系统工程方法应用于核电设计探析
作者：陈宇、霍建明、袁霞、吴宇翔
“当前，我国核电市场正在向民用核能市场和非传统领域的非电应用市场扩展，以供热、海水淡化等目标的新型反应堆设计不同于传统核电厂，设计约束条件相对较多，市场敏感度相对较高；此外，随着核电设计中安全措施的不断增加以及工业原材料成本和劳动力成本的不断提高，核电的建造和运行成本也在大幅度提高，难以在安全性和经济性上能够与市场上主要清洁能源竞争。我国核电长期以来技术引进，消化吸收再创新”的发展路线以及传统设计模式已经无法满足新堆型发展的要求。将规范化的系统工程方法引入核电设计，建立从市场需求到核电产品的正向设计路径，对于核电设计单位设计能力培养具有巨大战略意义。”国内对于“系统工程”的理解比较宽泛。但是对标国外 Systems Engineering 的主要是“航天系统工程”，1978 年，钱学森发表《组织管理的技术——系统工程》论文，对系统工程的概念、内容做了明确的阐述。自此中国航天系统工程逐步发展，理论方法逐渐丰富，极大地推动了中国航天的高速发展。系统工程方法既包括技术过程也包含管理过程。技术活动从需求出发，按照分析 - 权衡、分解 - 综合思想逐步完成功能分析、逻辑分析、系统集成与验证，最终得到满足用户需求的系统产品。具体来说包括明确利益相关方需求、定义技术要求、功能逻辑分解、系统方案设计、系统集成与验证。系统工程管理过程指对系统工程技术过程的计划、控制和评估过程，主要包括技术计划管理、技术要求管理、系统接口管理、技术风险管理、技术状态管理、技术数据管理 。（一）设计策划
具体来说，项目策划目标为确定项目管理组织流程，明确各岗位职责；确定设计任务分工和进度，明确各项设计任务的负责人；明确各个设计节点；明确接口和互提资料的交换方式及交换内容；明确设计深度和文件的出版格式；明确设计管理要求，包括沟通方式和报告及会议制度；同时各设计负责人还应进行专项管理策划工作。
（二）设计接口
设计接口包括内部接口和外部接口，内部接口为设计总包院内部各专业之间接口，外部接口包括总包院与分包院、设计与采购接口、设计与土建安装、调试接口等等。以往的核电工程项目中，接口管理工作内容和方法包括：接口控制手册、接口管理平台、技术协调会。
（三）设计进度
核电设计管理对于设计进度进行严格管控，进度计划编制方式有正排、倒排和混排。正排根据各设计活动的正常设计周期；倒排基于核电站商运时间，根据土建、安装、调试周期倒排工程开工节点及施工进度安排；混排则综合两种方式，设计周期、工程进度要求都能得到保证，但是编制过程复杂，需要与采购、施工、调试进度协调量大。核电项目设计进度计划一般分为四级 ，如图 1。
（四）设计分析
核电设计分析项目包括事故分析和安全评价、运行特性分析、核设计分析、热工水力分析、源项与屏蔽设计分析、系统设计分析、系统和设备的力学分析、厂房的结构设计分析。
（五）设计变更
在核电项目中，出现设计与实际环境偏差、采购设备制裁、施工细节失误、或者某些无法控制的因素所导致的问题是很常见的，需要设计单位对已发布的设计文件进行修改、完善、优化。设计变更往往会带来数量庞杂的纸质文件的变更，影响范围包括业主、分包商、制造商、设计院等各方面文件，所以，对于设计变更的流程管理和文件管理也是核电设计管理的特点之一。
在核电型号设计中，采用“总师制”。总设计师对内是工程设计的组织者，负责编写设计输入条件，制定设计三级进度计划，协调处理各专业接口关系，同时对设计输出文件的完整性、统一性负责，对设计综合质量负责；对外作为设计部门的代表，负责协调与施工、采购、控制、商务等部门的关系，负责处理与业主之间的相关问题。岗位包括型号总设计师、型号系统总设计师、型号分系统总设计师，组织机构如图 2。 核电项目的设计阶段主要分为总体设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段。通过了项目审批过程的初步可行性研究和可行性研究之后，基于可研报告开始设计细化过程，首先是在可行性研究的基础上确定总体技术路线，确定电厂的总体设计方案；然后进入正式的工程设计，初步设计阶段对构筑物、系统和设备设计做进一步深化，完成主要工艺系统设计和厂房布置；第三阶段完成具体施工图设计。设计阶段管理体现了一定的系统工程思想，但是对于三个阶段的具体节点和分隔还不是太明确，每个阶段对应完成的系统工程内容也不太清晰，有待改进。 核电厂运行工况管理是安全分析的重要部分，在设计中对全生命周期核电厂可能的各种状态按照发生频率和潜在的放射性后果对公众的影响，将运行工况进行分类，然后针对不同的工况，确定需要采用的安全系统，以及安全系统需要由哪些安全设施协调完成安全功能，这也是核电设计中系统思想的体现。 设计院现有组织架构为职能式，但是核电设计项目实施过程中实行项目制，在多项目集中同时进行的情况下，项目制与职能式有一定的冲突。比如，项目制任务按照项目中的专业进行分配，容易出现某些可替代性强的工作人员配置闲置，而其他工作人员紧缺影响任务进度。还有，职能架构中科室负责人权力高于项目经理，项目经理在进行人员配置、工作协调时往往遇到较大阻力。再有，整体按照职能架构运行，若项目成员职能发生变化，可能导致项目上不稳定。如果参照航天院所，参照系统工程项目管理方法对现有组织体系加以调整，可能会有解决这些问题的方案。 现有的新堆型研发设计过程中，首先明确总体技术指标与特征、主要系统的方案与关键技术，然后基于各关键技术分别展开科研攻关，有一定的总体 - 系统 - 分系统思想的体现。但是关键技术的来源以及关键技术的选择缺乏顶层思考，缺乏系统级的设计规划，这样设计出的产品无法解决系统交互矛盾，设计冗余较大的问题。这一点正是系统工程方法的优势所在，如果采用系统工程方法规范新堆型研发的活动，建立一套从需求出发自顶而下的正向设计流程，具有重要的意义。 在设计管理中，设计院需要不间断地对设计数据进行完整的跟踪，记录跟踪数据变更、修改的内容。但是在实际操作中，工程文件接口通过文档附件实现，一方面，接口升版可能会与图纸文件升版不同步；另一方面，分系统方案文件升版变更较频繁，导致总体性文件升版无法同步，致使下游相关专业设计必须对有关资料在升版方面的情况进行不断地追踪，进行及时的评估与分析。这一工作在实际设计中，容易出现更新滞后，执行效果并不理想。如果引进系统工程管理平台与软件，规范接口管理，增强协同设计，实时同步修改并记录设计变更过程，将会提升接口管理工作的效率。 传统设计模式主要采用设计审查的方式，进行会议讨论对改进部分进行审查、确认或证实；对于新设计，若能够使用计算机程序进行性能计算，则采用“变换方法进行计算”的方法进行设计验证，对于系统设计采用类比设计进行比较的设计验证方法。如果能加强系统层的投入，开发早期功能样机进行系统验证，将会大幅减少施工阶段可能遇到的问题。 其一，核电设计缺乏标准化的正向设计流程，项目工程设计中流程相对规范，但是也存在节点不明确，设计阶段任务模糊的问题；新堆型研发组织模式尚未规范化，如果引入系统工程方法将一方面能规范设计流程，另一方面对新堆型研发提供一种新的思维方法。其二，如果按照系统工程的组织方式，参考航天院所对现有组织体系稍作调整，有助于解决现有职能式组织架构在执行项目制实施中遇到的配置协调等问题。其三，采用系统工程的方法进行新堆型研发，特别是系统工程方法最新的研究方向——基于模型的系统工程方法（MBSE）能够加强数字化设计的建设，也能够利用系统模型加强设计需求梳理、功能分析、系统交互、早期验证等环节。 MBSE 是系统工程方法最新的应用方式，传统的系统工程方法向 MBSE 转变是工业界的共识 。将 MBSE应用于核电设计，将会带来以下优点： （1）加快新堆型研发。形成从需求分析、功能分解到架构设计、验证确认的闭环。模型的使用有助于快速迭代形成方案，减少风险，同时缩短研发周期，降低成本。 （2）加快数字化和智能化转型。采用标准化的建模设计语言进行设计，能够打破专业间的壁垒，增强接口信息的传递和转化，通过系统自动生成文档也能提升设计质量。同时设计模型库的建立能够固化设计师的知识和经验，实现设计经验的传递和知识的最大化重用。 （3）搭建功能样机利于早期验证。MBSE 通过模型构建功能样机，能够提供系统方案阶段的验证能力，其复杂系统的追溯和影响分析能力也可用于早期验证与修改过程。 （4）培养综合性人才。现有的组织体系对人才的培养偏于专业细分领域，引入MBSE将培养人才队伍系统工程思维和系统建模能力，对核电业务流程的整体性把握能力更强。将 MBSE 方法引入核电设计，也将对公司核电设计产生重要影响。 
