0 概述

數(shù)字化反應堆是目前國際核工業(yè)界的一個研究熱點，是數(shù)字化技術發(fā)展及核反應堆需求發(fā)展到現(xiàn)階段的必然趨勢和產(chǎn)物。[1] 數(shù)字化反應堆技術是基于高性能軟硬件系統(tǒng)，具有高精度計算、高智能化研發(fā)設計、高仿真可視化輸出以及大數(shù)據(jù)管理等特點的 先進軟件技術，是構建智能化綜合研發(fā)平臺的關鍵技術。[2]伴隨數(shù)字化反應堆開展的各 項設計與仿真業(yè)務活動會產(chǎn)生大量的工作成果，這些工作成果蘊含了極大價值，需要對 這些數(shù)據(jù)進行認真梳理并實現(xiàn)合理的組織，同時建立符合不同類型用戶需要的數(shù)據(jù)框架，為核反應堆中數(shù)據(jù)的科學利用、數(shù)字化移交奠定基礎。

1 數(shù)字化反應堆關鍵數(shù)據(jù)梳理

數(shù)字化反應堆的各項研發(fā)數(shù)據(jù)中會產(chǎn)生大量的工作成果， 其成果主要以數(shù)據(jù)的形式進行呈現(xiàn)，從數(shù)據(jù)類型上來看，主要包含了三維結構模型、計算數(shù)據(jù)(計算軟件的輸入、輸出文件與性能參數(shù))和相關圖文檔等三類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型豐富，有結構化的數(shù)據(jù)，也有大量的文本、圖像、聲音等非結構化的數(shù)據(jù)。[3]其具體描述如下，三維結構模型數(shù)據(jù)：包含核反應堆系統(tǒng)或者設備的幾何體構成、幾何尺寸、材料信息、工藝信息以及其他屬性。 計算類數(shù)據(jù)：包含核反應堆系統(tǒng)或者設備在物理、燃料、流體、 力學等分析時使用的計算輸入和輸出參數(shù)，以及對應的文本數(shù)據(jù)。圖文檔數(shù)據(jù)：在核反應堆系統(tǒng)或者設備設計、建造、退役過程中，形成的設計報告、設計圖紙、技術規(guī)范、圖紙清單等。為了便于對上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，通過研究分析，關鍵數(shù)據(jù)采用產(chǎn)品結構樹的方式進行組織。圖 1 是華龍一號關鍵數(shù)據(jù)的產(chǎn)品結構樹示例，第一層節(jié)點包括了核反應堆系統(tǒng)，第二層節(jié)點包括了相應系統(tǒng)下的設備組成，上述的關鍵數(shù)據(jù)可以按照其物理屬性綁定在特定節(jié)點上，實現(xiàn)對關鍵數(shù)據(jù)的統(tǒng)一的管理。

1.1 產(chǎn)品結構樹

產(chǎn)品結構樹(PST)是描述某一產(chǎn)品的物料組成及各部分文 件組成的層次結構樹狀圖。它是將產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理中的產(chǎn)品信 息，結合各個零部件之間的層級關系組成一種有效的屬性管理結構。產(chǎn)品結構樹根據(jù)該產(chǎn)品的層次關系，將產(chǎn)品各種零部件按照一定的層次關系組織起來，可以清晰地描述產(chǎn)品各個部 件、零件之間的關系，樹上的節(jié)點代表部件、零件或者組件，每 個節(jié)點都會與該部件的材質、規(guī)格、型號等屬性信息以及相關 技術文檔進行關聯(lián)。

產(chǎn)品結構樹的層次劃分必須反映產(chǎn)品的功能劃分與組成，同時要根據(jù)產(chǎn)品復雜程度決定劃分層次的細化程度。核反應堆系統(tǒng)的產(chǎn)品結構樹如圖 2 所示。

1.2 產(chǎn)品結構樹屬性映射

完成核反應堆系統(tǒng)的產(chǎn)品結構樹后，還需要以結構化的方式實現(xiàn)每個結構樹節(jié)點下對應的關鍵數(shù)據(jù)進行管理，以支持對關鍵數(shù)據(jù)進行搜索統(tǒng)計等功能。要實現(xiàn)上述效果，需要進行屬性映射配置。進行設置屬性映射時，需要將產(chǎn)品結構樹上相應

節(jié)點零部件模型的參數(shù)與系統(tǒng)中相應數(shù)據(jù)屬性(包括了三維結構模型、計算數(shù)據(jù)及圖文檔數(shù)據(jù))進行一對一的映射設置，完成數(shù)據(jù)的組織管理。初始配置的產(chǎn)品結構樹中主要包括了系統(tǒng)節(jié) 點與設備節(jié)點。為此，下面將以兩個層次，分別對系統(tǒng)數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)進行詳細梳理與描述。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

以“壓力安全系統(tǒng)”為例說明系統(tǒng)類的關鍵數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)第 一層次的數(shù)據(jù)包括：功能描述、壽期大事記和經(jīng)驗總結。“功能描述”是一段文字，簡要描述該系統(tǒng)應實現(xiàn)的功能，如：在反應 堆及一回路系統(tǒng)啟動、穩(wěn)態(tài)功率運行、正常功率變化、停堆和事故工況下，本系統(tǒng)具有壓力調節(jié)和壓力保護的功能;同時還具 有除去反應堆冷卻劑中的放射性氣體的功能。“壽期大事記”按 照時間順序反映全壽期內(nèi)發(fā)生的重大事件。“經(jīng)驗總結”包括一 系列的文件，用于記錄全壽期內(nèi)的各種經(jīng)驗和教訓。

第二層次的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的改造情況進行組織。系統(tǒng)如果 對工藝流程進行過大的改變(如增加設備)或更換過非標設備則認為是進行過改造。第一次交付使用的系統(tǒng)稱為“初始交付系統(tǒng)”，以后的稱為“改造系統(tǒng) 1”、“改造系統(tǒng) 2”(按時間排序)。各版次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基本相同。“初始交付系統(tǒng)”的主要數(shù)據(jù)包括a.研制前期文件：包括研制任務下達前的項目建議書、可行性論 證報告等一系列的前期文件。研制任務書：正式下達的研制要求、任務書或合同等文件。b.主要技術參數(shù)反映系統(tǒng)主要技術特 性的一系列參數(shù)，如：設計壓力、設計溫度等等。c.設計數(shù)據(jù)。設 計三維模型：該系統(tǒng)的三維結構模型(可包含版次)。設計說明書：該系統(tǒng)的設計說明書(可包含版次)。設計計算文件：該系統(tǒng) 的計算文件(可包含版次)。系統(tǒng)流程圖：該系統(tǒng)的工藝流程圖

(可包含版次)。等等其它文件。d.安裝數(shù)據(jù)。系統(tǒng)布置圖：該系統(tǒng)的布置圖(二維)(可包含版次)。現(xiàn)場安裝文件：各種安裝技術要求文件(可包含各版次)。現(xiàn)場安裝圖：由安裝單位出的各種安裝工藝圖(可包含版次)。現(xiàn)場變更記錄：現(xiàn)場各種變更和不符合項處理記錄。e.調試數(shù)據(jù)。調試手冊：各種指導調試的技術說明文件。調試變更記錄：在調試過程中對調試手冊進行的修改。調試記錄：調試活動和結果的記錄文件。調試事件：調試過程中發(fā)生的各種問題及其處理記錄。如：發(fā)現(xiàn)某設備損壞，進行了更換。竣工圖：調試完成系統(tǒng)交付后出的系統(tǒng)流程圖和布置圖，反映交付狀態(tài)。竣工三維模型：與竣工圖對應的三維模型。f.運行維修維護數(shù)據(jù)。操作規(guī)程：系統(tǒng)操作規(guī)程文件。運行事件：運行過程中發(fā)生的重大事項。如：某閥門損壞。運行事件需關聯(lián)運行原始記錄。運行原始記錄：運行記錄不經(jīng)整理，直接電子化后生成的文檔。維修維護事件：發(fā)生的維修維護活動。需關聯(lián)維修維護原始記錄。維修維護原始記錄：維修維護記錄不經(jīng)整理，直接電子化后生成的文檔。在役檢查事件：所有開展在役檢查活動。需關聯(lián)在役檢查原始記錄。在役檢查原始記錄：在役檢查記錄不經(jīng)整理，直接電子化后生成的文檔。g.退役數(shù)據(jù)。退役數(shù)據(jù)只有最后一次改造后的系統(tǒng)才有。退役方案：頂層的退役活動設計文件。退役操作技術文件：指導具體退役操作的技術文件。退役記錄：退役活動中的各種記錄。退役檢查記錄： 退役后進行解剖和檢查產(chǎn)生的各種記錄。廢物處理文檔：放射性廢物的處理記錄、去向。

1.4 設備數(shù)據(jù)

1.4.1 通用標準設備數(shù)據(jù)

設備數(shù)據(jù)中第一層次數(shù)據(jù)是通用標準設備的型號，每種型號包換的數(shù)據(jù)為：主要技術參數(shù)、采購技術規(guī)格書、圖紙等。

1.4.2 非標準設備數(shù)據(jù)

以核反應堆冷卻劑泵為例，說明非標設備數(shù)據(jù)。第一層次的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)相同，包括：功能描述、壽期大事記和經(jīng)驗總結。由于核反應堆中存在多臺反應堆冷卻劑泵，第二層次數(shù)據(jù)按照具體設備組織，如：1 號反應堆冷卻劑泵、2 號反應堆冷卻劑泵。第三層次的數(shù)據(jù)按照各設備的更換情況進行組織。第一 次交付使用的設備稱為“初始交付系統(tǒng)”，以后的稱為“第一次更換設備”、“第二次更換設備”(按時間排序)。各版次設備的數(shù)據(jù)結構基本相同。

2 數(shù)字化反應堆數(shù)據(jù)框架設計

通過對上述關鍵數(shù)據(jù)的梳理及組織，形成了數(shù)字化反應堆數(shù)據(jù)框架。下文將對數(shù)據(jù)框架的功能進行詳細描述。

2.1 數(shù)據(jù)框架功能描述

數(shù)字化反應堆數(shù)據(jù)框架的功能包括以下五大功能模塊，登錄管理，數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)模型管理，數(shù)據(jù)采集，審計管理。登錄管 理包括：系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)退出。數(shù)據(jù)查詢包括：型號查詢、階段查 詢、分類查詢、跨庫查詢、三維模型查詢、二維圖紙查詢、全文檢索、我的查詢。

數(shù)據(jù)模型管理包括：堆型管理、對象管理、元模型管理、全 壽期階段管理、數(shù)據(jù)分類管理。

數(shù)據(jù)采集管理包括：數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)導入。系統(tǒng)管理包括：用戶管理、角色管理。

審計管理包括：審計信息查詢、審計信息顯示、審計信息記錄。

2.2 數(shù)據(jù)框架用戶分類與特征

作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，表結構的設計要提高表現(xiàn)力，使其做到自我描述。并且滿足系統(tǒng)的擴展性需求，對數(shù)據(jù)進行合理的建模，為后期的維護做良好的基礎。把現(xiàn)實世界中的元素抽象化，使其成為能夠存儲在數(shù)據(jù)庫中的記錄。[4]數(shù)據(jù)框架根據(jù)用戶的使用特征分成使用用戶和管理員兩大類。使用用戶使用本系統(tǒng)檢索數(shù)據(jù)，并根據(jù)其自身的權限瀏覽信息。管理員是指為了保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)正常運轉而設置的各種崗位或角色，根據(jù)系統(tǒng)的要求，可以把系統(tǒng)的角色分為數(shù)據(jù)管理員、系統(tǒng)管理員、安全管理員和審計管理員。(1)數(shù)據(jù)管理員：數(shù)據(jù)管理員負責向系統(tǒng)內(nèi)錄入和更新數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理員需要大量錄入各種信息，因此必須給該類用戶提供簡單快捷的操作界面。(2)系統(tǒng)管理員：系統(tǒng)管理員負責系統(tǒng)運行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)模型管理，配置系統(tǒng)運行參數(shù)和管理數(shù)據(jù)模型需要使用的單獨的操作界面。(3)安全管理員：安全管理員負責管理系統(tǒng)中用戶、角色和權限。安全管理員需要使用單獨的操作界面。(4)審計管理員：審計管理員負責審計系統(tǒng)事件、監(jiān)控其它各種用戶的行為。審計管理員使用單獨的操作界面。審計管理員不得擔任系統(tǒng)內(nèi)其它角色。

2.3 數(shù)據(jù)框架外部接口

(1)用戶界面：系統(tǒng)采用簡體中文顯示或輸入信息。用戶圖形界面要求風格統(tǒng)一、簡潔明了。對顯示界面使用的文字、字體可以使用統(tǒng)一的風格管理，要采用 B/S 結構，客戶端采用瀏覽器，顯示分辨率為 1280*1024。錯誤信息采用中文方式顯示。

(2)硬件接口：系統(tǒng)無硬件接口。

(3)軟件接口：系統(tǒng)與數(shù)字化反應堆綜合反應平臺存在數(shù) 據(jù)交互的接口。

2.4 數(shù)據(jù)框架邏輯架構

數(shù)據(jù)框架能夠管理數(shù)字化反應堆各種堆型在全周期過程中形成的成果數(shù)據(jù)，平臺框架分成三個基本層次：持久層、業(yè)務層、表示層，其邏輯架構如下圖 3 所示。

(1)持久層 持久層負責數(shù)據(jù)持久化。采用關系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(DBMS)加文件庫方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化。對于結構化數(shù)據(jù)采用 DBMS 存儲，對于文檔等半結構化數(shù)據(jù)其元數(shù)據(jù)采用 DBMS 存儲，文檔實體采用文件庫進行存儲。持久服務層的作用是：封裝持久層的功能，使應用層、業(yè)務層與持久層的具體實現(xiàn)解耦。持久服務層由 O/R 映射框架、文件存取服務組成，均與業(yè)務無關。O/R 映射框架通過將 oracle 中的數(shù)據(jù)封裝為對象，屏蔽了數(shù)據(jù)庫訪問的底層實現(xiàn)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲邏輯、資源管理和調度與上層應用的分離。所有對數(shù)據(jù)庫的操作均通過 O/R 映射框架進行。文件存取服務完成兩方面的功能：按照上層調用的要求， 接收文檔并將其存儲到指定物理位置;按照上層調用的要求， 從文件目錄中取得文檔，并以流的方式返回。文件存取服務屏蔽了文檔訪問的底層實現(xiàn)。

(2)業(yè)務層 業(yè)務層實現(xiàn)各種具有通用性的功能，供上層各種應用調用。該層由十二個部分組成：“審計日志服務”、“內(nèi)容驗證服務”、“數(shù)據(jù)模型服務”、“數(shù)據(jù)編碼服務”、“三維模型處理服務”、“權限控制服務”、“身份鑒別服務”、“PDF 處理服務”、“文件管理服務”、“水印處理服務”和“全文檢索引擎”。“審計日志服務”實現(xiàn)審計日志的記錄和檢索功能。該模塊屏蔽審計日志記錄的具體實現(xiàn)細節(jié)。“內(nèi)容驗證服務”實現(xiàn)電子數(shù)據(jù)防篡改功能，該模塊屏蔽了復雜實現(xiàn)細節(jié)。“數(shù)據(jù)模型服務”負責管理產(chǎn)品結構、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)模型，并提交上層使用。對產(chǎn)品結構、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)模型的操作均依賴該層實現(xiàn)。“數(shù)據(jù)編碼服務”是編碼生成工具，能夠根據(jù)設置的業(yè)務規(guī)則，根據(jù)用戶輸入生成數(shù)據(jù)編碼。該模塊屏蔽數(shù)據(jù)編碼生成和管理的具體細節(jié)。

“三維模型處理服務”完成以下幾方面的功能：對三維模型文件按照給定規(guī)則重命名;設置三維模型屬性;完成三維模型輕量 化處理。“權限服務”用于驗證用戶是否具有某種操作權限或是 否擁有對應的密級。該模塊屏蔽權限管理的具體實現(xiàn)細節(jié)。“身 份鑒別服務”用于鑒別用戶身份，該模塊屏蔽身份鑒別的具體 實現(xiàn)細節(jié)。“PDF 處理服務”完成四方面的功能：對 PDF 文件按照給定規(guī)則重命名;設置 PDF 文檔的各種屬性;向 PDF 文件中寫入給定內(nèi)容;對圖像性質的 PDF 文件進行 OCR 掃描，并將掃描結果作為不可見層(僅為全文檢索引擎使用)。“文件管理服務”完成三方面功能：根據(jù)預先設定的規(guī)則確定調用相關模塊對要存儲的文件進行預處理;接收上層模塊提交的文件全息瀏覽請求，調用“文件存取服務”，獲得文件并返回對應的文件流。

“水印處理服務”專用于文本電子數(shù)據(jù)安全。在合法用戶打印數(shù) 據(jù)時，通過文本數(shù)字水印技術將審計信息(如操作人、操作事 件)加載到打印輸出的紙質文件，以便進行追蹤。“全文檢索引擎”建立系統(tǒng)內(nèi)所用文檔的全文索引，接收用戶輸入的檢索條 件，完成分詞，進行檢索并按照匹配規(guī)則返回結果。

(3)表示層 表示層直接對應系統(tǒng)功能。該層包括：“登錄管理”、“數(shù)據(jù)查詢”、“模型管理”、“數(shù)據(jù)采集”、“系統(tǒng)管理”、“二維檢索”、“全文檢索”、“屬性檢索”、“三維檢索”、“跨庫檢 索”、“審計管理”各模塊包括了用戶界面和與用戶行為相關的 邏輯處理部分。

2.5 數(shù)據(jù)框架技術架構

數(shù)據(jù)框架采用三層體系結構，如下圖 4 所示。

表示層中面向最終用戶的展現(xiàn)采用基于 ExtJS3.2 框架的富客戶端技術，目的是為用戶提供更好的體驗，客戶端發(fā)出Http 請求后，Struts2 的 FilterDispatcher 對請求進行分發(fā)，在分發(fā)到具體的業(yè)務服務對象前，由一系列的驗證、審計等安全過濾 器對請求進行預處理。該層實現(xiàn)了邏輯架構中的應用層。業(yè)務 層的業(yè)務服務由 Struts2 Action 調用相關業(yè)務組件完成，業(yè)務服務組件不直接存取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，業(yè)務服務組件的操作對象是與Oracle 數(shù)據(jù)庫進行O/R 映射后的數(shù)據(jù)實體。該層實現(xiàn)了邏輯架構中的業(yè)務層。數(shù)據(jù)源層的核心是 HibernateUtil，該組件通過調用 Hibernate 框架所提供的功能與數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終持久化。該層實現(xiàn)了邏輯架構中的持久層。

3 結論

本文對伴隨數(shù)字化反應堆各項設計和仿真業(yè)務等產(chǎn)生的 大量成果數(shù)據(jù)進行了梳理，采用產(chǎn)品結構樹的方式對關鍵數(shù)據(jù)進行有效管理，搭建了數(shù)字化反應堆數(shù)據(jù)框架，對框架中各項 功能、用戶分類與特征以及外部接口進行了詳細描述，形成了 數(shù)據(jù)框架邏輯架構和技術架構，為后續(xù)數(shù)字化反應堆數(shù)據(jù)應用管理奠定技術基礎。