如何“有条不紊”地设计一台“盘根错节”的核电站

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作者：吕柯夫 |核工程咨询顾问

为啥把核电站形容成“盘根错节”

作为地表最复杂的工业产品代表，设计一台核电站简要地说：

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”等专业人员；

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”；

紧凑地塞入“核岛、常规岛、配套设施”等几个厂房中。

依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。”

由此观之，核电站亦为一个盘根错节的复杂“系统”

如何“有条不紊”地干这项千头万绪的活？

继续依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）。”

若想把系统工程的理念实际应用到核电设计工作中，需完成以下五项核心工作：

1. 核电站用SSC表述

2. 设计流程应用RADIV模型

3. 设计工作以REQM开头

4. 设计工作以V&V收尾

5. 设计组织基于SSC节点

各位，你们是否有很多的问号？下面则由我娓娓道来这些核电系统工程的“江湖暗语”，请耐心看完。

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啥是SSC？

SSC即Structures, Systems and Components，是核电站的构筑物、系统和组件的总称。主要用于描述核电站的设计、采购、施工和调试等阶段中所涉及的物理实体，以及担任核电站所有项的数据集成。SSC可通过不同的导向和数据组合来投射到不同的分解结构中，指向对象相同只是方式不同，主要有：

PBS（Plant Breakdown Structure – 电厂分解结构），是基于核电站功能划分所建立的SSC分解结构，实现以功能为导向，通过机组、岛别、系统、设备功能位置码逐层确定物理实体。

GBS（Geometry Breakdown Structure – 地理分解结构），是基于核电站的区域划分所建立的SSC分解结构，实现以区域为导向，通过岛别、厂房、标高、房间编码逐层确定物理实体。

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啥是RADIV？

RADIV即以下五个步骤的首字母缩写：

• Requirement - 需求

• Architecture design - 架构设计

• Design implementation - 设计执行

• Integration - 设计集成

• Verification & Validation - 验证和确认

此理念来自ISO15288（系统生命周期流程）标准中的V模型，借鉴了软件工程中以质量验证为驱动、逻辑关系清晰的优点：

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啥是REQM？

REQM即Requirements Management - 需求管理，是记录、分析、跟踪、确定需求优先级并达成一致、同时管控变更并与相关涉众沟通、一个贯穿项目全生命周期的连续性过程。简言之，需求就是项目或产品的最终输出所需要满足的能力。

需求管理的关键工作如下：

• 理解需求

• 获取需求承诺

• 管理需求变更

• 保障需求的双向可追溯性

• 确保工作与需求间的一致性

核电正向设计流程以REQM开头，将核电站视作产品甚至商品，围绕产品和功能来数字化上游需求（包括从宏观的技术、核安全、经济性；到微观的设备属性等），这些需求经过解析后贯彻落实到SSC各节点中，同时起草IV&V方案，用于保障需求在后期设计、采购、建安、调试闭环过程中的完整性和可追溯性。

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啥是V&V？

V&V即Verification and Validation - 验证和确认，为两个独立的过程，但一起执行用于审核项目或产品是否满足既定的需求和规范。V&V有时加上前缀“Independent - 独立”，表明是由一个没有利害关系的第三方进行的“IV&V” 即“独立验证和确认”。

核电正向设计流程以V&V收尾，可看做是需求的闭环管理，覆盖SSC的各层节点。例如在SSC的同一个子系统下的各设备节点间做计算仿真和PLM的一致性审查；或在各子系统和构筑物之间做2D/3D校审；或做机组整体的核安全验证、运行仿真等。以仿真的方式验证设计需求，从而实现“仿真驱动的设计（Simulation Driven Design）”用以提前预测运行与事故环境。

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为啥要基于SSC节点？

核电站应用SSC表述的价值在于：把电厂当做产品来分解、逻辑清晰地按层级映射特定信息，并且精准识别各子系统的功能范围（scope）和接口（interface），同时也是工程项目从“基于文档”转向“基于数据”的关键基石。

核电站设计流程应用RADIV模型的价值在与SSC各层节点的迭代应用，用于保障上游需求通过设计流程到交付贯彻的完整性和可追溯性。设计流程的推进由R-A-V 3个关键评审（Gate Review）负责监督，用于检查各阶段的数据或文档是否确认并交付。

设计成果依照核电配置管理的逻辑将SSC在不同的技术状态平衡点做整体升版，保障需求与交付的一致性，实现“知行合一”。

同时在项目管理中基于SSC结构与RADIV流程，结合设计工作包（EWP - Engineering Work Package ）用于管控项目成本、进度、质量、安全、风险和变更等管理项。将传统的的“基于各专业部门”的设计流程转向“围绕产品为中心”，并通过“单一数据源的协同平台”实现“PLM - 电厂全生命周期管理”。

博学慎思

上文指出核电正向设计流程的五项核心，每一项都要做到思维逻辑的重塑、组织架构的调整、工作习惯的颠覆、与传统经验的转换衔接等巨大而痛苦的工作，但其成果也仅仅是迈过“系统工程”的门槛。

顶尖制造业在践行“系统工程”多年的基础下再进一步，逐渐放弃沟通效率低、精确度不足、存在歧义的“自然语言”，转而使用“建模语言”（SysML）来实现“MBSE”即Model Based System Engineering - 基于模型的系统工程。

波音公司作为行业先锋，在MBSE的基础上更进一步，去实现“Cyber-Physical Twins”即信息物理孪生体的“钻石模型”。此模型在系统工程V模型的上面倒扣了一个数字化孪生V模型，分别在实体、数字模型的设计和测试端、通过数字纽带（Digital Thread）交叉验证，实现一般MBSE无法满足的实时信息交互（Real-time interchange）。

明辨笃行

对内作为零排放的基荷能源、对外作为“一带一路”出口的名片，“华龙一号”、以及每个正在设计中的新型反应堆都是中国核工业的精品杰作，其精益度和复杂度早已脱离土木工程的低维度，对标的则应是世界级的顶尖制造业，如：波音，NASA（美国太空总署）和JPL（喷气推进实验室）。

甚至核电在多专业复杂性和数据量级还要大于航空百倍的情况下，“重塑基于数据的核电正向设计流程” 至少要做到：从古典的“各专业写文档发邮件”，迈向未来的“钻石模型”；对待数字孪生的态度要从“被动建个3D模型查碰撞”，迈向“主动在数字孪生上提前把运行跑一遍”。

道阻且长，行则将至

行而不辍，未来可期

即可实现“有条不紊”地设计一台“盘根错节”的核电站。

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吕柯夫

达索系统核工程咨询顾问

毕业于UTT法国特鲁瓦科技大学并获得硕士工程师学位，十年核电项目经验。加入达索系统之前，曾供职于EDF法国电力集团，参与并管理核电站停堆大修项目、Post-Fukushima后福岛事故全法核电站应急机组改造设计、HPC-EPR英国欣克利角C欧洲第三代压水式核反应堆三维数字化设计与配置管理。

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