船用核動(dòng)力裝置智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)

呂 猛，王少明，馬 杰，蔡 莉，劉知彤

(1.海軍工程大學(xué)， 武漢 430000； 2.中國(guó)核科技信息與經(jīng)濟(jì)研究院, 北京 100048)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

船用核動(dòng)力裝置智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)

呂 猛1，王少明1，馬 杰1，蔡 莉2，劉知彤1

(1.海軍工程大學(xué)， 武漢 430000； 2.中國(guó)核科技信息與經(jīng)濟(jì)研究院, 北京 100048)

由于核動(dòng)力裝置固有的復(fù)雜性所引起的信息量的繁雜性與多樣性，以及元件耦合產(chǎn)生的報(bào)警交互性，運(yùn)行人員在事故情況下，往往難以做出正確的判斷和決策。為了提高船用核動(dòng)力裝置的安全性能，降低運(yùn)行人員誤判的概率，進(jìn)行了船用核動(dòng)力裝置智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)的研究，為合理使用報(bào)警信息分析系統(tǒng)提供了可行的方案。

核動(dòng)力裝置；智能報(bào)警信號(hào)；分析系統(tǒng)

船用核動(dòng)力裝置是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)行情況多變，安全性能要求很高。一旦發(fā)生故障，如果運(yùn)行人員處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致事故的惡性發(fā)展，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。然而在事故情況下，由于核動(dòng)力裝置固有的復(fù)雜性所引起的信息量的繁雜性與多樣性，以及元件耦合產(chǎn)生的報(bào)警交互性，運(yùn)行人員往往難以做出正確的判斷和決策。特別是在事故狀態(tài)下，控制室狹小的空間內(nèi)瞬間報(bào)警鈴聲驟起、報(bào)警燈齊亮，使得運(yùn)行人員精神驟然緊張，更加容易出現(xiàn)誤判斷和誤操作[1]。因此，在故障發(fā)生時(shí)分析報(bào)警信號(hào)，判斷各報(bào)警信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，盡可能準(zhǔn)確地判斷故障設(shè)備和故障性質(zhì)十分重要。

1 智能報(bào)警信號(hào)系統(tǒng)

智能報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)始于20世紀(jì)90年代后期。各國(guó)家根據(jù)幾十年的核電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)了不同水平的報(bào)警系統(tǒng)，并嵌入到運(yùn)行支持系統(tǒng)之中。與傳統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)相比，現(xiàn)代報(bào)警系統(tǒng)具有智能處理能力強(qiáng)、人機(jī)界面友好、軟件平臺(tái)易于開發(fā)等特點(diǎn)。目前常用的智能報(bào)警技術(shù)主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、故障樹方法、功能模型方法等[2]。

現(xiàn)代核電站對(duì)核動(dòng)力裝置的監(jiān)測(cè)和診斷大多都采用傳統(tǒng)的閾值方法。每一個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的閾值事先設(shè)定好，當(dāng)被測(cè)參數(shù)的信號(hào)超過了規(guī)定的閾值時(shí)，綜合控制臺(tái)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)或采取相應(yīng)的動(dòng)作。使用這種方法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)出異常情況時(shí)，一個(gè)報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生可能會(huì)引發(fā)多個(gè)報(bào)警信號(hào)。操作人員誤操作的主要原因便是對(duì)報(bào)警信號(hào)的分析處理不當(dāng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，核電站20%～90%的系統(tǒng)失效與人有關(guān)，其中直接或間接引發(fā)事故的概率為70%～90%[3-5]。前蘇聯(lián)切爾諾貝利4號(hào)機(jī)組事故便是由于運(yùn)行人員粗暴違反操作規(guī)程[6]。

2 船用核動(dòng)力裝置綜合報(bào)警系統(tǒng)

與核電站相比，船用核動(dòng)力裝置長(zhǎng)時(shí)間在海洋中運(yùn)行，其使用和管理在很大程度上依賴于操縱人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，缺乏有效的技術(shù)后援；同時(shí)受到海洋復(fù)雜環(huán)境的影響，加上裝置運(yùn)行產(chǎn)生的噪音、振動(dòng)和沖擊難以完全隔離和消除，運(yùn)行操縱人員工作環(huán)境舒適度差，工作周期長(zhǎng)，緊張和疲勞不易恢復(fù)，當(dāng)報(bào)警信號(hào)發(fā)生時(shí)容易發(fā)生誤判和誤操作。因此，要求能集中較多的專業(yè)知識(shí)和較復(fù)雜的邏輯思維和推理手段，在故障發(fā)生時(shí)判斷各報(bào)警信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，協(xié)助運(yùn)行人員做出正確的決策和采取相應(yīng)的補(bǔ)償和抑制措施，提高核動(dòng)力裝置運(yùn)行的安全性和可靠性[7]。

船用核動(dòng)力綜合報(bào)警系統(tǒng)主要通過綜合報(bào)警裝置和綜合顯示控制臺(tái)、各集中控制臺(tái)、軸系顯示表盤等設(shè)備上的警鐘、警鈴和報(bào)警光字牌實(shí)施聲光報(bào)警。按超過運(yùn)行限值(簡(jiǎn)稱越限)的參數(shù)和設(shè)備故障對(duì)船用核動(dòng)力裝置正常運(yùn)行的危害程度分為3級(jí)報(bào)警。各級(jí)報(bào)警由不同顏色的光字牌和警鈴共同給出。報(bào)警的內(nèi)容由被點(diǎn)亮的光字牌上的刻字標(biāo)明。

綜合報(bào)警系統(tǒng)的主要功能是當(dāng)核動(dòng)力裝置運(yùn)行工況出現(xiàn)異?；虿话踩那闆r時(shí)，向運(yùn)行人員發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員注意報(bào)警參數(shù)并采取相應(yīng)措施[8]。它的作用主要包括：① 維持正常運(yùn)行工況：當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)超過正常運(yùn)行工況閾值，或者核動(dòng)力裝置的運(yùn)行情況與相應(yīng)的前進(jìn)工況狀態(tài)不符合時(shí)，發(fā)出信息或報(bào)警提醒操作員關(guān)注報(bào)警參數(shù)及事態(tài)進(jìn)程，盡快采取措施消除報(bào)警，提高核動(dòng)力裝置的安全性；② 防止故障的發(fā)生：設(shè)備狀態(tài)異常或發(fā)生隨機(jī)故障時(shí)，及時(shí)給出系統(tǒng)故障報(bào)警；③ 事故的控制與緩解：發(fā)生異?；蚴鹿蕰r(shí)能夠觸發(fā)自動(dòng)停堆或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施動(dòng)作。

3 船用核動(dòng)力裝置智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)

船用核動(dòng)力裝置智能報(bào)警分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)，需有效地總結(jié)與開發(fā)已有的核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，充分利用船用核動(dòng)力裝置運(yùn)行產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及利用事故分析、特別是嚴(yán)重事故分析取得的各種事故進(jìn)程數(shù)據(jù)，由此形成訓(xùn)練樣本與知識(shí)判斷規(guī)則，這是提高智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)水平最重要的環(huán)節(jié)。對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行有效性確認(rèn)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分級(jí)及必要的推斷與分析處理、壓縮報(bào)警信號(hào)量，引入計(jì)算機(jī)化的報(bào)警響應(yīng)規(guī)程，提高系統(tǒng)的可靠性。

核動(dòng)力裝置智能報(bào)警分析系統(tǒng)的開發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1) 人工智能方法的應(yīng)用。將比較成熟的人工智能方法如專家系統(tǒng)[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]、故障樹等應(yīng)用到核動(dòng)力裝置報(bào)警分析領(lǐng)域，當(dāng)綜合控制臺(tái)因故障產(chǎn)生大量報(bào)警時(shí)，利用智能診斷技術(shù)分析報(bào)警元件，理清報(bào)警信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警的優(yōu)先級(jí)排序，高亮顯示與故障直接相關(guān)的主要報(bào)警，抑制次級(jí)報(bào)警。

2) 報(bào)警系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)。構(gòu)成報(bào)警系統(tǒng)界面的基本元素，如顯示格式、數(shù)據(jù)質(zhì)量和更新速度等，這些信息元素的組合要符合運(yùn)行人員的認(rèn)知習(xí)慣。對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行必要的邏輯分析，通過閃光頻率、亮度及顏色編碼等不同的顯示方式提交運(yùn)行人員。

3) 報(bào)警系統(tǒng)的交互能力。提高運(yùn)行人員與智能報(bào)警分析系統(tǒng)的交互水平，充分結(jié)合運(yùn)行人員豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和智能技術(shù)的邏輯推理能力，提高報(bào)警分析水平，降低誤判概率，同時(shí)考慮界面操作的方便易行。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中包括4個(gè)大的結(jié)構(gòu)模塊：① 參數(shù)輸入模塊：完成信息輸入、規(guī)范化處理與信息有效性確認(rèn)；② 報(bào)警分析與推理模塊：利用已有的核動(dòng)力裝置運(yùn)行積累的經(jīng)驗(yàn)、事故分析數(shù)據(jù)，通過基于知識(shí)、規(guī)則等進(jìn)行動(dòng)態(tài)分級(jí)，包括運(yùn)行工況確認(rèn)、因果關(guān)系確認(rèn)與重要性確認(rèn)、推理分析與判斷；③ 故障表達(dá)模塊：通過推理預(yù)測(cè)得到結(jié)論與建議，在系統(tǒng)的模擬圖、安全級(jí)的顯示器上給出報(bào)警信息，給出報(bào)警清單等；④ 知識(shí)庫補(bǔ)充反饋模塊。智能報(bào)警技術(shù)需不斷發(fā)展、不斷完善，并將新的綜合知識(shí)與規(guī)則補(bǔ)充結(jié)合到知識(shí)庫中。

智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)中報(bào)警信號(hào)分析流程圖如圖2所示。

3.1 報(bào)警信息預(yù)處理

當(dāng)報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)獲取報(bào)警信息。一旦接收到報(bào)警信息，就將報(bào)警信息存入信息庫，同時(shí)啟動(dòng)預(yù)處理功能。

報(bào)警信息預(yù)處理可以對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行預(yù)先處理，過濾掉明顯的假報(bào)警信息，留下待判斷的信息進(jìn)入系統(tǒng)，這樣大大減少了報(bào)警信息分析的數(shù)量，其中報(bào)警信息分類系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分類，報(bào)警信息預(yù)處理可以讀取報(bào)警信息的分類，忽略假報(bào)警信息。

圖1 船用核動(dòng)力裝置智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 報(bào)警信號(hào)分析流程

3.2 報(bào)警推理子系統(tǒng)

智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)可以將輸入的報(bào)警信息進(jìn)行直接或者間接顯示，但如果忽略了各報(bào)警信息之間的相互影響交互性，則無法為操作人員提供有效的報(bào)警信息。針對(duì)此問題，在智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)中引入報(bào)警推理子系統(tǒng)，運(yùn)用成熟的人工智能方法對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行推理，得出源頭報(bào)警信息。

報(bào)警推理子系統(tǒng)的推理是以知識(shí)庫為基礎(chǔ)的，知識(shí)的準(zhǔn)確性直接影響最后的診斷結(jié)果。報(bào)警推理規(guī)則存放于知識(shí)庫當(dāng)中，并進(jìn)行統(tǒng)一的管理更新。運(yùn)用知識(shí)庫中儲(chǔ)存的報(bào)警分析規(guī)則對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分析推理，得出最后結(jié)果，將其呈現(xiàn)到屏幕上，為操作員提供幫助。

4 實(shí)例分析

給水系統(tǒng)故障可能是指由于給水控制系統(tǒng)故障或操作員失誤使一個(gè)給水控制閥處于完全開啟狀態(tài)，其結(jié)果將引起蒸汽發(fā)生器給水流量過度增加。給水流量的增加使反應(yīng)堆冷卻劑溫度降低，同時(shí)由于慢化劑效應(yīng)，反應(yīng)堆功率增加。如給水的不斷增加，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水位不斷上升。雖然蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力變化不大，但出口蒸汽品質(zhì)的惡化會(huì)給二回路的用汽設(shè)備帶來不良影響，有可能造成蒸汽發(fā)生器二次側(cè)滿水。

模擬雙泵高速工況下，將1#給水調(diào)節(jié)閥完全開啟，模擬給水調(diào)節(jié)閥卡滯故障。采集故障發(fā)生后關(guān)鍵變量的一個(gè)瞬態(tài)樣本如表1所示。其中正常值經(jīng)處理后變?yōu)?，監(jiān)測(cè)值為其百分比。

當(dāng)給水流量增加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較多的報(bào)警。報(bào)警信息輸入的同時(shí)會(huì)有假的報(bào)警信息，比如蒸汽發(fā)生器壓力的報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信息首先輸入到報(bào)警預(yù)處理系統(tǒng)中，根據(jù)知識(shí)庫中儲(chǔ)存的經(jīng)驗(yàn)信息可以知道如果是蒸汽發(fā)生器壓力是問題的根源，那么其值是減小的，比較其測(cè)量值發(fā)現(xiàn)兩者不一致，那么該報(bào)警即為假的報(bào)警信息可以過濾掉。因此可以在子系統(tǒng)中過濾大量的假報(bào)警信息。

表1 給水系統(tǒng)故障的瞬態(tài)樣本

無法第一時(shí)間過濾的報(bào)警信息將被送入報(bào)警推理系統(tǒng)。運(yùn)用一定的算法和推理技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過變量的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值可以判斷相關(guān)報(bào)警是否為真報(bào)警。例如給1#水調(diào)節(jié)閥開度增大報(bào)警時(shí)，則1#蒸汽發(fā)生器給水流量增大、1#蒸汽發(fā)生器水位增加、1#蒸汽發(fā)生器壓力增加、1#蒸汽發(fā)生器蒸汽流量增加、左環(huán)路平均溫度降低、反應(yīng)堆功率增加、主冷凝器水位增加、真空度增加。這幾個(gè)變量的狀態(tài)量分別是(+)、(+)、(+)、(+)、(-)、(+)、(+)、(+)，推斷值與測(cè)量值一致，那么報(bào)警信號(hào)就是真的。

最后通過分析所有的報(bào)警信息可以得出報(bào)警源是由于給水調(diào)節(jié)閥開度增大，給水調(diào)節(jié)閥就是源故障部件。將結(jié)果迅速顯示在結(jié)果屏幕上，操作人員可以迅速做出準(zhǔn)確的操作。

5 結(jié)論

1) 船用核動(dòng)力裝置報(bào)警系統(tǒng)大多采用模擬式信號(hào)處理的單點(diǎn)報(bào)警技術(shù)，其智能程度低，一旦發(fā)生異常或事故，運(yùn)行人員在短時(shí)間內(nèi)很難做出正確的判斷并采取相應(yīng)的措施；

2) 核動(dòng)力裝置智能報(bào)警分析系統(tǒng)可以在報(bào)警超出運(yùn)行人員的處理能力時(shí)，不會(huì)因?yàn)檠┍蓝鴮?dǎo)致癱瘓；

3) 區(qū)分重要報(bào)警和非重要報(bào)警，同時(shí)識(shí)別各個(gè)報(bào)警信號(hào)的先后順序、邏輯關(guān)系以及其所處的狀態(tài)，可為運(yùn)行人員在故障早期準(zhǔn)確判斷核動(dòng)力裝置情況提供幫助；

4) 在成熟的人工智能系統(tǒng)幫助下，開發(fā)核動(dòng)力裝置智能報(bào)警分析系統(tǒng)，提高核動(dòng)力裝置的安全性是十分有必要的。

[1] 高景輝,邢宏傳,張榮華,等.微機(jī)型船用核動(dòng)力工程仿真系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)[J].原子能科學(xué)技術(shù),2004(6):533-536.

[2] BHATNAGAR RAJIV,MILLER DON W,HAJEK BRIAN K,et al.An integrated operator advisor system for plant monitoring,procedure management and diagnosis[J].Nuclear Safety,1990,89:281-317.

[3] 陳濟(jì)東.大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行(上冊(cè)).北京:原子能出版社,1994:1-2.

[4] 張力,黃署東,黃祥瑞,等.人因可靠性分析方法[J].中國(guó)安全科學(xué)報(bào),2001,11(3):6-16.

[5] 成守宇,王賀,彭敏俊,等.核動(dòng)力裝置運(yùn)行支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].核動(dòng)力工程,2010,30(4):325-332.

[6] 顧少白.切爾諾貝利核電站事故對(duì)世界核電發(fā)展的影響[J].世界經(jīng)濟(jì)研究,1987(1):22-27，66.

[7] 王秋彥.故障診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2009(4):86-87.

[8] 楊利彪,楊揚(yáng).火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].電氣應(yīng)用,2011,31(2):71-77.

[9] 晁進(jìn),劉文穎.基于多智能體和專家系統(tǒng)的電網(wǎng)智能報(bào)警系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電力,2010,10(5):27.

[10] 周剛,楊立.核電廠智能診斷方法研究的進(jìn)展[J].原子能科學(xué)技術(shù),2008,42(s1):92-99.

(責(zé)任編輯周江川)

MarineNuclearPowerPlantIntelligentAlarmSignalAnalysisSystemResearch

LYU Meng1， WANG Shaoming1， MA Jie1， CAI Li2， LIU Zhitong1

(1.Naval University of Engineering, Wuhan 430000, China; 2.China Institute of Nuclear Information & Economics, Beijing 100048, China)

In accident cases, for the complex and diversity of information caused by the inherent complexity of nuclear power and the alarm of interactivity caused by the element coupling, operators often struggle to make the right judgment and decision making.In order to improve the safety of Marine nuclear power plant performance and reduce the probability of operating personnel judgment, it is important to research the nuclear power plant intelligent alarm system.This paper provides a feasible scheme for the analysis of alarm system.

nuclear power plant; intelligent alarm signal; analysis system

2017-04-20；

：2017-05-30

呂猛(1992—)，男，碩士研究生，主要從事核動(dòng)力控制與運(yùn)行研究。

王少明(1962—)，男，教授，主要從事核動(dòng)力裝置運(yùn)行分析與仿真技術(shù)研究，

10.11809/scbgxb2017.09.016

format:LYU Meng，WANG Shaoming，MA Jie,et al.Marine Nuclear Power Plant Intelligent Alarm Signal Analysis System Research[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):77-80.

U674.921

：A

2096-2304(2017)09-0077-04

本文引用格式：呂猛，王少明，馬杰，等.船用核動(dòng)力裝置智能報(bào)警信號(hào)分析系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):77-80.