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CFETR设计软件集成平台的研发与优化

添加时间:2020/08/17 来源:中国科技技术大学 作者:王伸吉
CFETR设计软件集成平台由物理设计软件平台和工程设计软件平台组成,井通过主程序实现二者间的数据交换和集成。
以下为本篇论文正文:

摘要

  中国聚变工程实验堆(China Fusion Engincering Testing Reactor, CFETR)作为中国的下一代聚变装置目前已基本完成概念设计,其第- 阶段目标是实现:

  (1) 50-200MW的聚变功率: (2) 燃烧等离子体稳态运行占空比0.3-0.s; (3)TBR>I以实现燃料自持循环。CFETR 涉及复杂的系统结构,各组件存在密切的约束关系和数据交换。CFETR设计软件集成平台目前正在研发中,其目的是实现聚变装置设计工作在同一平台上开展,实现平台数据交换和文档管理,提高装置设计的有效性和自治性。

  CFETR设计软件集成平台由物理设计软件平台和工程设计软件平台组成,井通过主程序实现二者间的数据交换和集成。主程序负责建立总体设计流程和全局优化策略,为各设计工作提供统- 的操作界面和数摒接口,集成材料数据库、判据数据库为各模块提供统-的材料, 判据数据。

  本论文主要研究工作包括:

  1.使用Java编程语言完成了CFETR设计软件集成平台的主程序开发:采用AWT和swing类库完成了主程序的图形用户界面编程,根据AWT委派式事件处理机制将主程序各节点流程动作编制于GUI组件的事件侦听器函數体中,实现了主程序中各节点动作的自动化。主程序负责模块间的数据交互:

  (1)定义了各模块输入输出文件格式和保存路径: (2)指定了TXT文件和EXCEL文件作为数据载体: (3) 利用Java 提供的IO类以及自编的EXCEL读写类实现了平台数据的定位。读取和修改: (4) 采用Samba服务器实现了Windows操作系统下工程平台和Linux操作系统F物理平台的数据通信。

  2.主程序负责工程设计平台各模块以及物理设计平台的集成,具体包括: (1)向各模块提供统-的图形用户界面,根据用户不同操作触发系统不同响应:

  (2)执行CMD批处理俞令或OPTIMUS序列文件调用各模块工作流程:(3)接收用户自定义输入、在上游模块输出文件中读取所需参数、查询材料数据库形成模块材料卡,最終生成各模块输入文件和控制文件: (4)壹询判擱数据库获取判据信息,并依此对各模块输出结果进行判断,确定流程跳转,形成全局迭代优化策略: (5) 在GUI界面中展示相应输出或分析报告,向用户反馈。

  3.采用关系型數据库管理软件MySQL进行數据库开发,利用JDBC方法和相应驱动建立主程序同各数据库的数据链接,采用结构化查询语盲(SQL 语旬)对数据库进行查询和修改,参考ITER内部部件材料属性信息初步完成材料数据库数据内容,参考ASME和ITER分析判据初步完成判据数据库内容,井据此提供统一的材料属性和判据。

  4. 完成CFETR文档管理系统的升级,对输入输出文件进行统- -管理。 并由。

  key-files模块实现关键文件的版本控制。解决传统分散设计模式中的诸多问题。

  5.主程序直接调用各模块OPTIMUS流程或各计算软件,操作各模块输入、输出文件,对各模块输出结果进行判断,换言之,通过主程序的直接参与,建立了磁体、中子学、包层、偏滤器、真空室等模块间的数据交互方式和模块间迭代流程,将工程平台各模块直接集成到系统设计平台中。

  6. CFETR 设计软件工程平台各模块开发中使用OPTIMUS软件的过程建立功能搭建了内部自动化工作流程:根据不同模块的设计参数使用了二阶全因子。

  三阶全因子、田口法和拉丁超立方等DOE方法进行了试验设计,分析了各模块输入参数和输出结果的关系:在DOE分析结果的基础上拟合出各模块流程的响应面模型:采用差分进化和自适应差分进化等算法进行全局优化目标搜索,为设计软件集成平台提供了数值优化功能。

  本文最后以真空室模块在CFETR设计软件集成甲台上详细的设计、分析和优化流程为例,对CFETR系统软件平台进行了功能性验证

  关键词:中国聚变工程实验堆,设计软件集成平台,流程,框架,数据库,数据交互,优化

abstract

  China fusion engineering testing reactor (cfetr), as the next generation fusion device in China, has basically completed the conceptual design

  (1) The fusion power of 50-200mw: (2) the duty cycle of combustion plasma is 0.3-0. S; (3) tbr > I to realize fuel self-sustaining cycle. Cfetr involves complex system structure, and each component has close constraint relationship and data exchange. Cfetr design software integration platform is currently under development. Its purpose is to implement fusion device design work on the same platform, realize platform data exchange and document management, and improve the effectiveness and autonomy of device design.

  Cfetr design software integration platform is composed of physical design software platform and engineering design software platform. Data exchange and integration between them are realized through the main program. The main program is responsible for establishing the overall design process and global optimization strategy, providing unified operation interface and data interface for each design work, integrating material database and criterion database to provide unified material and criterion data for each module.

  The main research work of this paper includes: 1

  1. The main program development of cfetr design software integration platform is completed by using java programming language: AWT and swing class library are used to complete the graphical user interface programming of the main program. According to the AWT delegated event processing mechanism, the process actions of each node in the main program are programmed in the event listener function body of GUI component, which realizes the automation of each node action in the main program. The main program is responsible for data interaction between modules

  (1) The input and output file format and saving path of each module are defined: (2) TXT file and excel file are specified as data carriers; (3) IO class provided by Java and self compiled excel read-write class are used to realize the positioning of platform data. Read and modify: (4) Samba server is used to realize data communication between engineering platform under Windows operating system and physical platform of Linux operating system f.

  2. The main program is responsible for the integration of various modules of the engineering design platform and the physical design platform, including: (1) providing a unified graphical user interface to each module, triggering different responses of the system according to different user operations

  (2) Execute the order of CMD batch processing or Optimus sequence file to call the workflow of each module: (3) receive user-defined input, read the required parameters from the upstream module output file, query the material database to form the module material card, and finally generate the input file and control file of each module (4) One query judgment database obtains the criterion information, and judges the output results of each module according to this, determines the process jump, and forms the global iterative optimization strategy: (5) display the corresponding output or analysis report in GUI interface, and feed back to the user.

  3. The relational database management software MySQL is used to develop the database, JDBC method and corresponding driver are used to establish the data link between the main program and each database, and the structured query language blindness (SQL) is used According to the analysis criteria of ASME and ITER, a unified material property and criterion is provided.

  4. Upgrade the cfetr document management system and manage the input and output files. And by.

  Key files module realizes version control of key files. Solve many problems in traditional decentralized design mode.

  5. The main program directly calls the Optimus process or calculation software of each module, operates the input and output files of each module, and judges the output results of each module. In other words, through the direct participation of the main program, the data interaction mode and the iterative process among modules such as magnet, neutronics, cladding, pertor and vacuum chamber are established, and each module of the engineering platform is directly integrated into the System design platform.

  6. In the development of each module of cfetr design software engineering platform, the Optimus software process is used to establish the function, and the internal Automation Workflow is built: the second-order full factor is used according to the design parameters of different modules.

  Three order full factor, Taguchi method, Latin hypercube and other DOE methods were designed, and the relationship between input parameters and output results of each module was analyzed. Based on the DOE analysis results, the response surface model of each module process was fitted; the global optimization objective search was carried out by using differential evolution and adaptive differential evolution algorithms, which provided numerical optimization function for the design of software integration platform Yes.

  Finally, taking the detailed design, analysis and optimization process of vacuum chamber module on cfetr design software integration platform as an example, the functional verification of cfetr system software platform is carried out

  Key words: China fusion engineering experimental reactor, design software integration platform, process, framework, database, data interaction, optimization

目录

  第1章绪论

  1.1 引言

  能源短缺和传统化石能源使用过程中带来的环境污染是当今世界范围内各国发展的两大关键问题。我国经济高速发展,是全球第二大能源消费国,国内能源资源不足,同时前期的粗放发展使生态环境遭受了一定程度的破坏,开发清洁、高效和安全的能源方式是我国发展的重要议题。相比于裂变核能,聚变能资源更为丰富、质能密度高、无高放射性废物排放、环境友好,是未来的理想新能源,同时也是目前看来最有可能解决人类长久能源问题的可行途径之一。

  几种基本的核聚变反应方程式如下叫:

  理论上质子~硼反应是最为先进的核聚变反应,没有中子产生,不存在中子辐照对材料的影响,同时产生能量体现为带电氢粒子的动能,可由电磁手段约柬并直接转化为电能。但由于质子-确反应要求最为苛刻,难以实现。如图1.1所示: D.T聚变由于其反应截面在1-100kev范围内远大于其他聚变反应,是目前实现核聚变的首选。

  氘(D)氚(T)聚变反应方程式中的氘来源于海水,而氚可出中子和锂的反应得以增殖,该反应式的原料在地球上极为丰富。同时,反应产物是氦和中子:中子可被包层吸收以增殖氚:氨没有放射性,其能量沉积于等离子体中用于实现自加热。D-T聚变能的产生过程不排放温室气体,不污染环境,没有裂变堆产生高放射性废物的问题,聚变中子对聚变堆结构材料的活化也是小量,只产生短寿命放射性产物。聚变堆具有固有安全性,更没有裂变堆临界事故或放射性物质泄漏等问题。由于其安全、高效、资源丰富和环境友好,D-T 聚变。

  得到了世界范園内的广泛关注和研究。

  目前国际上聚变能源科学研究主要包括磁约束聚变和惯性约束聚变,磁约束聚变内部也包含托卡马克、Z箍縮、仿星器、磁镜等多个研究途径。上世纪九十年代磁约束聚变在国际三大托卡马克装置(TFTR, JET, JT-60)上取得较大突破,包括:实现聚变功率>16MW,等效功率增益因子Q>1等2,磁约束聚变能的科学可行性在托卡马克装置上得到验证,表明托卡马克类型装置是最有可能首先获取聚变能的途径。

  由于聚变堆涉及到复杂的物理和工程设计,研发成本高,研发难度大,研发周期长,各国均意识到独自发展核聚变能的困难,于是欧盟、俄罗斯、美国、中国、日本、韩国和印度七国合力发起了目前全球规模最大的国际科研合作项目: ITER计划(国际热核聚变实验堆计划)。该项目覆盖全球- -半人口,涵盖了全世界主要的科技发达国家,是全人类对托卡马克类型磁约柬装置途径获取聚变能源的重要尝试,它将演示聚变装置的能量增益以及堆系统建设等重要问题,对磁约束聚变能的研究、发展具有深远意义。

  ITER是国际聚变界在托卡马克装置类型的磁约束途径上开发核聚变能的重要尝试,其累积的工程设计建造经验和建成后的物理实验对最终建立聚变电站获取聚变能源具有重要意义,但ITER还远未达到示范堆(DEMO 堆)的水平,它没有考虑增殖包层,无法实现燃料(氚)自持燃烧,同时运行因子(DutyCycle)仅为4%,无法示范聚变堆的长时稳态运行。为此,各参与国在积极完成ITER计划任务的同时,均制定了各自在ITER之后的聚变示范能源堆(DEMO堆)发展规划。目前我国在完成ITER采购包方面已经走在前列,同时国内聚变研究也正在迅速发展,在总结EAST、HL-2A 等国内主要聚变装置物理实验进展和工程设计经验的基础上,提出了中国聚变工程实验堆(China FusinEngineering Test Ractor, CFETR)概念,目前其总体概念设计已取得进展。

  1.2 CFETR概述

  ITER由于运行占空比(duty cycle)仅为4%,中子产量不足,无法验证材料辐照性能,同时在包层方面仅考虑了屏蔽包层和TBM( Testing Blanket Module,包层测试模块),未考虑增殖包层,无法实现氚自持,因此距离DEMO堆(示范堆)还有较大距离。随着ITER工程进度的推进,多个国家提出了自己的磁约束聚变DEMO发展计划,如表1.1所示:

  由上表可见,各国均将超导托卡马克作为磁约束聚变研究的主力堆型,辅以仿星器作为备选,聚变功率也大都在3GW左右水平,基本达到商业堆需求。

  但DEMO同ITER相比,较大的参数提升也带来物理和工程上的巨大挑战,各项关键技术均具有较大不确定性。

  作为中国的下--代聚变装置计划,中国聚变工程实验堆CFETR目前已基本完成概念设计,正逐步进入工程概念设计及关键技术预研阶段。CFETR第-阶段目标是实现: 50-200MW 的聚变功率: TBR (Tritium Breeding Ratio,氚增值比)大于1以实现燃料自持循环:燃烧等离子体运行时间占空比0.3-0.51"其主要参数如表1.2.图1.2所示: .


  CFETR主机装置布局如图1.2所示"2].

  CFETR聚变堆设计由多个子系统组成,包括:

  (1) 反应堆总体设计:

  (2)工程 总体管理及标准:

  (3)聚变堆物理和技术: .

  (4)加热、 电流驱动:

  (5)诊断及CODAC;

  (6)总体结构和真空室、 真空系统、冷屏、杜瓦;

  (7)超导磁体和低温:

  (8)内部部件(包层、偏滤器等);

  (9)电源、 水冷系统;

  (10)遥控安装及维护;

  (11)燃料循环及处理;

  (12)辐射防护及安全:

  (13) RAMI分析。

  由上所述,CFETR聚变堆设计由大量子系统设计模块构成:堆芯等离子体优化设计面临复杂的物理情景,工程设计、分析涉及到复杂的聚变装置系统结构,在堆芯参数优化设计同装置主机工程设计存在大量数据往复的同时,还必须处理各部件模块间复杂的空间干涉和其他约束。在目前分散的设计模式下主要存在以下问题:

  (1)效率低:各模块的设计流程均由设计人员各自分散完成。

  (2)数据交互能力低:模块间交互主要由设计人员讨论完成。

  (3)自治性: 各模块采用的判据信息可能不协调。

  (4)-致性: 各模块采用的材料属性信息可能不一致。

  (5)输入、 输出数据文件版本无法控制,系统级迭代缺失。

  CFETR系统设计软件集成平台的研发可较好地解决总体设计过程中存在的上述困难和问题。通过系统软件实现设计流程的自动化可大幅提高CFETR设计效率;系统软件集成平台向各设计子模块提供统- -的材料 属性和判据信息可确保总体设计的一-致性和自治性:通过制定标准化的软件接口调用各物理、工程模块软件进行相应计算,可涵盖真实设计过程中的多种细节因素;通过软件优化策略的制定可实现设计模块内部的优化,通过模块间迭代流程的开发还可实现系统全局优化;将主要设计模块纳入统-的系统设计平台可实现对各设计模块输入输出文件的版本控制:通过升级文档管理系统实现统- -的模型管 理和载荷传递,对运算结果文件进行统- -管理, 可有效克服传统分散设计模式的弊端。

  1.3国际上系统设计软件开发概述

  系统集成设计软件(System Code)作为聚变堆装置集成设计中的重要平台性工具,为集成设计过程提供统-的计算、 设计策略,提供适当简化的方法来模拟并实现各部件设计的集成[3].由于其重要作用和众多优点,System Code得到了国际聚变装置设计团队的广泛重视。经过二十余年的发展,各国开发了不同级别与集成内容的软件来提高设计效率和保证集成设计的自治:有的专注于堆芯物理计算:有的注重部件传热性能计算;有的能进行紧急事故下的安全性评估:还有的能计算装置的造价,对系统经济性进行评估;包括ITER组织也开发了一些集成软件(利用达索平台)。各集成化软件在有力促进相应设计工作开展的同时,也促便system code在世界范围内获得了长足的发展。

  堆系统级的聚变装置集成设计软件只有少数磁约束聚变研究强国进行了开发,包括:由美 国FEDC开发的Tokamak System Code (TSC)、法国CEA开发的SYCOMORE、英国卡拉姆聚变中心使用的PROCESS,以下分别概要介绍这三套典型的系统集成软件以讨论systemcode在世界范围内的研究发展现状。

  1.3.1 Tokamak System Code (TSC)

  Tokamak System Code是由美国橡树林国家实验室(Oak Ridge National Lab,TN, USA)聚变工程设计中心( Fusion Engineering Design Center)在1985年前后开发的系统集成软件。在设计人员选定输入的等离子体参数和装置工程目标后,TSC可以计算该托卡马克装置的几何结构和相应性能参数,并可对装置的整体造价进行评估[141.TSC的运行就如同一个函数:输入是等离子体和工程参数, .

  输出是托卡马克装置的结构、性能和造价。由于该系统软件设计之初的目的是模拟tokamak实验装置而非聚变堆,故整套软件没有包含发电模块和增殖包层模块,没有考虑聚变能转换为包层热能再产生电能的过程,也不包含D-T燃料自持循环过程。

  TSC的优势之-是采用了模块化的结构,托卡马克装置中的各个主要部件均作为独立的子程序集成于整个代码框架中,因而能实现对tokamak各主要部件(系统)的独立建模。模块化框架最大的好处是在维持子模块同其他模块接口不变的情况下(保持输入和输出内容及结构不变),可以很方便地对某- - 单独模块进行修改、更新或升级而无需调整主程序及其他模块。TSC系统由20个独立模块组成,其工作流程如图1.3所示。

  由于模块间交互较少,且工程设计模块基本停留在简化的零维模拟阶段,用户对于TSC的所有输入均保存在单-的文件中,且均采用格式化的列表予以记录、保存,模块之间的数据传输由声明的公共模块完成,输入数据的一致性得到保证。托卡马克装置的设计过程中,一般确定等离子体大小半径、内部欧姆加热螺线管以及TP线圈位置等参数后, tokamak装置几何参数也就得以确定。

  在某些输入参数组合下,主机和等离子体中心线之间无法提供充足的径向尺寸以放置必需的部件,一- 旦发生空间干涉,TSC 系统会报错,并终止系统软件的运行。

  TSC系统使用300余个输入变量使得用户能较清楚地描述tokamak系统主要部件,TSC部署在Cray超级计算机的NMFECC系统上,其执行过程包含: .

  (1)准备TSC执行本地文件存储空间;

  (2)准备TSC输入文件:

  (3)执行TSC主体程序;

  (4)打印输出:

  (5)清除本地文件区域。

  TSC各模块执行内容及输出如表1.3所示("4]:

  1.3.2 SYCOMORE

  2004年左右,欧盟开始实施EU-ITM( European Integrated Tokamak ModellingTask Force,欧洲托卡马克集成建模项目)建立- -个集成的建模框架以利于托卡马克设计工作的开展。它定义了标准化的数据格式和一致性的物理对 象/变量,开发了多语言的通信数据库,利用开源的科学工作流引擎开普勒(Kepler) 建立了自动化工作流,并基于Fortran/C++语言开发了界面友好的Kepler组件。

  2011年前后,法国原子能中心(CEA)在EU-ITM的基础。上开发了SYCOMORE (System Code for Modeling Reactor,反应堆建模集成设计软件),该系统软件的设计目标是实现欧洲tokamak示范堆设计的模块化集成['5].它采用的平台可以实现分布式计算和并行计算,能将较为复杂的模型集成到系统设计软件平台中。

  SYCOMORE系统包含:

  (1)等离子体设计模块: HELIOS程序;(2)刮削层/偏滤器模块: SOLDIV 程序,包括TOKAM-3X, JOREK,SOLEDGE2D-EIRENE, PFCFlux等;(3)增殖和屏蔽包层模块:

  (4)环向磁场和CS磁体;(5)功率转换模块等。

  SYCOMORE也采用了模块化的方式组织整个系统设计软件,其运算逻辑流程如图1.4所示。

  2011年SYCOMORE首个软件框架已应用于计算装置径向分布:于2012年进行了计算验证,添加了功率转换模块; 2013年CEA加大了对SYCOMORE的支持力度,后续增添了氚循环,造价估算,估算瞬态放电过程等模块。

  1.3.3 PROCESS

  PROCESS由英国卡拉姆聚变中心(Culham Centre for Fusion Energy)开发并使用,它由早期的几个系统设计软件发展而来,其中最主要的来源是由美国。

  橡树岭国家实验室开发的TETRA (Tokamak Engineering Test Reactor Analysis)及其衔生程序STORAC (Spherical Torus Reactor Analysis Code)。 PROCESS对聚变堆各子系统考虑较为全面,除了等离子物理,还考虑了泵系统,建筑和成本,热电转换等模块。系统对各子模块模型在尽量与目前理论和实验结果相符合的基础上作了适量简化以利于优化计算的开展,作为一个聚变堆系统设计软件,PROCESS可以根据输入的条件计算出自治的聚变堆总体参数。

  PROCESS框架采用的数学计算程序均来源于许多成熟的开源程序库,它可以针对多种常见的聚变堆装置类型进行计算,包括托卡马克、仿星器6、惯性约束等,其中针对常规环径比托卡马克的计算能力最为完善。PROCESS具有两种计算模式:非优化模式(non-optimization mode)和优化模式(optimizationmode),它们分别的计算流程如图1.5-1, 1.5-2所示1].


  1.4国内system code发展现状

  国内system code研发也取得了-定进展。例如,中科院等离子体研究所与美国通用原子能(GA)合作开发的模型集成框架IMFIT项目,集成、发展了已有的平衡、输运方面相关程序,为DIII-D和EAST装置提供等离子体性能的预测模拟实验分析平台。但目前来说,IMFIT 仅针对的是DII-D和EAST两个装置,同时其子程序也主要针对芯部等离子体的计算,不考虑工程设计平台及物理和工程设计之间的交互。因此要设计全新的、反应堆级别的装置(CFETR),需要开发专门的、更为完整考虑聚变堆设计各个方面的框架平台,国内尚没有发展能达到上述要求的系统设计软件集成平台。

  1.5 CFETR system code概述

  在广泛消化吸收世界范围内system code开发经验和技术的基础上, CFETR设计软件团队开始了CFETR system code的研发工作,研发CFETR设计软件的集成系统,对CFETR物理优化计算过程中涉及到的堆芯物理计算程序,部件工程设计、分析中用到的CAD/CAE软件,以及适当的简化运算程序(如零维程序)等进行系统地总体集成,并搭建与之配套的软件环境和硬件平台。

  CFETR的设计工作涉及复杂的系统结构,同时包含多个模块(物理平台与工程平台,工程平台各模块之间)的数据交互,构成了非常复杂的约束关系。

  研发CFETR system code的目的就是要通过建立统-的设计软件集成平台, 集成各模块设计过程,建立系统设计的工作流程,实现各子模块间的自动化数据交互,制定局部及全局的优化策略,提高设计效率,保证聚变装置总体设计的一致性和 自治性需求。

  1.6本文研究内容和意义

  在CFETR设计软件集成平台研发中,笔者主要负贵总体设计软件集成以及平台构建,是从总体上设计和实现平台的集成目标,本文讨论的重点将包括平台主程序的研发,物理平台、工程平台同系统平台的集成,平台总体工作流程的确立和实现,以及各模块间的数据交互和迭代流程。具体包括:

  第二章,CFETR system code平台设计方案,总体上确定设计软件集成平台的结构,确定主程序、工程模块、物理平台的功能,制定各部分的集成方案。

  第三章, OPTIMUS软件的过程建立功能在模块内部流程开发中得到了大量应用,同时该软件中的试验设计、建立响应面和数值优化算法等特性为CFETR设计软件集成平台补充了重要的功能。

  第四章,主程序开发,主要讨论CFETR设计软件集成平台主程序的研发工作,包含各模块界面的GUI编程,组件动作编制与实现等内容。

  第五章,重点讨论平台数据库的开发与集成,包括数据库的建立、主程序和数据库的链接、各数据库的需求和功能、数据来源等内容。

  第六章,工程平台集成开发,重点讨论了工程平台各模块同设计软件集成平台主程序的集成,包括确立工程平台总体框架,建立各模块工作流程,实现各模块间的数据交互。

  第七章,以真空室模块在CFETR system code平台上详细的设计、分析、优化流程为例,对CFETR设计软件集成平台进行了功能性验证。

  本文研究工作的意义是:确立了CFETR设计软件集成平台的总体方案,开发了平台主程序,实现了平台数据文件管理和各模块数据交互,集成了材料数据库和判据数据库,实现了CFETR设计软件集成平台主体结构和功能,确保了聚变装置设计过程的有效性和自治性,并为平台各模块提供了一定的数值优化功能。

  1.7本章总结

聚变能是未来解决能源问题的最终归宿,鉴于聚变能的科学可行性已在托卡马克类型装置上得到验证,磁约柬聚变在全球范围得到了大力发展。在国际热核聚变实验堆(ITER) 计划之后,中国的下一代聚变装置CFETR也已进入工程概念设计阶段。

  由于CFETR结构复杂,物理设计和工程设计之间以及各工程部件模块之间存在着密切、复杂的约束。在目前传统分散的,主要由设计人员各自执行的总体设计过程中存在着设计效率低,自治性和一致性无法保证,优化策略单- -等问题,我国急需发展完整的系统设计软件集成平台来解决上述总体设计中存在的问题。

  系统设计软件(system code)作为聚变堆装置设计中重要的平台性工具, .

  在全球范围内得到了各聚变装置设计团队的广泛重视和大力发展,本章概要介绍了三套最具代表性的系统设计软件: TSC、SYCOMORE、PROCESS,阐述了它们各自的特点和主体工作流程,介绍了它们主要的模块构成,这些调研对CFETR设计软件集成平台的开发和主体框架建设具有重要参考价值。

  CFETR设计软件集成平台正处于开发进展中,其目的是实现聚变堆设计工作在同一平台 上开展,实现平台数据交换和文档管理,提高装置设计的有效性和自治性。

  第2章CFETR System Code设计方案
  2.1系统框架
  2.2主程序(集成平台)
  2.2.1主要功能
  2.2.2开发语言
  2.2.3开发环境

  2.3物理设计平台
  2.3.2多维程序
  2.3.3物理平台与系统平台集成
  2.4工程设计平台
  2.4.1研究内容
  2.4.2模块内流程
  2.4.3全局工作
  2.4.4工程平台同系统平台集成
  2.5数据库
  2.6模块化结构

  2.7数据交互
  2.7.1 Data Carrier.
  2.7.2 I/0操作
  2.7.3文件同步
  2.74跨平台数据交互
  2.8硬件及响应时间
  2.8.2响应时间
  2.9本章总结

  第3章OPTIMUS.
  3.1 OPTIMUS概述
  3.2过程建立
  3.3实验设计
  3.3.1全因子试验设计
  3.3.2田口法试验设计
  3.3.3拉丁超立方试验设计

  3.4响应面模型
  3.4.1最小二乘法
  3.4.2插值法
  3.5数值优
  3.5.1优化概述
  3.5.2局部优化
  3.5.3全局优化
  3.6本章小结

  第4章主程序开发
  4.1 GUI概述
  4.1.1开发语言
  4.1.2 GUI元素
  4.2 AWT & Swing
  4.2.1 AWT
  4.2.2 Swing .
  4.2.3事件处理机制

  4.3登陆界面
  4.3.1界面组成
  4.3.2界面动作
  4.4材料数据库界面
  4.4.1界面组成
  44.2界面动作
  4.4.3模块流程
  4.5判据数据库界面
  4.5.1界面组成
  4.5.2界面动作
  4.5.3界面流程

  4.6 0-D界面
  4.7真空室界面
  4.8 TF模块界面
  4.9 PF模块界面
  4.10中子学模块界面
  4.11包层模块界面
  4.12偏滤器模块界面
  4.13 Key files模块界面
  4.14本章小结

  第5章数据库集成开发
  5.1数据库开发
  5.1.1数据库概述
  5.1.2关系型数据库
  5.1.3 SQL语言
  5.1.4数据库链搂
  5.2材料数据库
  5.2.1需求分析
  5.2.2元数据
  5.2.3 数据内容

  5.3判据数据库
  5.3.1需求分析
  5.3.2元数据
  5.4操作记录数据库
  5.4.1需求分析
  5.4.2元数据
  5.5用户账户数据库
  5.5.1需求分析
  5.5.2元数据
  5.6本章小结

  第6章工程平台集成开发
  6.1工程平台框架
  6.2磁体模块 .
  6.2.1流程框架
  6.2.2数据交互
  6.3真空室模块
  6.3.1 流程框架
  6.3.2数据交互

  6.4 中子学模块
  6.4.1流程框架
  6.4.2数据交互
  6.5 包层模块
  6.5.1流程框架
  6.5.2数据交互
  6.6 偏滤器模块
  6.6.1流程框架
  6.6.2数据交互
  6.7本章小结

  第7章子模块功能验证
  7.1过程建立
  7.2敏感度分析
  7.4响应面模型
  7.6本章总结

第8章总结

  8.1全文总结

  本文第-章首先阐述了CFETR系统设计软件集成平台研发的背景,在介绍了中国工程聚变实验堆CFETR基本情况之后,讨论了TSC、SYCOMORE和PROCESS等国际范围内system code的研究现状。

  第二章确立了CFETR系统设计软件平台的总体框架:包括主程序(集成平台),物理设计平台和工程设计平台,并讨论了各平台的基本功能。CFETR系统设计软件平台采用了模块化的设计方案,相较于国际上其他system code,其优势是考虑了具体的二维、三维工程设计和分析。同时为了确保CFETR systemcode的一致性和自治性, 本章内容还包括了材料数据库、判据数据库等主程序相关数据交互情况。

  第三章的主要内容是CFETR sysem code 研发过程中使用到的OPTIMUS软件的核心功能和算法,包括:通过OPTIMUS过程建立功能集成模块内部设计流程:通过采取合理DOE类型和抽样算法进行试验设计:利用DOE结果建立响应面模型;调用响应面模型进行大量样本点计算实现数值优化等。

  开发简单、易用、高效的主程序操作界面对集成聚变堆各模块设计软件,实现system code平台功能具有重要作用,第四章中我们利用Java语言和多种开源类库、自编工具类进行了主程序开发,初步实现了主程序GUI的开发,利用GUI组件上的侦听器函数操作数据通信并调用商业计算软件、构建OPTIMUS流程,基本实现了各模块计算、分析、优化流程的自动化。

  数据库开发是系统设计软件平台数据一致性的重要保障,第五章的内容重点是system code材料数据库、判据数据库和用户操作记录数据库等数据库的集成嵌入和开发,分析了各数据库的开发需求、设置了各数据库元数据、集成了各数据库的数据内容,建立JDBC链接实现了数据库通信。

  CFETR system code由主程序将物理设计平台和工程设计平台集成在一起,工程设计平台主要负责对满足物理设计需求的方案进行详细工程设计和分析。

  第六章确立了工程平台磁体、真空室、中子学、包层和偏滤器模块的流程框架,实现了各模块之间的数据交互,据此搭建了工程平台基本的设计和优化流程。

  最后,在第七章中,本文通过一一个真空室模块完整的设计、分析和优化流程例子进一-步阐述了CFETR system code的工作颐理和流程,对工程模块进行了功能性验证,包括过程建立、敏感度分析、试验设计方案、响应面模型建立和数值优化等内容

  8.2论文创新性

  (1)复杂物理和工程设计软件的集成:

  聚变堆结构复杂、部件繁多,各子系统存在着密切的约束和数据交互,为了完整考虑聚变堆设计的主要方面,国际上主流的系统设计软件对较难处理的详细物理计算和工程设计基本采用了简化的模型进行处理,比如采用零维模型模拟等离子体性能,采用一维模型对工程设计方案进行简单评估等。相比之下CFETR system code的优势之处是在物理、工程设计模块中考虑了复杂的多维模型(二维或三维),使用了目前广泛被实际应用于聚变堆设计的物理计算代码和工程CAD/CAE软件,具有更高的计算精度,当然也为我们的开发带来了相应的难度。

  (2)层次完善的优化策略:

  以往的聚变堆优化设计主要依赖于设计人员的设计经验,具有较大的不确定性,CFETR system code确立了三个层次的优化迭代: 1、 模块流程搭建时依据开发人员的设计经验将优化意图和相应实现判据固化于模块流程内部,实现模块局部优化; 2、 以每个模块流程为单位(OPTIMUS 流),通过分析模块的输入输出数据,在试验设计的结果上建立响应面模型进行数值优化,寻找各模块的最优解,实现模块为单位的数值优化; 3.通过主程序全局工作流的搭建和优化迭代策略的制定,实现system code平台全局优化。

  (3)通过搭建自动化的系统设计平台提高了聚变堆设计工作效率,通过统-的文件管理、数据库集成和系统数据交互方法的确立,保证了整个聚变堆设计过程的一~致性和自治性。

  8.3结论和展望

  基本的结论是:就CFETR设计软件集成平台项目目前的进展来看,已开发了主程序的基本框架,包括数据库开发、用户图形界面开发、全局迭代流程开发以及软硬件平台的搭建。采用零维程序(GASC) 作为物理平台和工程平台通讯的桥梁,各模块的数据交换以及调用逻辑也得以制定,实现了平台全局和各模块工作流程的集成。工程设计平台方面,基本采用在OPTIMUS中搭建流程、试验设计、建立响应面和数值优化设计的步骤实现了各工程模块的集成和优化策略。

  CFETR设计软件集成平台项目正在进行中,为了首先实现系统设计平台的整体框架,我们对工程设计流程中- - 些不会对绪果造成较大影响的步骤以及过分复杂不利于集成的细节进行了适当简化,对判据的应用也只关注了最为紧要的参数,没有面面俱到,判据数据库中的内容也较为简易、粗糙。随着项目的推进,这些问题将逐步得到改进,工程平台的工作流程和数据交互模式将进一步完善。同时,更多的物理和工程模块将会被集成到CFETR系统设计软件平台中以期更全面地考虑聚变装置设计过程。
 

致谢

  首先我要感谢我的导师,中国科大核学院叶民友教授,他深厚的学术功底、严谨的工作态度以及在领导CFETR系统设计软件项目中敏锐的洞察力使我受益良多,他对我研究过程宏观上的把控和细节上的指导使我少走了弯路。同时我也要感谢硕士阶段万元熙院士的悉心教导。

  感谢CFETR system code项目组的陈锡熊、毛世峰、刘旭峰、王忠伟、彭学兵、雷明准、郭勇、罗正平等老师和徐坤、张建武、朱晨、王明、刘利、徐国梁、罗志仁、徐兵兵、何富超等同学,是大家的努力让系统设计软件集成平台项目得以开展并富有成效。

  感谢1511实验室的全体同仁,感谢院研究生部王炜、贺明杨老师。

  感谢我的妻子,是你的陪伴为我的科研生活赋予了色彩;感谢我的父母,是你们从小的教育让我学会严肃认真、实事求是地对待工作、学习和生活。

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