减少手工创建特征的繁琐。同时利用参数关联技术将参数与流程、模型库进行关联，实现整体结构的随动，方便进行模型的快速修改和变更。

（3）设计资源支撑环境。

工具软件包括各种CAD/CAE设计工具和自研程序作为专业设计软件集成的基础设计资源，通过各种设计工具及自研程序可建立设计模型，进行各种设计分析计算机结果分析处理;通过基础数据库的建立，为协同设计平台中各种业务系统的数据提供统一的数据访问、处理和管理等服务，能够建立任务流程、设计、仿真、知识以及其他数据之间的关联关系，实现设计过程数据的一体化管理，提高数据维护、数据转换与集成效率，保证各系统数据同步和协调，满足数据项的可追溯性;通过知识库的搭建，进行统一的知识资源的存储、组织和管理，从而满足后续对知识资源系统灵活性、可定制性、扩展性方面的要求。

3  专业子系统的开发

通过前期参数化快堆协同设计平台的建设，已完成参数化快堆协同设计平台一期建设，开发了堆本体一体化布置软件包、堆芯设计软件包和厂房总体布置软件包，初步形成快堆设计部分专业的参数化协同设计环境。

3.1 堆本体一体化布置软件包

通过TDE/IDE集成环境实现GUI界面的交互、流程的控制管理及数据的传递管理，利用CATIA软件进行三维实体效果展示，如图3，通过构建线框模型系统，用于CAD和CAE的关联设计，最终形成一套用于堆本体布置软件包的结构方案设计软件。

3.2 堆芯设计软件包

基于堆芯设计流程过程文件和调研情况，对堆芯设计研发流程进行建模，形成堆芯设计研发流程模版;基于自研软件、商业软件接口组件和搭建设计流程的逻辑组件，封装堆芯设计过程的工程模板;基于堆芯研发流程的梳理及工程模板封装工作，梳理堆芯子系统过程数据模型，最终初步形成集安全、组件、屏蔽、热工和物理专业的堆芯设计软件包。

对概念设计阶段堆芯设计流程进行建模，如图4形成堆芯设计流程模版，建立了物理、安全、热工、组件、屏蔽五个专业的工程模板库，图5-6，形成堆芯设计分析专业软件包，实现了堆芯概念设计阶段的多专业协同设计。

3.3 厂房总体布置软件包

选取新型号设计核岛厂房作为案例进行相应的业务方案定义、设计开发、测试验证、系统部署，通過集成CATIA软件及二次开发实现成核岛厂房总体布置，如图7，便于方案设计的快速布置、调整，提高总体布置的工作效率。

4  结语

自主化新型号快堆的研发设计工作是一项艰巨的历史重任，为保证核电设计的安全性、可靠性和经济性的条件下，研发工作需要在多学科、多专业不同的设计人员之间有效、协调、快速展开。为实现这一目标，必须有相适应的技术平台作为支撑，通过规范各设计技术流程，对设计所用的各种CAD/CAE软件、自研程序进行有机整合，并对设计数据进行有效管理，构建以参数化驱动的协同设计平台，实现了各专业、各设计人员间协同研发、并行设计，以此来提高设计人员的工作效率，确保设计质量。

参考文献

[1] 张宏宇，高洪涛，刘霞，等.面向制造的航天器总体、结构和热控三维协同设计研究[J].航天制造技术，2016，10（6）：14-17.

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[4] 韩潇，吕世增，丁文静，等.基于参数化设计方法的空间环境模拟器集成设计[J].真空科学与技术学报，2019，34（1）：34-38

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