船用核動力裝置智能報警信號分析系統

呂 猛，王少明，馬 杰，蔡 莉，劉知彤

(1.海軍工程大學， 武漢 430000； 2.中國核科技信息與經濟研究院, 北京 100048)

【裝備理論與裝備技術】

船用核動力裝置智能報警信號分析系統

呂 猛1，王少明1，馬 杰1，蔡 莉2，劉知彤1

(1.海軍工程大學， 武漢 430000； 2.中國核科技信息與經濟研究院, 北京 100048)

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

核動力裝置；智能報警信號；分析系統

船用核動力裝置是一個復雜的動態系統，運行情況多變，安全性能要求很高。一旦發生故障，如果運行人員處理不當，可能導致事故的惡性發展，產生災難性后果。然而在事故情況下，由于核動力裝置固有的復雜性所引起的信息量的繁雜性與多樣性，以及元件耦合產生的報警交互性，運行人員往往難以做出正確的判斷和決策。特別是在事故狀態下，控制室狹小的空間內瞬間報警鈴聲驟起、報警燈齊亮，使得運行人員精神驟然緊張，更加容易出現誤判斷和誤操作[1]。因此，在故障發生時分析報警信號，判斷各報警信號之間的邏輯關系，盡可能準確地判斷故障設備和故障性質十分重要。

1 智能報警信號系統

智能報警系統開發始于20世紀90年代后期。各國家根據幾十年的核電運行經驗，結合計算機技術，開發了不同水平的報警系統，并嵌入到運行支持系統之中。與傳統的報警系統相比，現代報警系統具有智能處理能力強、人機界面友好、軟件平臺易于開發等特點。目前常用的智能報警技術主要有神經網絡方法、故障樹方法、功能模型方法等[2]。

現代核電站對核動力裝置的監測和診斷大多都采用傳統的閾值方法。每一個監測參數的閾值事先設定好，當被測參數的信號超過了規定的閾值時，綜合控制臺就會發出報警信號或采取相應的動作。使用這種方法進行狀態監測，當檢測出異常情況時，一個報警信號的產生可能會引發多個報警信號。操作人員誤操作的主要原因便是對報警信號的分析處理不當。據統計，核電站20%～90%的系統失效與人有關，其中直接或間接引發事故的概率為70%～90%[3-5]。前蘇聯切爾諾貝利4號機組事故便是由于運行人員粗暴違反操作規程[6]。

2 船用核動力裝置綜合報警系統

與核電站相比，船用核動力裝置長時間在海洋中運行，其使用和管理在很大程度上依賴于操縱人員的經驗和技能，缺乏有效的技術后援；同時受到海洋復雜環境的影響，加上裝置運行產生的噪音、振動和沖擊難以完全隔離和消除，運行操縱人員工作環境舒適度差，工作周期長，緊張和疲勞不易恢復，當報警信號發生時容易發生誤判和誤操作。因此，要求能集中較多的專業知識和較復雜的邏輯思維和推理手段，在故障發生時判斷各報警信號之間的邏輯關系，協助運行人員做出正確的決策和采取相應的補償和抑制措施，提高核動力裝置運行的安全性和可靠性[7]。

船用核動力綜合報警系統主要通過綜合報警裝置和綜合顯示控制臺、各集中控制臺、軸系顯示表盤等設備上的警鐘、警鈴和報警光字牌實施聲光報警。按超過運行限值(簡稱越限)的參數和設備故障對船用核動力裝置正常運行的危害程度分為3級報警。各級報警由不同顏色的光字牌和警鈴共同給出。報警的內容由被點亮的光字牌上的刻字標明。

綜合報警系統的主要功能是當核動力裝置運行工況出現異常或不安全的情況時，向運行人員發出聲光報警信號，提醒運行人員注意報警參數并采取相應措施[8]。它的作用主要包括：① 維持正常運行工況：當系統參數超過正常運行工況閾值，或者核動力裝置的運行情況與相應的前進工況狀態不符合時，發出信息或報警提醒操作員關注報警參數及事態進程，盡快采取措施消除報警，提高核動力裝置的安全性；② 防止故障的發生：設備狀態異常或發生隨機故障時，及時給出系統故障報警；③ 事故的控制與緩解：發生異常或事故時能夠觸發自動停堆或專設安全設施動作。

3 船用核動力裝置智能報警信號分析系統

船用核動力裝置智能報警分析系統設計和開發，需有效地總結與開發已有的核動力裝置設計技術與經驗，充分利用船用核動力裝置運行產生的歷史數據、實際的運行經驗以及利用事故分析、特別是嚴重事故分析取得的各種事故進程數據，由此形成訓練樣本與知識判斷規則，這是提高智能報警信號分析系統水平最重要的環節。對報警信號進行有效性確認、靜態和動態分級及必要的推斷與分析處理、壓縮報警信號量，引入計算機化的報警響應規程，提高系統的可靠性。

核動力裝置智能報警分析系統的開發，重點關注以下幾個方面：

1) 人工智能方法的應用。將比較成熟的人工智能方法如專家系統[9]、神經網絡[10]、故障樹等應用到核動力裝置報警分析領域，當綜合控制臺因故障產生大量報警時，利用智能診斷技術分析報警元件，理清報警信號之間的邏輯關系，同時進行報警的優先級排序，高亮顯示與故障直接相關的主要報警，抑制次級報警。

2) 報警系統的界面設計。構成報警系統界面的基本元素，如顯示格式、數據質量和更新速度等，這些信息元素的組合要符合運行人員的認知習慣。對報警信號進行必要的邏輯分析，通過閃光頻率、亮度及顏色編碼等不同的顯示方式提交運行人員。

3) 報警系統的交互能力。提高運行人員與智能報警分析系統的交互水平，充分結合運行人員豐富的運行經驗和智能技術的邏輯推理能力，提高報警分析水平，降低誤判概率，同時考慮界面操作的方便易行。

本文設計開發智能報警信號分析系統的結構框圖如圖1所示，其中包括4個大的結構模塊：① 參數輸入模塊：完成信息輸入、規范化處理與信息有效性確認；② 報警分析與推理模塊：利用已有的核動力裝置運行積累的經驗、事故分析數據，通過基于知識、規則等進行動態分級，包括運行工況確認、因果關系確認與重要性確認、推理分析與判斷；③ 故障表達模塊：通過推理預測得到結論與建議，在系統的模擬圖、安全級的顯示器上給出報警信息，給出報警清單等；④ 知識庫補充反饋模塊。智能報警技術需不斷發展、不斷完善，并將新的綜合知識與規則補充結合到知識庫中。

智能報警信號分析系統中報警信號分析流程圖如圖2所示。

3.1 報警信息預處理

當報警信號出現時，智能報警信號分析系統會主動獲取報警信息。一旦接收到報警信息，就將報警信息存入信息庫，同時啟動預處理功能。

報警信息預處理可以對報警信息進行預先處理，過濾掉明顯的假報警信息，留下待判斷的信息進入系統，這樣大大減少了報警信息分析的數量，其中報警信息分類系統利用數據挖掘技術對報警信息進行分類，報警信息預處理可以讀取報警信息的分類，忽略假報警信息。

圖1 船用核動力裝置智能報警信號分析系統結構框圖

圖2 報警信號分析流程

3.2 報警推理子系統

智能報警信號分析系統可以將輸入的報警信息進行直接或者間接顯示，但如果忽略了各報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警信息。針對此問題，在智能報警信號分析系統中引入報警推理子系統，運用成熟的人工智能方法對報警信息進行推理，得出源頭報警信息。

報警推理子系統的推理是以知識庫為基礎的，知識的準確性直接影響最后的診斷結果。報警推理規則存放于知識庫當中，并進行統一的管理更新。運用知識庫中儲存的報警分析規則對報警信息進行分析推理，得出最后結果，將其呈現到屏幕上，為操作員提供幫助。

4 實例分析

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

模擬雙泵高速工況下，將1#給水調節閥完全開啟，模擬給水調節閥卡滯故障。采集故障發生后關鍵變量的一個瞬態樣本如表1所示。其中正常值經處理后變為1，監測值為其百分比。

當給水流量增加時，會產生比較多的報警。報警信息輸入的同時會有假的報警信息，比如蒸汽發生器壓力的報警信號。報警信息首先輸入到報警預處理系統中，根據知識庫中儲存的經驗信息可以知道如果是蒸汽發生器壓力是問題的根源，那么其值是減小的，比較其測量值發現兩者不一致，那么該報警即為假的報警信息可以過濾掉。因此可以在子系統中過濾大量的假報警信息。

表1 給水系統故障的瞬態樣本

無法第一時間過濾的報警信息將被送入報警推理系統。運用一定的算法和推理技術進行驗證。通過變量的預測值和實際值可以判斷相關報警是否為真報警。例如給1#水調節閥開度增大報警時，則1#蒸汽發生器給水流量增大、1#蒸汽發生器水位增加、1#蒸汽發生器壓力增加、1#蒸汽發生器蒸汽流量增加、左環路平均溫度降低、反應堆功率增加、主冷凝器水位增加、真空度增加。這幾個變量的狀態量分別是(+)、(+)、(+)、(+)、(-)、(+)、(+)、(+)，推斷值與測量值一致，那么報警信號就是真的。

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

5 結論

1) 船用核動力裝置報警系統大多采用模擬式信號處理的單點報警技術，其智能程度低，一旦發生異常或事故，運行人員在短時間內很難做出正確的判斷并采取相應的措施；

2) 核動力裝置智能報警分析系統可以在報警超出運行人員的處理能力時，不會因為雪崩而導致癱瘓；

3) 區分重要報警和非重要報警，同時識別各個報警信號的先后順序、邏輯關系以及其所處的狀態，可為運行人員在故障早期準確判斷核動力裝置情況提供幫助；

4) 在成熟的人工智能系統幫助下，開發核動力裝置智能報警分析系統，提高核動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.微機型船用核動力工程仿真系統初步設計[J].原子能科學技術,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] 陳濟東.大亞灣核電站系統及運行(上冊).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].中國安全科學報,2001,11(3):6-16.

[5] 成守宇,王賀,彭敏俊,等.核動力裝置運行支持系統的設計與開發[J].核動力工程,2010,30(4):325-332.

[6] 顧少白.切爾諾貝利核電站事故對世界核電發展的影響[J].世界經濟研究,1987(1):22-27，66.

[7] 王秋彥.故障診斷技術研究現狀及發展趨勢[J].電子測量技術,2009(4):86-87.

[8] 楊利彪,楊揚.火災自動報警系統設計改進[J].電氣應用,2011,31(2):71-77.

[9] 晁進,劉文穎.基于多智能體和專家系統的電網智能報警系統研究[J].現代電力,2010,10(5):27.

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

(責任編輯周江川)

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，主要從事核動力控制與運行研究。

王少明(1962—)，男，教授，主要從事核動力裝置運行分析與仿真技術研究，

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.船用核動力裝置智能報警信號分析系統[J].兵器裝備工程學報，2017(9):77-80.