CN115146442B - 一种基于SysML的热力***的集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于SysML的热力***的集成方法，包括：依据利益攸关者的需求，采用SysML构建所述热力***的架构方案；计算所述热力***对应的多个子***的相似度，根据所述相似度筛选可进行集成设计的子***组合；将所述子***组合当中具备相同构造型的设备实例化，对所述设备开展集成设计分析；根据对所述设备的集成设计分析结果，完成所述多个子***的集成设计，更新所述热力***的架构方案。本发明实现了对热力***进行集成设计的标准化与规范化，相比于现有基于人工经验的集成设计方法，减少了设计人员工作量、充分发挥SysML建模的优势，有助于降低热力***的设计周期，提高设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及热力***的数字化设计技术领域，尤其涉及一种基于SysML的热力***的集成方法。
背景技术
SysML(System Modeling Language，***建模语言)是OMG(Object ManagementGroup，对象管理组织)针对***工程领域发布的标准化***建模语言，它是一种表述、分析、设计以及验证复杂***的通用图形化建模语言。SysML借鉴了软件工程领域UML(Unified Modeling Language,统一建模语言)和MDA(Model Driven Architecture，模型驱动架构)思想，通过需求图、用例图、活动图、序列图、状态机图、块定义图、内部块图、参数图和包图等共九种图形对***的需求、行为、结构和参数等进行建模和描述，这些图形就是***的需求模型、行为模型(或功能模型)、结构模型和参数模型，统称为***设计模型。SysML被广泛用于MBSE(Model-based System Engeneering，基于模型的***工程)方法的实施，是开展***架构设计的重要支撑。
当前，MBSE和SysML在国内外航空、航天等工业领域得到了普遍重视和广泛应用。在专利公布号为CN107664952B的基于SysML的航天飞行器***模拟方法中，公开了通过建立功能模型的参数、输入变量和输出变量的映射关系，实现了模型间数据的互联互通。在专利公布号为CN105787141B的一种复杂武器***作战过程的协同仿真方法及***中，公开了采用SysML建模语言来描述复杂武器***各个分***作战过程中的协同时序，结合实践Petri网模型进行复杂武器***作战过程的分布式仿真。在专利公布号为CN108089861B的一种从SysML模型转换到AltaRica模型的转换方法中，公开了将构建的***SysmL模型转换为AltaRic模型的方法，以支持对***故障行为进行分析。
在核电、火电、光电以及各类动力***中，核能、化学能和太阳能等一次能源在被转化为热能后，热力***通过热力循环将热能转换为机械能，并进一步由发电机转换为电能。以核电厂为例，核燃料通过裂变反应释放能量加热一回路的冷却剂(水、氦气等工质)，高温冷却剂在蒸汽发生器中加热二次侧给水至饱和或过热蒸汽状态，蒸汽推动汽轮机旋转，将热能转换为机械能，再基于汽轮机对发电机的旋转驱动，由发电机将来自汽轮机的机械能转换为电能，从而完成整个***的能量转换过程。为提升循环效率、保证***安全可靠性，热力***包含有大量的子***、设备、管路以及管路附件，属于典型的复杂***，其设计适宜采用MBSE方法，通过***建模实现对设计要求的覆盖和追溯。
相关技术中，基于SysML的MBSE建模过程主要是从用户需求出发逐步获得***的架构方案，使得***的功能需求得到满足；通过参数仿真或多工具协同仿真对多个候选设计方案实例进行验证评估，使***性能需求得到满足。除功能需求和性能需求外，集成设计、可靠性等***需求亦十分重要，其中，集成设计有助于降低热力***的复杂度，进而控制建造成本、提升***运行控制的可靠性。但是，由于现有的集成设计缺少理论指导和标准化流程，仍依赖于设计人员以个人经验进行尝试，难以通过SysML开展迭代设计，存在设计不确定性高、设计效率较低等问题，导致限制了SysML建模优势的充分发挥。
发明内容
本发明提供一种基于SysML的热力***的集成方法，用以解决或改善当前基于SysML的热力***设计难以应对***集成要求，不得不依靠设计人员经验尝试集成，导致设计不确定高、设计效率较低的问题。
本发明提供一种基于SysML的热力***的集成方法，包括：
S1，依据利益攸关者的需求，采用SysML构建所述热力***的架构方案；
S2，计算所述热力***对应的多个子***的相似度，根据所述相似度筛选可进行集成设计的子***组合；
S3，将所述子***组合当中具备相同构造型的设备实例化，对所述设备开展集成设计分析；
S4，根据对所述设备的集成设计分析结果，完成所述多个子***的集成设计，更新所述热力***的架构方案。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，还包括：S5，重复S2至S4，对所述热力***当中符合集成设计要求的所有子***完成集成设计。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，S1进一步包括：
S11，获取所述利益攸关者的需求，采用SysML图形的需求图构建利益攸关者需求模型；
S12，根据所述利益攸关者需求模型，确定热力***需求，采用SysML图形的需求图构建***需求模型；
S13，采用SysML图形的活动图、序列图及状态机图对所述热力***进行黑盒描述，确定热力***功能需求；
S14，基于所述热力***功能需求，根据物理原理对所述热力***进行功能分类，将所述热力***划分为多个子***，采用SysML图形的块定义图和内部块图对所述热力***进行架构建模；
S15，根据物理原理对所述子***进行功能分类，采用SysML图形的块定义图和内部块图对所述子***进行架构建模。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，在对所述子***进行架构建模的过程中，在Block基础上建立设备层构造型，所述设备层构造型包括不同类别的多种设备。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，S2进一步包括：
S21，根据SysML图形的内部块图，将所述多个子***分别转换为物质流-设备序列；
S22，根据所述物质流-设备序列，计算所述多个子***当中任意两者的相似度；
S23，对所述相似度进行排序，得到最大相似度，在最大相似度大于相似度临界值的情形下，将所述最大相似度对应的两个子***筛选为进行集成设计的子***组合。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，S21进一步包括：
S211，对通过所述子***对应的内部块图的其中一个边界端口的物质流的名称进行识别，沿所述物质流的流动方向对所述物质流流经的设备依次按顺序查找，直至到达所述内部块图的另一个边界端口；
S212，将物质流的名称与按顺序依次排布各个设备组成物质流-设备序列。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，S21进一步包括：S213，在所述子***包含多种物质流的情形下，重复S211至S212，遍历所述内部块图的所有边界端口，形成多个物质流-设备序列。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，所述物质流-设备序列的格式如下所示：
[物质流名称，设备类别1，设备类别2，…设备类别k-1，设备类别k]；其中，k为大于或等于3的自然数。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，对于两个子***对应的物质流-设备序列[m1,d11 d12,d13,…,d1k]与[m2,d21 d22,d23,…,d2l]，所述两个子***的相似度p参照如下公式获取：
p＝p1p2；
其中，
在上式中，s(d1,d2)表示将设备序列d1变为设备序列d2的总操作次数，d1＝[d11d12,d13,…,d1k]，d2＝[d21 d22,d23,…,d2l]；max(k,l)表示设备序列d1对应的设备数量与设备序列d2对应的设备数量的最大值。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，S21之前，还包括：
将基于SysML架构的热力***存储为XML文件；
从所述XML文件中提取所述子***的内部块图、内部元素和连接关系。
根据本发明提供的一种基于SysML的热力***的集成方法，所述利益攸关者包括与所述热力***的设计相关的业主、设计方、建造方、政府部门和附近居民。
本发明提供的基于SysML的热力***的集成方法，通过采用SysML构建热力***，根据热力***对应的多个子***的相似度，来对热力***进行集成化设计，实现了对热力***进行集成设计的标准化与规范化，相比于现有基于人工经验的集成设计方法，减少了设计人员工作量、充分发挥SysML建模的优势，有助于降低热力***的设计周期，提高设计效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于SysML的热力***的集成方法的流程示意图；
图2是本发明提供的SysML图形组成框图；
图3是本发明提供的基于SysML对热力***进行建模的流程示意图；
图4是本发明提供的热力***的设备层构造型的构建示意图；
图5是本发明提供的在进行集成设计中对子***组合进行筛选的流程示意图；
图6是本发明的一个实施例提供的电机冷却子***的内部块图；
图7是本发明的一个实施例提供的滑油冷却子***的内部块图；
图8是本发明的一个实施例提供的对电机冷却子***与滑油冷却子***进行集成，得到集成冷却子***的内部块图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图8描述本发明的一种基于SysML的热力***的集成方法。
如图1所示，本实施例提供一种基于SysML的热力***的集成方法，包括如下步骤：
S1，依据利益攸关者的需求，采用SysML构建所述热力***的架构方案。
S2，计算所述热力***对应的多个子***的相似度，根据所述相似度筛选可进行集成设计的子***组合。
S3，将所述子***组合当中具备相同构造型的设备实例化，对所述设备开展集成设计分析。
S4，根据对所述设备的集成设计分析结果，完成所述多个子***的集成设计，更新所述热力***的架构方案。
具体地，本实施例所示的方法通过采用SysML构建热力***，根据热力***对应的多个子***的相似度，来对热力***进行集成化设计，实现了对热力***进行集成设计的标准化与规范化，相比于现有基于人工经验的集成设计方法，减少了设计人员工作量、充分发挥SysML建模的优势，有助于降低热力***的设计周期，提高设计效率。
在此，为了实现对整个热力***的集成优化，本实施例所示的方法还包括步骤S5，重复S2至S4，对热力***当中符合集成设计要求的所有子***完成集成设计，也就是在各子***的相似度过低不能进行集成设计时，停止集成设计操作。
其中，本实施例所示的利益攸关者是指在热力***设计、建造、测试、运行以及维护等全寿期生命过程中与之相关的人员或组织，如热力***的使用者、热力***施工方、热力***输出电力或动力的接收方、相关法律法规制订方、相关标准规范制订方等等。在此，利益攸关者需求就是各利益攸关者从自身关注点出发对待设计的热力***的要求。
参见图2所示，SysML在UML的图形语言基础上增加了需求图和参数图，并扩展了原有的图集来符合***工程领域的应用，如内部模块图，块定义图和活动图。SysM的九种图形可分为4类，分别是需求模型(需求图)、参数模型(参数图)、结构模型(块定义图、内部块图和包图)及行为模型(用例图、活动图、序列图和状态机图)。SysML图形的作用如表1所示。
表1：SysML图形的组成及其作用
基于上述实施例所示的方案，如图3所示，本实施例所示的依据利益攸关者的需求，采用SysML构建所述热力***的架构方案，包括但不限于如下步骤：
S11，获取所述利益攸关者的需求，采用SysML图形的需求图构建利益攸关者需求模型。
S12，根据所述利益攸关者需求模型，确定热力***需求，采用SysML图形的需求图构建***需求模型。
其中，热力***需求是根据上述利益攸关者的需求，为利于设计人员之间进行交流，对这些要求进行细化和形式化定义而得到的。不同于利益攸关者需求，***需求使用面向热力***设计领域的技术语言，按照明确、一致、连贯、详细等原则进行描述。热力***需求可分为功能性需求和非功能性需求，非功能性需求可细分为性能需求、六性需求、接口需求、标准规范需求等。
S13，采用SysML图形的活动图、序列图及状态机图对所述热力***进行黑盒描述，确定热力***功能需求。
其中，定热力***功能需求可理解为热力***需求的一种表征，是指热力***所具备的能力。以燃煤电站蒸汽动力***为例，其核心功能是吸收煤燃烧的化学能，并将其转换为电能。
S14，基于所述热力***功能需求，根据物理原理对所述热力***进行功能分类，将所述热力***划分为多个子***，采用SysML图形的块定义图和内部块图对所述热力***进行架构建模。
S15，根据物理原理对所述子***进行功能分类，采用SysML图形的块定义图和内部块图对所述子***进行架构建模。其中，内部块图包括代理端口(Proxy Port)和连接线(Connector)。
如图4所示，在上述实施例的基础上，在对子***进行架构建模的过程中，在Block基础上建立设备层构造型。
在此，设备层构造型包括不同类别的多种设备。例如，设备层构造型具体可包括设备、泵、阀门、换热器及透平等。
在上述技术方案基础上，可以将上述设备分类进一步细分，例如，泵从功能上可以分为水泵、油泵、气泵、真空泵等，泵从原理和结构上可以细分为离心泵、真空泵、螺杆泵、活塞泵、喷射泵等，从驱动力上可以细分为汽动泵、电动泵等。为便于后续集成设计的开展，优先选择在结构上有差异的细分方式。其中，在图4中，本实施例按照原理结构对泵进行了进一步划分。
如图5所示，基于上述实施例所示的方案，本实施例所示的计算热力***对应的多个子***的相似度，根据相似度筛选可进行集成设计的子***组合，包括但不限于如下步骤：
S21，根据SysML图形的内部块图，将多个子***分别转换为物质流-设备序列，物质流-设备序列的格式如下所示：
[物质流名称，设备类别1，设备类别2，…设备类别k-1，设备类别k]；
其中，k为大于或等于3的自然数，在物质流-设备序列中，设备类别为上述实施例所建立的设备层构造型；
在此，本实施例所示的步骤S21具体包括如下步骤：
S211，对通过所述子***对应的内部块图的其中一个边界端口的物质流的名称进行识别，沿物质流的流动方向对物质流流经的设备依次按顺序查找，直至到达内部块图的另一个边界端口；
具体地，在对设备进行查找时，本实施例可具体从子***地内部块图的一个边界端口出发，识别物质流的物质流名称，查找与其连接的端口及含有该端口的设备，然后从该设备的另一有相同物质流名称的端口出发，查找与其连接的端口及含有该端口的设备，以此类推，直到到达子***的内部块图另一端的边界端口。
S212，将物质流的名称与按顺序依次排布各个设备组成物质流-设备序列。
在此，S21进一步包括：S213，在子***包含多种物质流的情形下，重复S211至S212，遍历内部块图的所有边界端口，形成多个物质流-设备序列。
进一步地，为完成上述转变，本实施例可在执行步骤S211之前，首先将基于SysML架构的热力***以XMI规范存储为XML文件，然后，从XML文件中提取子***内部块图、内部元素和连接关系。
S22，根据物质流-设备序列，计算多个子***当中任意两者的相似度。
在此，本实施例设定两个子***对应的物质流-设备序列[m1,d11 d12,d13,…,d1k]与[m2,d21 d22,d23,…,d2l]，这两个子***的相似度p参照如下公式获取：
p＝p1p2；
其中，
在上式中，s(d1,d2)表示将设备序列d1变为设备序列d2的总操作次数，其中，操作包括***、删除和替换；d1＝[d11 d12,d13,…,d1k]，d2＝[d21 d22,d23,…,d2l]；max(k,l)表示设备序列d1对应的设备数量与设备序列d2对应的设备数量的最大值。
特别的，当两个物质流-设备序列的物质流名称不同时，则可显而易见地得知，两个子***的相似度为0，不具备集成设计的可能性。
在上述方案基础上，由于子***可拥有多个物质流-设备序列，因此，两个子***可有多个序列相似度，对相似度进行编号，可命名为[物质流1,物质流2,相似度]。
S23，对相似度进行排序，得到最大相似度，在最大相似度大于相似度临界值的情形下，将最大相似度对应的两个子***筛选为进行集成设计的子***组合。
在上述技术方案基础上，本实施例可在步骤S3对筛选的子***中的相似设备(具有相同构造型，表明具有类似功能结构)进行实例化后，再进行集成设计，以确认在热工水力性能方面能满足设计要求。
下面参照图6至图8，本发明在此结合具体实例对本实施例所示的基于SysML的热力***的集成方法进行具体说明。
如图6所示，本实施例可参照步骤S1所示的方法，对于电机冷却需求建立电机冷却子***的内部块图。
根据电机冷却子***的内部块图可知，冷却水通过边界端口Sin进入电机冷却子***，经进口阀和冷却水泵后，进入发电机带走热量，然后，在经过出口阀后，从边界端口Sout流出电机冷却子***。
基于上述实施例的步骤S21所示的方法，本实施例可将电机冷却子***的物质流-设备序列表示为[冷却水,截止阀,离心泵,电机,截止阀]，其中，截止阀为进口阀和出口阀的构造型，即进口阀和出口阀是截止阀的实体。类似地，冷却水泵是离心泵的实体，电机是设备这一较高构造型层级的实体，如图4所示。
相应地，如图7所示，本实施例可参照步骤S1所示的方法，对于滑油冷却需求建立滑油冷却子***的内部块图。
根据滑油冷却子***的内部块图可知，该滑油冷却子***包括冷却水与滑油这两种物质流。
其中，冷却水通过边界端口S1in进入滑油冷却子***，在经过进口阀与冷却水泵后，进入滑油换热器与滑油进行换热，吸热后的冷却水在经过出口阀后，由边界端口S1out流出滑油冷却子***。
与此同时，滑油通过边界端口S2in进入滑油换热器与冷却水进行换热，滑油在被冷却后，由边界端口S2out流出滑油冷却子***。
基于上述实施例的步骤S21所示的方法，在滑油冷却子***包括两种物质流的情形下，滑油冷却子***有两个物质流-设备序列，这两个物质流-设备序列分别表示为序列1与序列2。其中，序列1具体表示为[冷却水,截止阀,离心泵,管壳式换热器,截止阀]，序列2具体表示为[滑油,管壳式换热器]。
进一步地，基于上述实施例的步骤S22所示的方法，本实施例可对电机冷却子***和滑油冷却子***所对应的物质流-设备序列的相似度进行计算。
在此，由于电机冷却子***的物质流-设备序列和滑油冷却子***的序列2对应的物质流不相同，则电机冷却子***与滑油冷却子***在此情形下的相似度为0，不具备集成设计的可能性。
电机冷却子***的物质流-设备序列和滑油冷却子***的序列1对应的物质流相同，设备序列分别为[截止阀,离心泵,电机,截止阀]和[截止阀,离心泵,管壳式换热器,截止阀]，前一序列将“电机”替换为“管壳式换热器”，就可以变为后一序列，故编辑距离s(d1,d2)为1；序列中设备数量均为4，故max(k,l)＝4。计算得到两个序列的相似度为1-1/4＝0.75。
根据步骤S23，在相似度临界值取值为0.2时，则两个子***集成可能性较高。
进一步地，根据图1中步骤S3，对电机冷却子***和滑油冷却子***中的进口阀、冷却水泵和出口阀进行集成分析，由于两个子***的进口阀和出口阀均为截止阀，能够直接集成。两个子***的冷却水泵均为离心泵，集成后只要其流量满足滑油和电机的冷却需求即可，故也能够集成。
如此，本实施例可基于图1中的步骤S4，根据电机冷却子***和滑油冷却子***的集成设计结果，对热力架构方案进行更新，新的集成冷却子***如图8所示。
通过对比可知，图8所示的集成冷却子***相比于集成前的电机冷却子***与滑油冷却子***而言，明显减少了进口阀、冷却水泵和出口阀共3台设备，在一定程度上实现了热力***的集成化设计。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于SysML的热力***的集成方法，其特征在于，包括：
S1，依据利益攸关者的需求，采用SysML构建所述热力***的架构方案；
S2，计算所述热力***对应的多个子***的相似度，根据所述相似度筛选可进行集成设计的子***组合；
S3，将所述子***组合当中具备相同构造型的设备实例化，对所述设备开展集成设计分析；
S4，根据对所述设备的集成设计分析结果，完成所述多个子***的集成设计，更新所述热力***的架构方案；
S2进一步包括：
S21，根据SysML图形的内部块图，将所述多个子***分别转换为物质流-设备序列；
S22，根据所述物质流-设备序列，计算所述多个子***当中任意两者的相似度；
S23，对所述相似度进行排序，得到最大相似度，在最大相似度大于相似度临界值的情形下，将所述最大相似度对应的两个子***筛选为进行集成设计的子***组合；
S21进一步包括：
S211，对通过所述子***对应的内部块图的其中一个边界端口的物质流的名称进行识别，沿所述物质流的流动方向对所述物质流流经的设备依次按顺序查找，直至到达所述内部块图的另一个边界端口；
S212，将物质流的名称与按顺序依次排布各个设备组成物质流-设备序列；
对于两个子***对应的物质流-设备序列[m1,d11 d12,d13,…,d1k]与[m2,d21 d22,d23,…,d2l]，所述两个子***的相似度p参照如下公式获取：
其中，
在上式中，s(d1,d2)表示将设备序列d1变为设备序列d2的总操作次数，d1＝[d11 d12,d13,…,d1k]，d2＝[d21 d22,d23,…,d2l]；max(k,l)表示设备序列d1对应的设备数量与设备序列d2对应的设备数量的最大值。
2.根据权利要求1所述的基于SysML的热力***的集成方法，其特征在于，还包括：
S5，重复S2至S4，对所述热力***当中符合集成设计要求的所有子***完成集成设计。
3.根据权利要求1所述的基于SysML的热力***的集成方法，其特征在于，S1进一步包括：
S11，获取所述利益攸关者的需求，采用SysML图形的需求图构建利益攸关者需求模型；
S12，根据所述利益攸关者需求模型，确定热力***需求，采用SysML图形的需求图构建***需求模型；
S13，采用SysML图形的活动图、序列图及状态机图对所述热力***进行黑盒描述，确定热力***功能需求；
S14，基于所述热力***功能需求，根据物理原理对所述热力***进行功能分类，将所述热力***划分为多个子***，采用SysML图形的块定义图和内部块图对所述热力***进行架构建模；
S15，根据物理原理对所述子***进行功能分类，采用SysML图形的块定义图和内部块图对所述子***进行架构建模。
4.根据权利要求3所述的基于SysML的热力***的集成方法，其特征在于，在对所述子***进行架构建模的过程中，在Block基础上建立设备层构造型，所述设备层构造型包括不同类别的多种设备。
5.根据权利要求1所述的基于SysML的热力***的集成方法，其特征在于，S21进一步包括：
S213，在所述子***包含多种物质流的情形下，重复S211至S212，遍历所述内部块图的所有边界端口，形成多个物质流-设备序列。
6.根据权利要求1所述的基于SysML的热力***的集成方法，其特征在于，所述物质流-设备序列的格式如下所示：
[物质流名称，设备类别1，设备类别2，…设备类别k-1，设备类别k]；其中，k为大于或等于3的自然数。
7.根据权利要求5或6所述的基于SysML的热力***的集成方法，其特征在于，S21之前，还包括：
将基于SysML架构的热力***存储为XML文件；
从所述XML文件中提取所述子***的内部块图、内部元素和连接关系。
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