劉思媛，陳永忠，韓利峰，余嘉莉

（1.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

熔鹽堆是將核燃料熔在用作冷卻劑的液態(tài)氟化鹽中的一種液態(tài)燃料堆，因其更好的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性成為6種第四代核反應(yīng)堆中的堆型之一[1]。中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR），采用熔鹽堆作為系統(tǒng)研究堆型，通過研制2MWt液體燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（簡(jiǎn)稱TMSR-LF1）等一系列反應(yīng)堆，實(shí)現(xiàn)基于釷基燃料的核能綜合利用[2]。

TMSR-LF1熔鹽堆當(dāng)前尚處于安裝階段，堆內(nèi)設(shè)備數(shù)量多達(dá)數(shù)千臺(tái)，因而LF1熔鹽堆安裝、調(diào)試、運(yùn)行階段均需密切關(guān)注設(shè)備管理，包括設(shè)備信息管理、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已有核電設(shè)備管理系統(tǒng)建設(shè)的應(yīng)用實(shí)例，例如核電廠熱交換器信息管理[3]、反應(yīng)堆退役廢物管理[4]、反應(yīng)堆信息管理系統(tǒng)[5]等，可以證明設(shè)備管理系統(tǒng)能夠有效解決信息管理不科學(xué)、信息調(diào)用不便、現(xiàn)場(chǎng)管理效率低下等問題，使反應(yīng)堆的設(shè)備管理更高效、更精準(zhǔn)、更便捷。

分析以上實(shí)例，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套包含小程序與Web平臺(tái)的多終端的設(shè)備信息管理系統(tǒng)。面向TMSR-LF1熔鹽堆系統(tǒng)，梳理整合熔鹽堆內(nèi)各系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)等邏輯關(guān)聯(lián)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，并基于數(shù)據(jù)庫(kù)，利用二維碼技術(shù)、Web開發(fā)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息管理功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)，旨在輔助熔鹽堆現(xiàn)場(chǎng)操作人員實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的融合調(diào)用以及設(shè)備的智能化管理，提高設(shè)備的安裝調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)管理效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

1）更高效的TMSR-LF1熔鹽堆設(shè)備信息管理。LF1熔鹽堆共10余個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下又涵蓋眾多子系統(tǒng)或設(shè)備，設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)、輸出參數(shù)、物項(xiàng)信息、IO信息等數(shù)據(jù)不一而足；同時(shí)大部分設(shè)備信息尚分散于各文件，形成“信息孤島”。這便導(dǎo)致，在LF1熔鹽堆工程現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備信息往往難以查詢或獲取的設(shè)備信息有誤。因此，需要建立合理科學(xué)的設(shè)備信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及設(shè)備信息管理平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息融合調(diào)用。

2）提高設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理效率。在熔鹽堆的安裝、調(diào)試階段，由于設(shè)備間的線纜物理參數(shù)多、外形難區(qū)分，往往容易導(dǎo)致線纜與設(shè)備安裝效率低，甚至安裝錯(cuò)誤的情況發(fā)生。然而，實(shí)際工程對(duì)設(shè)備準(zhǔn)確度要求極高，不允許任何差池，故而一個(gè)精細(xì)化管理設(shè)備與線纜的應(yīng)用是非常必需的。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)堆現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工作人員使用的應(yīng)用設(shè)備有一定便攜性要求，因而這個(gè)應(yīng)用亦需建立移動(dòng)客戶端，綜合實(shí)現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理效率的提升。

3）實(shí)現(xiàn)熔鹽堆運(yùn)行工況的反饋。在熔鹽堆運(yùn)行階段，熔鹽堆共有完全停堆態(tài)等5種運(yùn)行狀態(tài)。不同狀態(tài)下反應(yīng)堆內(nèi)熔鹽燃料、設(shè)備等所處狀態(tài)不同，操作員將要進(jìn)行的下一步操作亦不同。因此，需及時(shí)反饋熔鹽堆內(nèi)運(yùn)行工況，避免出現(xiàn)操作員操作失誤問題。

1.2 功能分析

分析以上需求確定本系統(tǒng)的核心目標(biāo)，是通過Web應(yīng)用的方式實(shí)現(xiàn)TMSR-LF1熔鹽堆內(nèi)大量且分散的設(shè)備數(shù)據(jù)及文件等的科學(xué)管理，支持設(shè)備信息的融合調(diào)用、跨平臺(tái)調(diào)用。

同時(shí)針對(duì)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)管理問題，采用二維碼技術(shù)，基于Web應(yīng)用和移動(dòng)端應(yīng)用完成“設(shè)備信息錄入——生成二維碼——現(xiàn)場(chǎng)掃碼獲取信息”的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)一線纜一碼，使現(xiàn)場(chǎng)線纜與設(shè)備管理更精細(xì)、更便捷[6]。

綜上，將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為以PC端Web應(yīng)用為主，移動(dòng)端微信小程序?yàn)檩o的多終端系統(tǒng)，小程序借助二維碼輔助現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理，Web應(yīng)用實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的綜合管理，并通過二維碼管理為微信小程序提供支持。

該系統(tǒng)具體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 功能模塊圖Fig.1 The architecture of functions

Web客戶端功能模塊：

1）設(shè)備參數(shù)與文件管理模塊：按照LF1熔鹽堆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—子系統(tǒng)—設(shè)備的結(jié)構(gòu)，分類管理各系統(tǒng)及設(shè)備的所有參數(shù)數(shù)據(jù)和相關(guān)文件。參數(shù)管理方面，設(shè)備所有參數(shù)數(shù)據(jù)，包括物項(xiàng)信息、各項(xiàng)參數(shù)，如輸出參數(shù)、輔助工藝參數(shù)等，均以數(shù)據(jù)表的形式展示，并支持對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改、查詢等操作；文件管理方面，支持相關(guān)文件的下載、刪除，以及新文件的上傳。

2）線纜信息與二維碼管理模塊：模塊可分為線纜信息管理與線纜二維碼管理兩方面。線纜信息管理部分整合LF1熔鹽堆所有主工藝線纜信息，包括線纜起終點(diǎn)連接設(shè)備及設(shè)備描述信息、線纜規(guī)格型號(hào)等，以數(shù)據(jù)表形式展示，支持線纜信息查詢、信息錄入與更新；線纜二維碼管理部分則統(tǒng)計(jì)線纜是否具備二維碼的情況，對(duì)不具備二維碼的線纜支持生成二維碼、下載二維碼圖片。

3）系統(tǒng)運(yùn)行工況反饋模塊：模塊主要展示熔鹽堆內(nèi)運(yùn)行工況，支持運(yùn)行工況的新增，以及歷史運(yùn)行工況的查詢與展示。

4）系統(tǒng)管理模塊：該模塊主要為系統(tǒng)用戶管理以及權(quán)限管理，包括用戶信息管理、用戶信息增刪改查、用戶權(quán)限的分配與修改等。

微信小程序客戶端功能模塊：

主要提供線纜查詢能力，包括線纜掃碼查詢與線纜模糊查詢，支持用戶通過掃描現(xiàn)場(chǎng)二維碼、手動(dòng)輸入關(guān)鍵詞兩種形式，直接查詢并獲取線纜所有信息。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)，采用前后端分離的MVC架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。前后端分離模式的思想將Web開發(fā)分成前端與后端兩部分，前端負(fù)責(zé)頁面渲染、路由控制以及處理請(qǐng)求等，后端負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯并提供數(shù)據(jù)接口，前端調(diào)用后端接口即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]。

系統(tǒng)整體分層架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)圖Fig.2 The architecture of system implement

如圖2所示，該系統(tǒng)整體按照MVC結(jié)構(gòu)分為前端視圖層、后端控制層和后端數(shù)據(jù)層。

前端視圖層設(shè)計(jì)頁面效果，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的兩大客戶端中，微信小程序視圖層基于微信原生WXML框架搭建，Web系統(tǒng)視圖層則基于Vue.js框架搭建，并利用Element-UI框架實(shí)現(xiàn)界面UI。

視圖層與控制層間通過Axios請(qǐng)求交互。前端請(qǐng)求調(diào)用后端的RESTful API接口，后端處理請(qǐng)求完畢后，將結(jié)果以JSON格式返回前端。

后端控制層采用Python的Flask框架搭建，控制訪問并基于數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)模型完成業(yè)務(wù)邏輯處理。

后端數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)操作，通過建立數(shù)據(jù)類來描述數(shù)據(jù)庫(kù)中各表，支持邏輯層通過操作對(duì)象來操作數(shù)據(jù)庫(kù)[8]，完成數(shù)據(jù)庫(kù)表的增、刪、改、查相關(guān)操作。該系統(tǒng)使用SQLAlchemy類作為數(shù)據(jù)持久化工具。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)過程分為需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)四階段，本文主要介紹該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

將LF1熔鹽堆10余個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)百臺(tái)設(shè)備等抽象為“系統(tǒng)—設(shè)備/子系統(tǒng)—子設(shè)備/設(shè)備物項(xiàng)—設(shè)備信號(hào)”的樹狀模型，并從該模型出發(fā)建立數(shù)據(jù)關(guān)系。

在熔鹽堆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備方面，梳理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下所有主要設(shè)備以及系統(tǒng)總體參數(shù)，建立系統(tǒng)表、系統(tǒng)設(shè)備表、系統(tǒng)參數(shù)表；圍繞設(shè)備分別建立設(shè)備物項(xiàng)分級(jí)表、系統(tǒng)下設(shè)備參數(shù)表、設(shè)備文件表。

在設(shè)備信號(hào)方面，因LF1熔鹽堆設(shè)備運(yùn)行期間，將由不同元件采集設(shè)備數(shù)據(jù)產(chǎn)生IO信號(hào)，每一個(gè)信號(hào)代表不同的設(shè)備運(yùn)行信息，所有IO信號(hào)由不同線纜傳輸至控制柜進(jìn)行處理。IO信號(hào)以及所代表的設(shè)備運(yùn)行信息均為系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此建立設(shè)備IO清單、線纜表。

在系統(tǒng)運(yùn)行方面，圍繞系統(tǒng)運(yùn)行工況反饋需求建立運(yùn)行工況表。

具體數(shù)據(jù)庫(kù)表關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)表關(guān)系Fig.3 Relationships among database tables

4 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

4.1 Web系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

Web系統(tǒng)前端視圖層采用Vue.js框架搭建，該框架的核心在于組件化開發(fā)。基于這一特點(diǎn)，該系統(tǒng)構(gòu)建側(cè)邊欄、參數(shù)表、IO表等子組件，將各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頁面作為父組件調(diào)用各子組件，并以傳值的方式完成父子組件間通信。

設(shè)備參數(shù)模塊、系統(tǒng)工況模塊、線纜信息管理模塊中的數(shù)據(jù)刪、改操作，由視圖層傳遞數(shù)據(jù)id至控制層查找數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息，并執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)刪操作；數(shù)據(jù)增加，視圖層通過建立新的reactive響應(yīng)數(shù)組，F(xiàn)orm表單綁定數(shù)據(jù)傳入數(shù)組，隨即傳遞數(shù)組至控制層建立新數(shù)據(jù)對(duì)象，提交數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)新增；數(shù)據(jù)模糊查詢則是通過視圖層建立響應(yīng)數(shù)組，v-model標(biāo)簽綁定用戶輸入的關(guān)鍵詞，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢后返回?cái)?shù)據(jù)集合。

圖4 Web系統(tǒng)熔鹽制備與熔鹽預(yù)處理子系統(tǒng)頁Fig.4 The page of molten salt preparation and molten salt pretreatment subsystem

圖5 小程序部分頁面Fig.5 Pages of Wechat mini program

設(shè)備文件管理模塊中文件上傳功能通過調(diào)用element組件庫(kù)中的el-upload組件實(shí)現(xiàn)；下載功能首先傳遞文件名至后端獲取對(duì)應(yīng)的blob文件流，解析后利用html進(jìn)行下載。

線纜二維碼管理模塊中，視圖層建立含cable_id和start_device的JSON格式數(shù)據(jù)，控制層引入Python的QRCode庫(kù)，將該JSON作為信息生成二維碼以及圖片，二維碼圖片進(jìn)行base64編碼后返回前端完成在頁面的展示，并通過html實(shí)現(xiàn)二維碼下載，關(guān)鍵代碼如下：

以上視圖層與控制層間通信的Restful API是一套基于HTTP協(xié)議開發(fā)的統(tǒng)一的后端接口，利用Flask-RESTful類編寫。API通過route裝飾器將業(yè)務(wù)邏輯處理方法綁定至URL，Axios請(qǐng)求訪問URL地址后即可調(diào)用對(duì)應(yīng)的邏輯處理方法。選擇部分API說明作為示例，見表1。

表1 Web系統(tǒng)RESTful API設(shè)計(jì)（部分）Table1 API interface design of Web system (Part)

4.2 小程序?qū)崿F(xiàn)

小程序線纜二維碼查詢功能，首先由視圖層調(diào)用wx.scanCode()方法掃描二維碼獲取二維碼信息，即含cable_id和start_device的JSON數(shù)據(jù)，傳遞至控制層解析JSON獲取cable_id等參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)后返回?cái)?shù)據(jù)。

線纜模糊查詢功能，通過視圖層setData()方法綁定用戶輸入關(guān)鍵詞，控制層執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢后返回?cái)?shù)據(jù)集合。關(guān)鍵代碼如下：

5 結(jié)語

本文在分析TMSR-LF1熔鹽堆現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備信息管理需求基礎(chǔ)上，結(jié)合二維碼技術(shù)提出一線纜一碼的思路，并設(shè)計(jì)了一套含微信小程序客戶端與PC客戶端的多終端設(shè)備信息管理系統(tǒng)，包含線纜信息與二維碼管理、設(shè)備參數(shù)與文件管理、系統(tǒng)運(yùn)行工況管理等幾個(gè)模塊。本文基于功能模塊設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，并綜合運(yùn)用Vue.js前端框架、Python Flask后端框架完成功能開發(fā)。該系統(tǒng)測(cè)試功能良好，下一步將豐富頁面可視化效果，對(duì)更多不同種類數(shù)據(jù)的管理進(jìn)行探索。