核能行業(yè)由傳統(tǒng)研發(fā)體系轉(zhuǎn)向基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是核科技工業(yè)自立自強(qiáng)，創(chuàng)新發(fā)展的必然。中核集團(tuán)已經(jīng)明確提出要選擇不同層面的重點(diǎn)領(lǐng)域開(kāi)展基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）試點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用，做實(shí)做深集團(tuán)公司系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)型應(yīng)用工作。中核核信（計(jì)算機(jī)所）是中核集團(tuán)信息技術(shù)支撐總體單位、是核工業(yè)信息化建設(shè)主力軍、是核工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的賦能者。中核核信（計(jì)算機(jī)所）聚焦核工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域，助力核工業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)數(shù)字化支撐和高質(zhì)量發(fā)展，工業(yè)軟件事業(yè)部MBSE團(tuán)隊(duì)充分研究國(guó)內(nèi)外技術(shù)路線，篩選不同工具，用基于模型的方式重構(gòu)型號(hào)設(shè)計(jì)流程，打破數(shù)據(jù)“孤島”，創(chuàng)建需求、架構(gòu)和參數(shù)互聯(lián)的同源模型，助力多個(gè)核工業(yè)新型號(hào)的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

　　MBSE方法基于數(shù)字化建模，使用標(biāo)準(zhǔn)的模型元素創(chuàng)建系統(tǒng)的特定分析視圖，改進(jìn)了系統(tǒng)的分析方法，并減少了傳統(tǒng)基于文檔的設(shè)計(jì)方法中無(wú)法避免的驗(yàn)證困難與一致性差的問(wèn)題，提升了項(xiàng)目溝通效率與產(chǎn)品質(zhì)量，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。基于模型實(shí)施系統(tǒng)工程，以模型的形式正規(guī)表達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，更容易建立從需求到結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的正向設(shè)計(jì)邏輯。

　　圖1 MBSE優(yōu)勢(shì)

　　核電設(shè)計(jì)是一項(xiàng)多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)相結(jié)合的大型復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有技術(shù)難度大、投入資金多、安全與可靠性要求高、協(xié)作部門(mén)單位眾多、研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高和管理難度大等諸多特點(diǎn)。

　　圖2 壓水堆核電廠流程系統(tǒng)原理圖

　　在壓水堆核電廠中，反應(yīng)堆的作用是進(jìn)行核裂變，將核能轉(zhuǎn)化為熱能，水作為冷卻劑流經(jīng)堆芯將堆內(nèi)釋放的熱量通過(guò)反應(yīng)堆冷卻劑管道傳到蒸汽發(fā)生器，在那里傳遞給二次側(cè)的給水（二回路工質(zhì)），使其成為飽和蒸汽。冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中被冷卻后由主冷卻劑泵打回反應(yīng)堆重新加熱，形成一個(gè)封閉的吸熱和放熱的循環(huán)流動(dòng)過(guò)程，這個(gè)循環(huán)回路稱為一回路，也是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的主要部分，其功能是冷卻堆芯并帶走熱量。由于一回路的主要設(shè)備是反應(yīng)堆，所以通常將一回路及其輔助系統(tǒng)和廠房統(tǒng)稱為核島；二回路工質(zhì)（汽輪機(jī)工質(zhì)）在蒸汽發(fā)生器中被加熱成飽和蒸汽后進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。做完功的蒸汽被排入凝汽器，由循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，凝結(jié)成水后由凝結(jié)水泵送入加熱器預(yù)加熱，再經(jīng)由給水泵輸入蒸汽發(fā)生器，完成了汽輪機(jī)工質(zhì)的封閉循環(huán)，此回路稱為二回路。二回路系統(tǒng)功能與常規(guī)島蒸汽動(dòng)力裝置基本相同，所以將它及其輔助系統(tǒng)和廠房統(tǒng)稱為常規(guī)島。綜上所述，核能發(fā)電實(shí)際是核能→熱能→機(jī)械能→電能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。

　　目前，MBSE技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是在系統(tǒng)工程理論的指導(dǎo)下，不斷提高工程落地應(yīng)用的能力，盡可能與具體的業(yè)務(wù)流程相結(jié)合，以發(fā)揮應(yīng)有的巨大價(jià)值。Capella是由Thales集團(tuán)于2008年至今自主孵化開(kāi)發(fā)的MBSE建模工具，并于2015年開(kāi)始正式開(kāi)源。Thales在自身大量工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉為Capella工具，天然具有對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的工程適用性。自開(kāi)源以來(lái)，Capella已在國(guó)內(nèi)外眾多的工程領(lǐng)域和大型組織中得到采納與應(yīng)用。

　　核電廠系統(tǒng)建模包括核電系統(tǒng)架構(gòu)模型的編輯與轉(zhuǎn)換模塊，承擔(dān)核電系統(tǒng)架構(gòu)模型開(kāi)發(fā)、跨層級(jí)下達(dá)、與上下游的承接和轉(zhuǎn)換等功能。應(yīng)用Capella對(duì)核電廠正向設(shè)計(jì)建模主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

　　一、運(yùn)行分析

　　專(zhuān)注于分析用戶需求與目標(biāo)。可承接體系架構(gòu)分析設(shè)計(jì)結(jié)果，充分定義實(shí)際的運(yùn)行用戶和運(yùn)行環(huán)境。輸出的“運(yùn)行架構(gòu)”用于描述并構(gòu)建用戶的需要，以及他們應(yīng)具備的運(yùn)行能力和活動(dòng)。從核電廠的角度分析其整體運(yùn)行流程， 識(shí)別核電廠的頂層設(shè)計(jì)目標(biāo)。運(yùn)行架構(gòu)模型如下圖所示：

　　圖3 運(yùn)行分析架構(gòu)圖

　　二、系統(tǒng)分析

　　定義系統(tǒng)如何滿足運(yùn)行需要，并達(dá)到期望的行為和質(zhì)量。系統(tǒng)分析步驟需要?jiǎng)?chuàng)建如下元素：功能以及相關(guān)交互，分配給功能鏈路的性能，系統(tǒng)與施動(dòng)者之間的交互等。從核電廠的角度分析其整體運(yùn)行流程，分析每個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方式。

　　系統(tǒng)架構(gòu)模型如下圖所示：

　　圖4 系統(tǒng)分析架構(gòu)圖

　　三、邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　承接系統(tǒng)分析結(jié)果。將系統(tǒng)分解為若干個(gè)邏輯組件，建立一個(gè)粗顆粒的、在后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)組件分解。

　　邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)模型如下圖所示：

　　圖5 邏輯架構(gòu)模型圖

　　四、物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　與創(chuàng)建邏輯架構(gòu)內(nèi)容相似，區(qū)別在于這一次定義了系統(tǒng)的“最終”形態(tài)。引入理性的選擇、架構(gòu)的樣式、新的技術(shù)和組件，并且根據(jù)實(shí)現(xiàn)、技術(shù)和工藝的約束與選擇演進(jìn)邏輯架構(gòu)。

　　物理架構(gòu)設(shè)計(jì)模型如下圖所示：

　　圖6 物理架構(gòu)模型圖

　　MBSE方法從概念設(shè)計(jì)開(kāi)始、一直到系統(tǒng)運(yùn)行及退役、持續(xù)貫穿型號(hào)研發(fā)及運(yùn)行的全生命周期各個(gè)階段。MBSE的實(shí)施助力設(shè)計(jì)端的前期需求分析與驗(yàn)證，并繼承至下游用于施工仿真、虛擬調(diào)試、預(yù)防性檢修等，保障系統(tǒng)全生命周期的可追溯性，同時(shí)可進(jìn)行模型庫(kù)的迭代復(fù)用。

　　MBSE方法為核行業(yè)的數(shù)字化提供了一種嶄新的視角，同時(shí)也是創(chuàng)新型號(hào)設(shè)計(jì)和復(fù)雜系統(tǒng)管理公認(rèn)的解決方案。MBSE方法的運(yùn)用，會(huì)對(duì)現(xiàn)有核電型號(hào)研發(fā)流程、設(shè)計(jì)模式注入新的能量，從而給項(xiàng)目管理、技術(shù)管理、風(fēng)險(xiǎn)決策等帶來(lái)根本變革。

　　中核核信（計(jì)算機(jī)所）MBSE團(tuán)隊(duì)將助力核行業(yè)結(jié)合自身的研發(fā)特點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展需求，制定出長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，積極探索并形成特有的核工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路，為核工業(yè)整體創(chuàng)新發(fā)展賦能。