反应堆数字工厂设计生态环境

中国原子能科学研究院 核工程设计研究所 王瑾 周培德 余华金 刘一哲 裴志勇 俞晓琛

本文介绍了一种基于规则和数据流的反应堆数字工厂设计生态环境[1]建设方法，旨在提供一种反应堆一体化集成式数字工厂设计方案，解决反应堆数字工厂系统离散设计、数字化应用水平不均衡和二、三维设计校验信息不一致等问题。按照系统工程思路，结合大规模多群集成设计和协同设计的需求、反应堆数字工程设计特点、数字工厂设计分析系统、数字工厂设计规则及数据流特性，给出反应堆数字工厂设计生态环境研究方案。通过将设计系统、业务流程、设计方法、标准体系与设计环境[2]进行深度融合应用，开展数字工厂二、三维集成设计，是贯彻反应堆工程设计数字转型思想和一体化数字工程设计验证的核心，也是研发更安全、更经济、更高效的新型反应堆的重要设计方法之一。

1 综述

数字工厂设计技术在国内多种类型反应堆工程设计中，已经有近20多年的发展和应用，协同设计、集成设计等技术已经逐渐发展为新型反应堆设计研发中必须考虑的问题。随着数字化信息技术的应用，数字工厂设计从以Auto Cad为主流的二维设计，逐渐到基于数据库的二、三维设计系统技术的广泛应用，使得一系列数字化设计分析系统在反应堆工程实践中不仅仅是施工、加工制造图纸或模型的输出者，也是满足施工建造[3]及运维[4]阶段对数字化设计成果和智能技术应用的需求，加速反应堆工程设计技术的变革和数字化转型的推动者。

结合近10年对国内主流核电设计院的数字化设计技术应用分析，数字工厂设计技术在核能领域的发展应用可以总结为以下几个阶段：(1)离散式三维设计；(2)集群分布式工厂设计；(3)分布集成式数字工厂设计；(4)一体化集成式数字工厂设计，如表1所示。

表 1 数字工厂设计技术的四个发展应用阶段Tab.1 The four stage of digital plant design technology

反应堆数字工厂设计生态环境是基于数字化设计分析系统、规则及数据流形成的影响反应堆数字工厂设计的生态关系组成环境的总称，是指与数字工厂设计相关的，影响反应堆数字化设计、应用及验证的各类系统、规则及数据流相互作用的总和。数字工厂设计生态是数字工厂设计分析系统与生态环境[6]内相关的数据流在特的规则下的组合。数字工厂设计生态结构是指按照设计分析系统类型、规则、数据流特征及分布形成的特定数字工厂设计形态结构。数字工厂设计生态结构划分为三个等级：第一等级，根据设计规则核心特征划分的基本生态；第二等级根据生态系统结构与生态系统功能类型划分的组合生态；第三等级根据生态服务功能、数据流特性及服务功能重要性划分的子级生态。

反应堆数字工厂设计生态环境是借用生态学[7]中生态环境的概念，将参与反应堆数字工厂设计的设计分析系统（包含人）及数据，以数字化设计的视角按照数字生态的架构进行系统的梳理、拆解和重构，将数字工厂不同设计阶段、设计任务、设计系统，按照流转的数据类型、内容及功能目标，进行设计流程的优化，使专业间和系统间的设计数据间的影响关系从单系统分布集成，发展成为一体化集成式数字工厂设计。它是面向一体化数字工程设计验证和伴随式数字交付技术应用的基础。数字工厂设计生态环境由一系列参与反应堆数字工厂设计验证的二、三维设计分析系统、设计规则和数据库组成。核反应堆数字工厂设计是反应堆科学技术研究中实现工程应用转化的关键步骤。随着气候变暖、“碳达峰、碳中和”的国际大背景，核能系统将承担更多的优化能源结构的重责。越来越多的堆型面临着如何高效地提供安全、稳定以及经济性优良的设计方案。开展数字工厂设计生态环境研究，可以借助数字化设计技术，改善数字化应用水平不均衡的现状，实现数字化设计的生态平衡和更广泛的设计验证及方案评定。对于研发型反应堆，可以从根本上改善传统边研发、边设计模式带来的大量设计变更的影响。

以反应堆数字工厂设计模型质量为核心，从堆型选择、系统设计、设备研发、工艺设计、仪控设计、电气设计、工厂设计、制造模拟、安装建造、运维方案等方面，系统地将反应堆工程相关的几个关键部分，通过数字工厂设计生态环境有机的结合起来，形成反应堆工程一体化数字工厂设计新模式，缩短反应堆科研与工程应用间的距离。数字工厂设计生态环境依托于二、三维设计系统数据的流转及数据验证，从数据层次保证二、三维设计数据的一致性、准确性和追溯性。通过工艺、设备、仪控、电气、暖通、土建、结构、布置等专业的协同设计和集成设计，基于统一的数据标准和质量标准，实现反应堆工厂的一体化数字工程设计验证。数字工厂设计生态环境的初探是基于数字化设计对反应堆工程设计方法和设计管理[8]的应用研究，以设计为核心，以质量为基准，将下游采购、安建、运维环节对反应堆工程的影响，系统地与反应堆工程设计进行有机结合，开展全生命周期[9]设计数据质量保证和数字设计验证的方法研究。

2 反应堆数字工厂设计生态环境方案设计

反应堆数字工厂设计生态环境是基于大规模多群集成设计和协同设计的反应堆数字化工程设计与传统设计模式的融合，提供一种反应堆数字化工厂设计系统的组成方法，不同类型的数据信息在该环境中传递给多个设计分析系统，这些设计系统结合评价标准，同时向使用者或者分析系统提供数据反馈。

反应堆数字工厂设计生态环境是反应堆工程设计需求与数字化设计技术的高度融合应用的产物。从其数字化设计特性及其所执行的功能，数字工厂设计生态环境包含9个一级生态：(1)二维设计；(2)三维设计；(3)工厂设计；(4)集成设计；(5)数字提资；(6)模拟制造；(7)分析校验；(8)数据融合；(9)验证分析[10]。9个二级生态即组合生态和32个三级生态，如图1所示。

图1 反应堆数字工厂设计生态环境组成示意图Fig.1 Schematic diagram of design ecological composition of reactor digital plant

(1)二维设计：由工艺、仪控、电气、暖通、总图5个三级生态组成。工艺设计生态与仪控、电气、暖通3个形成组合设计生态（组合1），工艺流程图及属性数据构成基本输入、输出、迭代设计循环。二维设计生态是数字工厂设计生态的最基本组成。其中工艺设计生态是其中的核心，仪控和电气设计生态是反应堆工况设计实施及组态设计的关键。

(2)三维设计：由设备、建筑、结构、支架设计4个三级生态组成。其中有直接关联关系的设备与建筑设计（组合2），总图、建筑与结构设计形成组合设计生态（组合3）。二维组合设计生态与设备设计形成组合设计生态。

(3)工厂设计：由工程材料数据库和全厂系统布置[11]2个三级生态组成。其中全厂系统布置包含核能系统中所有实体物项及实施的布置设计，包含设备、管道、阀门、支架、仪表、电气、暖通、桥架、电缆、土建、钢结构等内容。该部分是数字工厂设计及验证的关键，是反应堆数字工程设计的核心，与二维设计、三维设计生态形成强关联组合设计生态（组合4），可实现二、三维自动校验、自动输出图表等。

(4)集成设计：由二维集成设计、多维集成设计、设计分析集成、工程集成管理、异地协同设计5个三级生态组成。集成设计生态与二维、三维及工厂设计生态的呈伴生关联关系（组合4），具有空间垂直及组合分布特性。集成设计生态是实现二维、三维及工厂设计生态设计数据高效流转的重要解决方案。

(5)数字提资：由工程设计数据管理生态组成，与集成设计呈伴生关联关系（组合4）。结合集成设计生态，可实现设计流程标准化、数据级过程管理、专业间协同设计、数据级信息传输、计划及进度管理。同时需要结合业务需求、系统特性、设计生态数据流转特性，设置合适的数字提资模式。高度本地化的数字化提资生态建设是降低专业间信息成本，提高设计质量，保证设计效率的关键。

(6)模拟制造：由制造模拟、装配模拟和运输模拟3个三级生态组成。该部分与三维设计和工厂设计生态成果数据，形成数据流输集成关系（组合5），执行部分数字工厂设计验证及工程转化特性指标评定功能。

(7)分析校验：由工厂模型审核、力学分析校验、分析仿真校验、工程材料管理、模块施工分析5个三级生态组成。该部分与数字工厂设计形成强关联设计关系（组合6），与二维设计、三维设计、集成设计形成弱关联组合生态（组合7）。

(8)数据融合：由一体化数字工程设计、多源模型[4]数据融合、交付运维数据耦合、数字反应堆数据融合和智慧运维数据融合5个三级生态组成。该部分整体与其他二级生态系统，呈弱关联关系（组合8）。与其中部分设计系统呈强关联关系。该部分是反应堆多维度、多纵深设计验证的基础。

(9)验证分析：由厂房二、三维布置综合验证、一体化数字工厂综合设计方案验证和一体化数字移交方案验证3个三级生态组成。该部分与二维设计、工厂设计、分析校验和数据融合形成组合设计生态（组合9）。该部分是反应堆数字工厂工程设计验证的重点，可实现数字工厂二、三维设计、成本、工程量、时间、交付特性等多重设计验证。

反应堆数字工厂设计是基于多种数字化设计技术的系统工程实践。反应堆数字工厂设计生态环境的建设是反应堆一体化数字工程设计验证任务开展和实施的基础。从数字设计生态的角度出发，设计者、管理者、采购者、建造者、业主、运行人员，其不同的角色在反应堆数字工厂设计活动中，通过与各类型设计生态业务的融合，成为整个数字工厂设计生态的基本组成。人的作用体现于在数字工厂设计生态的建设方案、设计流程、数据流转模式中，通过数字化设计技术对部分设计管理活动的业务下沉，使设计及管理思想成为整个数字工厂设计生态及改善生态组成提高数据流转效率基本设计活动。

在反应堆数字工厂设计生态环境应用中，项目数字化设计总体规划和设计任务本地化实施的能力情况，对整个实施效果有决定性影响。基于数字工厂的工程设计验证是伴随反应堆研发、设计、安建、运维等阶段的全生命周期的设计活动，结合不同阶段的需求，可以为活动的实施者提供全面系统地数字化设计支持和数据保障。

反应堆数字工厂设计生态的构建和研发是数字化设计技术应用发展和反应堆工程融合应用的结果。数字化设计的根本仍然是设计本身，数字化设计技术可以基于数据库、知识库或算法来帮助设计者以更高效、更严谨的设计反馈及分析，来完成更好的设计。但反应堆数字工厂设计生态的良性发展，需要依托于数字工厂设计规则体系的理论研究以及规则体系数据库的建立。与数字化设计生态相结合的反应堆工厂规范化和标准化设计规则研究是促进反应堆数字工厂设计生态与业务深度融合，向更高效、更智能、更集约发展的关键。

3 某核电工程项目中二级生态（组合4）的应用案例

以某核电工程项目数字工厂设计工艺管道布置设计为例。工艺设计生态、工厂设计生态和集成设计生态基于鹰图软件构建。工厂设计、工艺设计以及集成设计组合生态4的实施，依托于统一的工厂PBS数据结构、KKS编码、属性数据库。工厂设计和工艺设计组合生态，要求有更多统一的数据基础，包含材料编码规则、管道等级编码规则、二三维符号数据库以及属性数据库等。如上页图2所示。工艺设计生态通过多维集成设计生态，将工艺仪表流程图传递至工厂设计生态中，实现工艺管道的二、三维集成设计。

图2 某示核电工程项目中工艺管道设计生态组成示意图Fig.2 Schematic diagram of design ecological composition of the pipeline in the nuclear power project

工艺仪表流程图作为数据的一部分，通过集成设计生态系统将所需要的数据，传递至工厂设计生态系统中。设计人员可以直接调用和继承发布过来的P&ID，位号、连接信息、材料等级、口径、外形尺寸、规范、质保、安全、抗震等信息。通过和工厂设计生态联合应用，可以有效的避免二、三维设计数据的不一致。避免设计变更和反馈无法及时准确地传递给相关专业，并且结合集成设计生态系统严格的版本控制，可以对设计质量进行严格管控。数字工厂设计生态帮助设计者更高效地打磨出经得起考验和论证的设计方案。

4 展望

数字工厂设计生态环境目前已实现部分组合生态的项目应用。整个方案的逐步实施将可以实现工厂设计数字化、专业配合协同化、提资管理智能化、模型输出同步化、设计系统集成化、数字交付标准化以及工厂设计一体化。作为一种综合型数字化设计生态环境，数字工厂设计生态环境是数字化设计工具、方法、数据、参与者，与传统设计经验和方法的融合创新，是反应堆系统工程与数字化设计技术的应用融合。其以设计数据为核心，为全寿期业务领域的设计系统留有接口特点，可以保证生态的集成性和灵活性。数字工厂设计生态环境中设计领域全过程数据管理可以保证专业间系统数据的一致性、准确性和追溯性。以二、三维模型质量为基准，将可以从标准化设计工具、方法、准则、评价标准多途径，保证数字工厂设计生态内项目数字化工程设计验证的性能，加速和提升反应堆研发向工程实践的转化性能。

反应堆数字工厂设计生态的研发是实现反应堆各系统数据集成，系统地贯彻一体化数字工程设计思路，从设计系统、业务流程到设计方法，深度贯彻数字化转型思想，验证集约式数字反应堆型号设计新模式。开展基于数字工厂设计生态环境的厂房二、三维布置、数字移交和一体化数字工厂综合设计方案验证生态系统关键技术研究，将加速反应堆方案研发、科研成果工程化验证，为反应堆数字化设计技术先进性和方案经济性指标提供全流程、全周期数据级和系统级的保障和技术支持。

引用

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