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MBSE在核工业的应用与实践探索

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1 序章

我国核工业已逐步抛开翻版设计或逆向工程,开始了第四代新型号和小型化、模块化堆型等正向研发设计工作。然而核工业多学科复杂性的剧增、系统集成后涌现性的不可预测、产品的生命周期越来越长、新技术的更替周期越来越短、大量信息基于静态文档、变更追溯困难、各专业交互不足等痛点深深阻碍着行业发展。

国外的国防军工企业如:达索航空、雷神、洛克希德·马丁;航空航天企业如:空客、波音、美国国家航空航天局(NASA),都在十几年前开始探索并应用基于模型的系统工程(即MBSE: Model-Based Systems Engineering),逐步实现用标准化模型代替自然语言、从基于文档转向基于数据、从“信息孤岛”转向单一真相源、以需求驱动逻辑和物理设计、全生命周期可追溯以及多专业集成仿真等先进业务场景。我国的商飞和一飞院等航空企业近年在新型号自主创新的驱动下,也奋起直追开始在设计和仿真上应用MBSE。

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对标航空航天领域,核电新型号作为典型复杂系统在未来的发展趋势和任务变得十分明确,即正规化、标准化地应用MBSE从概念设计、初步设计、持续贯穿至详细设计、施工、调试、运维、退役的全生命周期各阶段,开发出符合核工业本身的需求(Requirement)、功能(Function)和逻辑(Logical)等系统模型,助力设计端的前期连续仿真与验证,并继承至下游用于物理设计(Physical)、施工仿真、虚拟调试、预防性检修等,保障系统全生命周期的可追溯性,同时进化式地迭代复用。

2 What:什么是基于模型的系统工程(MBSE)

  • 什么是系统?
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根据钱学森大师的定义:“我们把这种极其复杂的研究对象称为‘系统’(System)即相互作用和相互依赖的若干组成部分合成的、具有特定功能的有机整体,而且此系统本身又是它从属的一个更大系统的组成部分。”

比如:一台核电站

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需要:“容器、泵阀、核燃料、管路、暖通、电气、仪控、化学、强电、弱电、布置、土建、结构、核安全、辐射、质量、环境、人员安全、消防”等专业;

把:“400公里长的管道、1600公里长的布线、17万吨的钢筋、7万吨的金属结构、46万立方米的水泥、几十万台各类设备”;

紧凑地塞进:“核岛、常规岛、配套设施”等几个厂房中。

由此观之,核电站 = 系统

  • 什么是系统工程?
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继续根据钱学森大师的定义:“一种组织管理‘系统’的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法,而且对所有‘系统’都具有普遍意义的方法,叫做‘系统工程’(System Engineering)”

比如:管理一台核电站的全生命周期

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  • 什么是基于模型的系统工程(MBSE: Model-Based Systems Engineering)?

根据系统工程国际委员会(INCOSE)的定义:“从概念设计阶段开始并持续贯穿与开发和后续生命周期阶段支持系统需求、设计、分析、验证和确认活动的正规化应用。”

简言之,就是用标准的模型语言代替自然语言、应用特定的方法论和工具,实现系统工程。

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3 Why:为什么要在核工业应用MBSE

MBSE的应用是正向研发创新的关键要素,我国核工业长期跟踪发达国家,重视物理实体和静态几何关系、欠缺顶层设计和动态功能关系,所以必须“知其然,也知其所以然”。系统思维重视顶层需求的完整性,早发现矛盾、早解决矛盾、保持协调一致,避免等到物理实体做完后才发现问题而导致的积重难返、额外的风险和成本等。MBSE的成果是数字功能样机,可以实现对需求的连续验证,这在核工业领域的发展史上是颠覆式的创新。

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MBSE的应用也是解决行业痛点的破局之道,核工业项目工期延误、成本超支和性能降低的普遍根源是复杂性。目前系统的设计还是基于文件,难以应对系统的复杂性和动态变化。MBSE使用正规化、标准的模型语言,可以表达不同视角、综合不同观点并表达完整需求,同时精准表述语义、统一理解语义并跨多专业协作,最终建立可追溯性、传递需求分析以及变更影响分析。在设计前期就对项目未来的可施工性、可操作性、经济平衡性以及核安全进行验证和优化,最大化地规避风险、降低成本并提升效率。

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4 How:如何实现基于模型的系统工程(MBSE)

MBSE是建模语言、方法和建模工具的组合,它为在特定组织的上下文中应用模型驱动开发提供了一个高效的工程基础设施。

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  • 三要素之语言:SysML

系统建模语言(SysML - Systems Modeling Language) 是一种用于系统规范、分析、设计、验证和确认的图形化建模语言,包含多个种类的框图。由OMG和INCOSE开发,最新SysML版本1.6,基于ISO/IEC 19514:2017。

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MagicGrid(魔格)是一套基于SysML语言的系统架构法,具有极强的数理依据,可适应不同体系和工具、能依据系统或环境变化灵活更新,而且简单易学上手快,进而极大节约资源成本,安全高效完成系统架构。

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  • 三要素之工具:达索系统CATIA MAGIC + 3DEXPERIENCE platform

CATIA MAGIC是全球基于模型的系统工程、软件架构和业务流程建模解决方案的领导者,集成至达索系统3DEXPERIENCE平台上,用于开发一流的基于模型的系统工程和系统体系工程的成套解决方案。

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达索系统基于在航空航天领域的大量实践经验和应用场景,总结出MBSE成套解决方案-“九宫格”:

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5 How To:MBSE如何在核工业全生命周期应用与实践

  1. 概念设计 - 需求定义(Requirement)与功能验证(Function)
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核工程的立项与预可行性研究将抛开静态文档,对“问题域”进行数据建模,相对应MagicGrid方法的领域如下:

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在3DEXPERIENCE platform上通过控制需求管理过程来满足标准和法规;提高产品质量和满意度;新产品的设计和开发能够准确反映用户的声音;通过缩小产品需求、设计和发布之间的偏差来降低开发成本和减少返工;提升可视化、团队沟通和协作;因为团队使用中央存储库和通用工具来管理产品需求,在需求的整个发展过程中提高整体的可追溯性。

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通过仿真功能需求在设计开始前检测需求是否正确,遗漏和冲突,基于正确的需求进行系统设计,设计完成后,通过仿真来验证系统是否满足需求。

应用CATIA STIMULUS来仿真需求,保障功能需求的质量标准,即

  • 正确性:需求捕获系统行为
  • 一致性:没有冲突的要求
  • 完整性:没有遗漏要求
  • 可测试性:可以编写测试场景
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实现概念设计主要交付物:

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  1. 初步设计 - 功能分析(Function)与逻辑验证(Logical)
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核工程的初步设计,继承“问题域”的模型,对“解决域”进行数据建模,相对应MagicGrid方法的领域如下:

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通过CATIA MAGIC解决方案架构结构定义了系统逻辑设计的精确模型,甚至是系统的多个变体。进行多方案权衡分析,以选择实现系统的最佳方案。构建解决方案体系结构包括指定设计中的系统的需求、行为、结构和参数。通过多轮迭代,从系统级向下到子系统级再到组件级架构。系统架构模型的精度取决于迭代次数。在MagicGrid方法论的指导下,可以很方便进行解决域设计、需求确认、系统仿真和权衡分析。基于任务场景的自动需求确认:允许设计团队在整个系统设计过程中执行连续的设计、分析和权衡研究;可以对需求和设计配置的变化做出快速响应;以及支持模块化重用。

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实现初步设计主要交付物:

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  1. 详细设计 – 继承MBSE模型,实现物理(Physical)基于模型的设计(MBD)
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核工程的详细设计,已脱离MBSE的范畴进入MBD(Model-Based Design),在“解决域”的模型多次迭代、且设计相对固化的情况下进行详细设计。主要交付物为数字功能样机,即数字孪生。这里开始也是大部分设计院目前的日常工作,然而由于缺乏RFLP系统性的顶层设计,很难实现数字化连续性,基本都是在日复一日的处理变更和修改文档。

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主设备详细设计:

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总布置详细设计:

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管路与电气详细设计:

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金属结构详细设计:

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基于单一数据源的多学科仿真:

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管道应力仿真:

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管道流体仿真:

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压力容器燃烧、爆破、泄露风险仿真分析:

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系统行为仿真与虚拟调试:

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  1. 施工仿真
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继承详细设计的多专业全息模型实现施工仿真与预防性检修,实现需求(Requirement)- 功能(Function)- 逻辑(Logical)- 物理(Physical)- 产品(Product)- 流程(Process)- 资源(Resource)全周期可追溯性、保障数字化连续性。

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施工现场吊装仿真:

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预防性检修(FFS- Fitness for Service):

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  1. 其他重点要素:

数字平台主数据模型:

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基于单一权威数据源实现业务协同,基础是应用统一的主数据模型,各版块根据自身的工作的逻辑各取所需,保障单一权威数据源 (Single Source of Truth)。

基于单一数据源的数据平台:

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6 Conclusion 总结

大型核工程项目的工期延迟、成本超支、性能降低,普遍根源是复杂性, 对核工业新系统的设计应该用“系统架构”思维,而不是传统的按专业“分而治之”的思维。要从系统要解决什么问题的源头出发(即为什么做 - Why),然后评估用哪些方案去满足需求(即做什么 - What),接着考虑如何架构去满足方案(即怎么做 - How),在逐层迭代优化且设计相对固化的情况下去详细实施(即如何实现 - How to)。每一步都不受下一步的约束,同时注重前期仿真验证,进入详细设计前“一次把事情做好”,最终任何一个设计因素和变更都可以在全生命周期中保证对需求的可追溯性。

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在系统思维的框架下应用标准化的建模语言,可以让系统工程师集中精力关注技术细节而非文档的结构或措辞,框图形式的描述比自然语言的描述更加精确,同时保障跨专业、跨交付物间的一致性,以及明确依赖关系(Dependencies)避免重复和错误,最后提升整体设计与评审的效率。文档仅作为数据模型的输出物用于阶段性存档,而不作为信息流动和沟通的载体。

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达索系统的MBSE成套解决方案已经在不同领域有过实践经验,如飞机的起落架系统架构、无人车和火星探测车的设计、以及机床的数字孪生等,通过对这些经验的总结归纳可复用至核工业系统的MBSE实施,实现从“一张白纸”到数字功能样机的正向设计流程。

本文来源: 核电那些事,作者:吕柯夫。

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