数字化反应堆关键数据梳理及数据框架研究

0 概述

数字化反应堆是目前国际核工业界的一个研究热点，是数字化技术发展及核反应堆需求发展到现阶段的必然趋势和产物。[1] 数字化反应堆技术是基于高性能软硬件系统，具有高精度计算、高智能化研发设计、高仿真可视化输出以及大数据管理等特点的 先进软件技术，是构建智能化综合研发平台的关键技术。[2]伴随数字化反应堆开展的各 项设计与仿真业务活动会产生大量的工作成果，这些工作成果蕴含了极大价值，需要对 这些数据进行认真梳理并实现合理的组织，同时建立符合不同类型用户需要的数据框架，为核反应堆中数据的科学利用、数字化移交奠定基础。

1 数字化反应堆关键数据梳理

数字化反应堆的各项研发数据中会产生大量的工作成果， 其成果主要以数据的形式进行呈现，从数据类型上来看，主要包含了三维结构模型、计算数据(计算软件的输入、输出文件与性能参数)和相关图文档等三类数据。数据类型丰富，有结构化的数据，也有大量的文本、图像、声音等非结构化的数据。[3]其具体描述如下，三维结构模型数据：包含核反应堆系统或者设备的几何体构成、几何尺寸、材料信息、工艺信息以及其他属性。 计算类数据：包含核反应堆系统或者设备在物理、燃料、流体、 力学等分析时使用的计算输入和输出参数，以及对应的文本数据。图文档数据：在核反应堆系统或者设备设计、建造、退役过程中，形成的设计报告、设计图纸、技术规范、图纸清单等。为了便于对上述数据进行统一管理，通过研究分析，关键数据采用产品结构树的方式进行组织。图 1 是华龙一号关键数据的产品结构树示例，第一层节点包括了核反应堆系统，第二层节点包括了相应系统下的设备组成，上述的关键数据可以按照其物理属性绑定在特定节点上，实现对关键数据的统一的管理。

1.1 产品结构树

产品结构树(PST)是描述某一产品的物料组成及各部分文 件组成的层次结构树状图。它是将产品数据管理中的产品信 息，结合各个零部件之间的层级关系组成一种有效的属性管理结构。产品结构树根据该产品的层次关系，将产品各种零部件按照一定的层次关系组织起来，可以清晰地描述产品各个部 件、零件之间的关系，树上的节点代表部件、零件或者组件，每 个节点都会与该部件的材质、规格、型号等属性信息以及相关 技术文档进行关联。

产品结构树的层次划分必须反映产品的功能划分与组成，同时要根据产品复杂程度决定划分层次的细化程度。核反应堆系统的产品结构树如图 2 所示。

1.2 产品结构树属性映射

完成核反应堆系统的产品结构树后，还需要以结构化的方式实现每个结构树节点下对应的关键数据进行管理，以支持对关键数据进行搜索统计等功能。要实现上述效果，需要进行属性映射配置。进行设置属性映射时，需要将产品结构树上相应

节点零部件模型的参数与系统中相应数据属性(包括了三维结构模型、计算数据及图文档数据)进行一对一的映射设置，完成数据的组织管理。初始配置的产品结构树中主要包括了系统节 点与设备节点。为此，下面将以两个层次，分别对系统数据、设备数据进行详细梳理与描述。

1.3 系统数据

以“压力安全系统”为例说明系统类的关键数据。该系统第 一层次的数据包括：功能描述、寿期大事记和经验总结。“功能描述”是一段文字，简要描述该系统应实现的功能，如：在反应 堆及一回路系统启动、稳态功率运行、正常功率变化、停堆和事故工况下，本系统具有压力调节和压力保护的功能;同时还具 有除去反应堆冷却剂中的放射性气体的功能。“寿期大事记”按 照时间顺序反映全寿期内发生的重大事件。“经验总结”包括一 系列的文件，用于记录全寿期内的各种经验和教训。

第二层次的数据按照系统的改造情况进行组织。系统如果 对工艺流程进行过大的改变(如增加设备)或更换过非标设备则认为是进行过改造。第一次交付使用的系统称为“初始交付系统”，以后的称为“改造系统 1”、“改造系统 2”(按时间排序)。各版次系统的数据基本相同。“初始交付系统”的主要数据包括a.研制前期文件：包括研制任务下达前的项目建议书、可行性论 证报告等一系列的前期文件。研制任务书：正式下达的研制要求、任务书或合同等文件。b.主要技术参数反映系统主要技术特 性的一系列参数，如：设计压力、设计温度等等。c.设计数据。设 计三维模型：该系统的三维结构模型(可包含版次)。设计说明书：该系统的设计说明书(可包含版次)。设计计算文件：该系统 的计算文件(可包含版次)。系统流程图：该系统的工艺流程图

(可包含版次)。等等其它文件。d.安装数据。系统布置图：该系统的布置图(二维)(可包含版次)。现场安装文件：各种安装技术要求文件(可包含各版次)。现场安装图：由安装单位出的各种安装工艺图(可包含版次)。现场变更记录：现场各种变更和不符合项处理记录。e.调试数据。调试手册：各种指导调试的技术说明文件。调试变更记录：在调试过程中对调试手册进行的修改。调试记录：调试活动和结果的记录文件。调试事件：调试过程中发生的各种问题及其处理记录。如：发现某设备损坏，进行了更换。竣工图：调试完成系统交付后出的系统流程图和布置图，反映交付状态。竣工三维模型：与竣工图对应的三维模型。f.运行维修维护数据。操作规程：系统操作规程文件。运行事件：运行过程中发生的重大事项。如：某阀门损坏。运行事件需关联运行原始记录。运行原始记录：运行记录不经整理，直接电子化后生成的文档。维修维护事件：发生的维修维护活动。需关联维修维护原始记录。维修维护原始记录：维修维护记录不经整理，直接电子化后生成的文档。在役检查事件：所有开展在役检查活动。需关联在役检查原始记录。在役检查原始记录：在役检查记录不经整理，直接电子化后生成的文档。g.退役数据。退役数据只有最后一次改造后的系统才有。退役方案：顶层的退役活动设计文件。退役操作技术文件：指导具体退役操作的技术文件。退役记录：退役活动中的各种记录。退役检查记录： 退役后进行解剖和检查产生的各种记录。废物处理文档：放射性废物的处理记录、去向。

1.4 设备数据

1.4.1 通用标准设备数据

设备数据中第一层次数据是通用标准设备的型号，每种型号包换的数据为：主要技术参数、采购技术规格书、图纸等。

1.4.2 非标准设备数据

以核反应堆冷却剂泵为例，说明非标设备数据。第一层次的数据和系统数据相同，包括：功能描述、寿期大事记和经验总结。由于核反应堆中存在多台反应堆冷却剂泵，第二层次数据按照具体设备组织，如：1 号反应堆冷却剂泵、2 号反应堆冷却剂泵。第三层次的数据按照各设备的更换情况进行组织。第一 次交付使用的设备称为“初始交付系统”，以后的称为“第一次更换设备”、“第二次更换设备”(按时间排序)。各版次设备的数据结构基本相同。

2 数字化反应堆数据框架设计

通过对上述关键数据的梳理及组织，形成了数字化反应堆数据框架。下文将对数据框架的功能进行详细描述。

2.1 数据框架功能描述

数字化反应堆数据框架的功能包括以下五大功能模块，登录管理，数据查询，数据模型管理，数据采集，审计管理。登录管 理包括：系统登录、系统退出。数据查询包括：型号查询、阶段查 询、分类查询、跨库查询、三维模型查询、二维图纸查询、全文检索、我的查询。

数据模型管理包括：堆型管理、对象管理、元模型管理、全 寿期阶段管理、数据分类管理。

数据采集管理包括：数据录入、数据同步、数据导入。系统管理包括：用户管理、角色管理。

审计管理包括：审计信息查询、审计信息显示、审计信息记录。

2.2 数据框架用户分类与特征

作为系统的数据来源，表结构的设计要提高表现力，使其做到自我描述。并且满足系统的扩展性需求，对数据进行合理的建模，为后期的维护做良好的基础。把现实世界中的元素抽象化，使其成为能够存储在数据库中的记录。[4]数据框架根据用户的使用特征分成使用用户和管理员两大类。使用用户使用本系统检索数据，并根据其自身的权限浏览信息。管理员是指为了保证数据库系统正常运转而设置的各种岗位或角色，根据系统的要求，可以把系统的角色分为数据管理员、系统管理员、安全管理员和审计管理员。(1)数据管理员：数据管理员负责向系统内录入和更新数据。数据管理员需要大量录入各种信息，因此必须给该类用户提供简单快捷的操作界面。(2)系统管理员：系统管理员负责系统运行参数配置和数据模型管理，配置系统运行参数和管理数据模型需要使用的单独的操作界面。(3)安全管理员：安全管理员负责管理系统中用户、角色和权限。安全管理员需要使用单独的操作界面。(4)审计管理员：审计管理员负责审计系统事件、监控其它各种用户的行为。审计管理员使用单独的操作界面。审计管理员不得担任系统内其它角色。

2.3 数据框架外部接口

(1)用户界面：系统采用简体中文显示或输入信息。用户图形界面要求风格统一、简洁明了。对显示界面使用的文字、字体可以使用统一的风格管理，要采用 B/S 结构，客户端采用浏览器，显示分辨率为 1280*1024。错误信息采用中文方式显示。

(2)硬件接口：系统无硬件接口。

(3)软件接口：系统与数字化反应堆综合反应平台存在数 据交互的接口。

2.4 数据框架逻辑架构

数据框架能够管理数字化反应堆各种堆型在全周期过程中形成的成果数据，平台框架分成三个基本层次：持久层、业务层、表示层，其逻辑架构如下图 3 所示。

(1)持久层 持久层负责数据持久化。采用关系数据管理系统(DBMS)加文件库方式实现数据持久化。对于结构化数据采用 DBMS 存储，对于文档等半结构化数据其元数据采用 DBMS 存储，文档实体采用文件库进行存储。持久服务层的作用是：封装持久层的功能，使应用层、业务层与持久层的具体实现解耦。持久服务层由 O/R 映射框架、文件存取服务组成，均与业务无关。O/R 映射框架通过将 oracle 中的数据封装为对象，屏蔽了数据库访问的底层实现，实现了数据存储逻辑、资源管理和调度与上层应用的分离。所有对数据库的操作均通过 O/R 映射框架进行。文件存取服务完成两方面的功能：按照上层调用的要求， 接收文档并将其存储到指定物理位置;按照上层调用的要求， 从文件目录中取得文档，并以流的方式返回。文件存取服务屏蔽了文档访问的底层实现。

(2)业务层 业务层实现各种具有通用性的功能，供上层各种应用调用。该层由十二个部分组成：“审计日志服务”、“内容验证服务”、“数据模型服务”、“数据编码服务”、“三维模型处理服务”、“权限控制服务”、“身份鉴别服务”、“PDF 处理服务”、“文件管理服务”、“水印处理服务”和“全文检索引擎”。“审计日志服务”实现审计日志的记录和检索功能。该模块屏蔽审计日志记录的具体实现细节。“内容验证服务”实现电子数据防篡改功能，该模块屏蔽了复杂实现细节。“数据模型服务”负责管理产品结构、数据类型和数据模型，并提交上层使用。对产品结构、数据类型、数据模型的操作均依赖该层实现。“数据编码服务”是编码生成工具，能够根据设置的业务规则，根据用户输入生成数据编码。该模块屏蔽数据编码生成和管理的具体细节。

“三维模型处理服务”完成以下几方面的功能：对三维模型文件按照给定规则重命名;设置三维模型属性;完成三维模型轻量 化处理。“权限服务”用于验证用户是否具有某种操作权限或是 否拥有对应的密级。该模块屏蔽权限管理的具体实现细节。“身 份鉴别服务”用于鉴别用户身份，该模块屏蔽身份鉴别的具体 实现细节。“PDF 处理服务”完成四方面的功能：对 PDF 文件按照给定规则重命名;设置 PDF 文档的各种属性;向 PDF 文件中写入给定内容;对图像性质的 PDF 文件进行 OCR 扫描，并将扫描结果作为不可见层(仅为全文检索引擎使用)。“文件管理服务”完成三方面功能：根据预先设定的规则确定调用相关模块对要存储的文件进行预处理;接收上层模块提交的文件全息浏览请求，调用“文件存取服务”，获得文件并返回对应的文件流。

“水印处理服务”专用于文本电子数据安全。在合法用户打印数 据时，通过文本数字水印技术将审计信息(如操作人、操作事 件)加载到打印输出的纸质文件，以便进行追踪。“全文检索引擎”建立系统内所用文档的全文索引，接收用户输入的检索条 件，完成分词，进行检索并按照匹配规则返回结果。

(3)表示层 表示层直接对应系统功能。该层包括：“登录管理”、“数据查询”、“模型管理”、“数据采集”、“系统管理”、“二维检索”、“全文检索”、“属性检索”、“三维检索”、“跨库检 索”、“审计管理”各模块包括了用户界面和与用户行为相关的 逻辑处理部分。

2.5 数据框架技术架构

数据框架采用三层体系结构，如下图 4 所示。

表示层中面向最终用户的展现采用基于 ExtJS3.2 框架的富客户端技术，目的是为用户提供更好的体验，客户端发出Http 请求后，Struts2 的 FilterDispatcher 对请求进行分发，在分发到具体的业务服务对象前，由一系列的验证、审计等安全过滤 器对请求进行预处理。该层实现了逻辑架构中的应用层。业务 层的业务服务由 Struts2 Action 调用相关业务组件完成，业务服务组件不直接存取数据数据库，业务服务组件的操作对象是与Oracle 数据库进行O/R 映射后的数据实体。该层实现了逻辑架构中的业务层。数据源层的核心是 HibernateUtil，该组件通过调用 Hibernate 框架所提供的功能与数据库进行交互，实现数据的最终持久化。该层实现了逻辑架构中的持久层。

3 结论

本文对伴随数字化反应堆各项设计和仿真业务等产生的 大量成果数据进行了梳理，采用产品结构树的方式对关键数据进行有效管理，搭建了数字化反应堆数据框架，对框架中各项 功能、用户分类与特征以及外部接口进行了详细描述，形成了 数据框架逻辑架构和技术架构，为后续数字化反应堆数据应用管理奠定技术基础。