本發(fā)明涉及一種混合式核電站故障診斷方法，屬于故障診斷技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

核電站具有潛在的放射性釋放危險(xiǎn)，一旦發(fā)生事故，其對(duì)周邊環(huán)境甚至全球生態(tài)的影響將十分嚴(yán)重。核能發(fā)展史上幾次嚴(yán)重的核事故使人們認(rèn)識(shí)到只依靠主控室操縱員進(jìn)行操作和響應(yīng)極有可能導(dǎo)致人因失誤。雖然數(shù)字化儀控系統(tǒng)可以幫助操縱員識(shí)別異常，但是它無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)破口等突變型故障進(jìn)行診斷分析，因此應(yīng)進(jìn)一步研究快速有效、準(zhǔn)確率高的故障診斷方法，從而保證核電站的運(yùn)行安全性。

故障診斷是根據(jù)系統(tǒng)的異常征兆判斷系統(tǒng)異常原因的過程，是一個(gè)反向推理過程。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量故障診斷方法，但總體上處于研究階段，功能有限，應(yīng)用范圍較單一?？梢苑譃槿悾夯跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法、基于專家知識(shí)的方法以及基于數(shù)學(xué)模型的方法。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)：可分為機(jī)器學(xué)習(xí)類方法、多元統(tǒng)計(jì)分析類方法、信號(hào)處理類方法、信息融合類方法和粗糙集方法等。這些方法不需要過程精確的解析模型，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的大量學(xué)習(xí)與訓(xùn)練構(gòu)造數(shù)據(jù)分析模型，建模過程相對(duì)簡(jiǎn)單，通用性和實(shí)時(shí)性好。在國(guó)外，美國(guó)田納西大學(xué)的upadhyaya,b.r.利用殘差空間分析對(duì)壓水堆蒸汽發(fā)生器的典型故障進(jìn)行診斷；伊朗設(shè)拉茲大學(xué)的kamalhadad采用bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換相結(jié)合的故障診斷方法。在國(guó)內(nèi)，趙云飛等人將bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于ap1000核電站部分事故診斷中。但是這類方法的缺點(diǎn)明顯，即歷史數(shù)據(jù)獲取困難，無(wú)法完成學(xué)習(xí)與訓(xùn)練；可解釋性差。

基于專家知識(shí)方法：代表性方法為專家系統(tǒng)，利用領(lǐng)域?qū)＜以陂L(zhǎng)期實(shí)踐中積累起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)建立知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理分析，從而獲得有關(guān)系統(tǒng)或設(shè)備的故障原因。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需建立解析模型，且診斷結(jié)果易于理解、魯棒性好。在國(guó)外，美國(guó)nelson開發(fā)了進(jìn)行故障診斷和反應(yīng)堆事故處置的專家系統(tǒng),丹麥科學(xué)技術(shù)大學(xué)的mortenlind研究了多層流模型(mfm)在壓水堆核電站主冷卻劑系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，劉永闊等人研究了基于符號(hào)有向圖的定性故障診斷方法。而這類方法的不足之處是知識(shí)獲取困難；當(dāng)規(guī)則較多時(shí)，推理過程中存在匹配沖突、組合爆炸等問題。

基于數(shù)學(xué)模型：根據(jù)實(shí)施對(duì)象的過程機(jī)理，建立準(zhǔn)確反應(yīng)運(yùn)行過程的滿足質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒的解析數(shù)學(xué)模型。這類方法的主要優(yōu)點(diǎn)是從系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理出發(fā)，因此物理意義明確，可解釋性強(qiáng)；不存在匹配沖突、組合爆炸等問題。在國(guó)外，williamh.等人同樣采用機(jī)理守恒方程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。清華大學(xué)利用數(shù)學(xué)模型建立了核電汽輪機(jī)電力系統(tǒng)的分析模型，引入反映設(shè)備運(yùn)行性能的特性參數(shù)，通過特性參數(shù)隨其影響因素的變化關(guān)系來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷。但這類方法的主要缺點(diǎn)是建模過程復(fù)雜，需要考慮的因素多而雜，多數(shù)學(xué)者所建模型過于簡(jiǎn)單從而不足以反應(yīng)核電站各設(shè)備和系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和變化情況。

因?yàn)榛跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法、專家知識(shí)的方法和數(shù)學(xué)模型法都能進(jìn)行故障診斷，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員一般認(rèn)為這是三類并列的故障診斷方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對(duì)核電站運(yùn)行過程中傳感器測(cè)量得到的熱工水力過程參數(shù)提供一種基于機(jī)理仿真模型、多層流模型和相似性度量的混合式核電站故障診斷方法，結(jié)合了多層流模型的因果推理能力、機(jī)理仿真模型的定量計(jì)算能力以及相似性度量中距離函數(shù)的數(shù)據(jù)分析能力，從而提高了過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種混合式核電站故障診斷方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟一從核電站運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中單向地實(shí)時(shí)采集被診斷系統(tǒng)中的電動(dòng)閥門、泵等設(shè)備的狀態(tài)信息和自動(dòng)控制信號(hào)、以及過程參數(shù)，所述過程參數(shù)包括壓力、溫度、流量參數(shù)。

將狀態(tài)信息和自動(dòng)控制信號(hào)傳遞給建立的機(jī)理仿真模型作為計(jì)算輸入邊界條件，所述機(jī)理仿真模型是一種運(yùn)行水力學(xué)以及傳熱學(xué)的關(guān)系式通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算模擬實(shí)際被診斷系統(tǒng)運(yùn)行特性的分析模型；仿真模型計(jì)算出的對(duì)應(yīng)參數(shù)與被診斷系統(tǒng)中有測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷所有的對(duì)應(yīng)參數(shù)誤差是否小于2％；若參數(shù)相對(duì)誤差大于2％，則調(diào)節(jié)機(jī)理仿真模型中不同物理節(jié)點(diǎn)之間的流量、壓力、溫度的計(jì)算關(guān)系式，直到對(duì)應(yīng)參數(shù)小于2％為止；同時(shí)，在被診斷系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，持續(xù)采集上述運(yùn)行數(shù)據(jù)，使機(jī)理仿真模型能夠與被診斷系統(tǒng)同步運(yùn)行。

步驟二在核電站運(yùn)行過程中，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與在線機(jī)理仿真模型計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)參數(shù)做殘差，對(duì)所有殘差數(shù)據(jù)設(shè)置閾值，所述閾值根據(jù)核電站的設(shè)定規(guī)則或操作人員的設(shè)定進(jìn)行設(shè)置，并實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)所有殘差數(shù)據(jù)的變化；當(dāng)殘差在允許范圍內(nèi)時(shí)，表明核電站正常運(yùn)行，則持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；當(dāng)有多個(gè)或大量數(shù)據(jù)的殘差超過閾值，則發(fā)出警報(bào)，表明核電站運(yùn)行過程出現(xiàn)了異常。

步驟三當(dāng)出現(xiàn)步驟二中所述的異常后，以所有異常節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，利用多層流模型描述的因果關(guān)系沿因果鏈逆向傳播的方向進(jìn)行反向推理，確定下游功能狀態(tài)與上游功能狀態(tài)是否匹配；如果匹配，則以上游功能狀態(tài)為節(jié)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行逆向推理，直至找到導(dǎo)致當(dāng)前異常功能狀態(tài)的根節(jié)點(diǎn)為止；如果不能匹配，則說明上游節(jié)點(diǎn)不是下游狀態(tài)的原因，因此更換新的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行推理，最終診斷得到故障類型結(jié)果或結(jié)果集。

步驟四在得到故障類型結(jié)果或結(jié)果集時(shí)，立刻將機(jī)理仿真模型從在線實(shí)時(shí)運(yùn)行切換至離線超實(shí)時(shí)運(yùn)行；具體地，切斷實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)和自動(dòng)控制信號(hào)與機(jī)理仿真模型之間的連接，機(jī)理仿真模型通過縮短仿真計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)，以使仿真模型的計(jì)算速度成比例提高；在此基礎(chǔ)上，將多層流模型診斷結(jié)果或結(jié)果集依次加入到離線仿真模型中，機(jī)理仿真模型在加載每種故障后，快速超實(shí)時(shí)計(jì)算出參數(shù)的變化趨勢(shì)，并將計(jì)算得到的參數(shù)趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)測(cè)量值的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，所有參數(shù)變化趨勢(shì)均一致的加載項(xiàng)即為最終診斷得出的故障類型，也就是達(dá)到了對(duì)故障的正向驗(yàn)證。

步驟五當(dāng)經(jīng)步驟三和步驟四診斷為通用故障時(shí)，直接顯示到人機(jī)界面上；而當(dāng)經(jīng)步驟三和步驟四診斷為典型故障時(shí)，需要診斷典型故障的故障程度；在已經(jīng)切換至離線超實(shí)時(shí)運(yùn)行的仿真模型中分別加入當(dāng)前故障類型的不同故障程度，超實(shí)時(shí)仿真模型逐一在故障發(fā)生前的初始條件下進(jìn)行快速計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果分別儲(chǔ)存到仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)中；所述的典型故障是指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，包括主冷卻劑系統(tǒng)管道破裂，控制棒失控提升、控制棒落棒事故；所述的通用故障是指泵和閥等設(shè)備由于故障或誤動(dòng)作導(dǎo)致其狀態(tài)偏離相應(yīng)工況設(shè)定值的現(xiàn)象，包括閥的誤動(dòng)作、未按規(guī)定條件開啟、未按規(guī)定條件關(guān)閉。

步驟六選取發(fā)生故障后近似于線性變化或近似于階躍變化的可以測(cè)量得到的運(yùn)行參數(shù)作為評(píng)估參量，即可以通過這些參數(shù)的變化斜率或變化幅度來(lái)進(jìn)行有效的分析判斷，而變化微小或變化無(wú)規(guī)律的參數(shù)沒法進(jìn)行判斷；然后利用穩(wěn)態(tài)下一段時(shí)間內(nèi)的評(píng)估參數(shù)構(gòu)成被診斷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，首先計(jì)算得出協(xié)方差矩陣，并求出運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值，從而確定馬氏距離函數(shù)的數(shù)據(jù)分析模型。

步驟七馬氏距離函數(shù)從超實(shí)時(shí)仿真模型計(jì)算得出的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，并計(jì)算所有超實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)的馬氏距離值；然后通過多項(xiàng)式擬合方法，將時(shí)間作為自變量，不同故障程度下所計(jì)算出的馬氏距離值作為因變量，分別建立不同故障程度的評(píng)估曲線。

步驟八通過核電站儀表和控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)讀取被診斷系統(tǒng)在故障后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過馬氏距離函數(shù)的數(shù)據(jù)分析模型計(jì)算出實(shí)際故障數(shù)據(jù)的馬氏距離值，并將時(shí)間作為自變量，實(shí)際故障數(shù)據(jù)的馬氏距離作為因變量，求得評(píng)估曲線，分別對(duì)步驟七中建立的不同故障程度下的評(píng)估曲線和實(shí)際數(shù)據(jù)的評(píng)估曲線進(jìn)行數(shù)值積分，并相互比較，參數(shù)之間誤差最小的即為最終評(píng)估得到的故障程度；最終將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上，讓操作人員意識(shí)到故障的全部信息和嚴(yán)重程度。

本發(fā)明的主要原理：通過反復(fù)試驗(yàn)和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在對(duì)核電站相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行過程故障診斷時(shí)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法具有較強(qiáng)的非線性映射能力并可以并行計(jì)算，因此診斷速度快。但是，這類方法需要?dú)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，而大多數(shù)故障無(wú)法獲得其歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其應(yīng)用具有很大的局限性；另外，其診斷結(jié)果可讀性差，不易理解，因此操縱員難以判斷正確與否。而基于專家知識(shí)的方法建模簡(jiǎn)單、可解釋性強(qiáng)、具有反向推理能力；但是定性推理過程中容易存在匹配沖突，從而導(dǎo)致診斷結(jié)果不唯一，帶來(lái)一定的不確定性。同時(shí)，基于數(shù)學(xué)模型的方法物理意義明確，能準(zhǔn)確反映被診斷系統(tǒng)的運(yùn)行特性；但是建模過程相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)逆向推理能力相對(duì)較弱。因此，本發(fā)明利用基于專家知識(shí)的方法進(jìn)行故障類型的診斷，最大程度發(fā)揮其反向推理能力；在得到故障結(jié)果后，將原本處于與被診斷系統(tǒng)同步運(yùn)行的機(jī)理仿真模型切換至離線超實(shí)時(shí)運(yùn)行，從而在反映被診斷系統(tǒng)當(dāng)前組態(tài)的前提下加載故障進(jìn)行正向驗(yàn)證；在確定故障類型后，若是通用故障，則直接給人機(jī)界面顯示；而診斷結(jié)果為特殊故障時(shí)，通過機(jī)理仿真模型超實(shí)時(shí)運(yùn)算為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的距離函數(shù)提供樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)類方法原始數(shù)據(jù)無(wú)法獲得的難題，并利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法在數(shù)據(jù)分析上的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行故障程度評(píng)估，保障對(duì)故障類型、位置和程度的準(zhǔn)確診斷與預(yù)測(cè)。

本發(fā)明的有益效果是首先根據(jù)被診斷系統(tǒng)的組成和運(yùn)行原理利用系統(tǒng)仿真建模軟件或自主編程建立相關(guān)系統(tǒng)的工藝過程仿真模型和控制系統(tǒng)仿真模型，為了滿足故障驗(yàn)證的需求并提供樣本數(shù)據(jù)，建模過程中節(jié)點(diǎn)劃分根據(jù)測(cè)點(diǎn)的布置盡可能簡(jiǎn)化管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，從而保證仿真模型可以滿足實(shí)時(shí)和超實(shí)時(shí)計(jì)算的需求；同時(shí)為了體現(xiàn)一些關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)在滿足超實(shí)時(shí)計(jì)算的前提下對(duì)被診斷系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化建模，保證能夠精確反映該設(shè)備在正常運(yùn)行和故障后的動(dòng)態(tài)特性；離線調(diào)試被診斷系統(tǒng)的仿真模型，保證仿真模型的計(jì)算結(jié)果與核電站保持一致，誤差在允許范圍內(nèi)；然后，應(yīng)用多層流建模工具建立系統(tǒng)多層流模型，從而完成專家知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建：先根據(jù)被診斷系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置，選擇描述功能狀態(tài)的測(cè)點(diǎn)變量，測(cè)點(diǎn)變量一定與設(shè)備的安全有直接的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用符號(hào)化的建模語(yǔ)言描述被診斷系統(tǒng)在物質(zhì)、能量和信息方面的交互作用,功能之間的連接關(guān)系表明了功能狀態(tài)之間的相互影響，因此對(duì)系統(tǒng)建立多層流模型的過程，就是描述系統(tǒng)異常狀態(tài)之間因果關(guān)聯(lián)的過程；接著，對(duì)被診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障模式及影響分析，并利用多層流建模工具建立故障專家知識(shí)庫(kù)。故障診斷知識(shí)庫(kù)結(jié)合故障模式及影響分析建立所有故障與警報(bào)之間的推理模型，即可形成故障診斷專家知識(shí)庫(kù),故障診斷專家知識(shí)庫(kù)分為典型故障專家知識(shí)庫(kù)和通用故障專家知識(shí)庫(kù)。

最終，達(dá)到應(yīng)用多層流模型、機(jī)理仿真模型和距離函數(shù)對(duì)核電站進(jìn)行在線故障診斷的目的。先由多層流模型給出定性診斷結(jié)果，再進(jìn)一步利用機(jī)理仿真模型進(jìn)行診斷結(jié)果的篩選和驗(yàn)證，若為典型故障，可以采用距離函數(shù)進(jìn)行故障程度評(píng)估。通過引入機(jī)理仿真模型，本發(fā)明能極大地提高故障診斷的準(zhǔn)確性；解決了單純采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法時(shí)不可解釋、訓(xùn)練數(shù)據(jù)匱乏的缺點(diǎn)；同時(shí)排除了專家知識(shí)方法在定性推理過程中的局限性。

綜上所述，本發(fā)明采用的多層流模型對(duì)故障類型的定性推理效果好，機(jī)理仿真模型的定量計(jì)算準(zhǔn)確性好，可以用來(lái)進(jìn)行故障驗(yàn)證。而相似性度量中的距離函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析能力強(qiáng)，可用于故障程度評(píng)估，充分結(jié)合不同方法的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的混合式故障診斷方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的混合式故障診斷方法結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為主冷卻劑系統(tǒng)的機(jī)理仿真模型；

圖4為主冷卻劑系統(tǒng)冷管段微小破口后的多層流模型；

圖5為故障類型診斷的因果推理過程圖；

圖6為機(jī)理仿真模型的超實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果；

圖7為不同故障程度下的馬氏距離值隨時(shí)間變化的評(píng)估曲線。

具體實(shí)施方式

為了能夠更好的理解本發(fā)明，首先對(duì)本發(fā)明中涉及的基本概念作簡(jiǎn)單的介紹：

多層流模型：一種功能性建模方法，從認(rèn)知科學(xué)的角度運(yùn)用符號(hào)學(xué)方法將目標(biāo)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程抽象成“流”來(lái)描述系統(tǒng)在物質(zhì)、能量和信息三個(gè)層次上的關(guān)系。它將工藝過程抽象成“手段——目的”以及“部分——整體”的相互關(guān)聯(lián)的層次結(jié)構(gòu)，采用一套標(biāo)準(zhǔn)化的符號(hào)語(yǔ)言將復(fù)雜的系統(tǒng)過程描述為物質(zhì)和能量的產(chǎn)生、傳輸和消耗，以及信息的采集、決策和執(zhí)行等，遵循能量守恒和質(zhì)量守恒定律。同時(shí)模型描述了功能之間的相互影響關(guān)系，方便進(jìn)行因果推理。

故障模式及影響分析(fmea)：一種用于分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)或過程設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致的故障及后果的技術(shù)方法。fmea以規(guī)范化的表格形式歸納分析系統(tǒng)中每一個(gè)產(chǎn)品可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重程度，檢測(cè)難易程度以及發(fā)生頻度予以分類。

機(jī)理仿真模型：運(yùn)行水力學(xué)以及傳熱學(xué)的關(guān)系式通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算模擬實(shí)際被診斷系統(tǒng)運(yùn)行特性的分析模型。為了進(jìn)行故障驗(yàn)證和提供樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)，機(jī)理仿真模型可以按照需求進(jìn)行實(shí)時(shí)或者超實(shí)時(shí)數(shù)值計(jì)算。

馬氏距離函數(shù)：表示數(shù)據(jù)的協(xié)方差距離。它是一種有效的計(jì)算兩個(gè)未知樣本集的相似度的方法。與歐式距離不同的是它考慮到各種特性之間的聯(lián)系并且是尺度無(wú)關(guān)的，即獨(dú)立于測(cè)量尺度?？梢园衙恳粫r(shí)刻內(nèi)多個(gè)樣本點(diǎn)看作高維空間中的一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)而表示樣本點(diǎn)之間的相似性，距離較近的樣本點(diǎn)性質(zhì)較相似，距離較遠(yuǎn)的樣本點(diǎn)則差異較大。

典型故障：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，主要包括主冷卻劑系統(tǒng)管道破裂，控制棒失控提升、控制棒落棒事故等。

通用故障：泵和閥等設(shè)備由于故障或誤動(dòng)作導(dǎo)致其狀態(tài)偏離相應(yīng)工況設(shè)定值的現(xiàn)象，主要包括閥的誤動(dòng)作、未按規(guī)定條件開啟、未按規(guī)定條件關(guān)閉等。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如附圖1-2所示，本發(fā)明的一種混合式核電站故障診斷方法，其特征在于，具體步驟如下：

1)從核電站運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中單向地實(shí)時(shí)采集被診斷系統(tǒng)中的電動(dòng)閥門、泵等設(shè)備的狀態(tài)信息和自動(dòng)控制信號(hào)、以及過程參數(shù)如壓力、溫度、流量等參數(shù)。首先將狀態(tài)信息和自動(dòng)控制信號(hào)傳遞給建立的機(jī)理仿真模型作為計(jì)算輸入邊界條件，仿真模型計(jì)算出的對(duì)應(yīng)參數(shù)與被診斷系統(tǒng)中有測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷所有的對(duì)應(yīng)參數(shù)誤差是否小于2％；若參數(shù)相對(duì)誤差大于2％，則調(diào)節(jié)機(jī)理仿真模型中不同物理節(jié)點(diǎn)之間的流量、壓力、溫度的計(jì)算關(guān)系式，直到對(duì)應(yīng)參數(shù)小于2％為止。同時(shí)，在被診斷系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，持續(xù)采集上述運(yùn)行數(shù)據(jù)，使機(jī)理仿真模型能夠與被診斷系統(tǒng)同步運(yùn)行；

2)在核電站運(yùn)行過程中，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與在線機(jī)理仿真模型計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)參數(shù)做殘差，對(duì)所有殘差數(shù)據(jù)設(shè)置閾值(閾值可以根據(jù)核電站的設(shè)定規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，也可以依賴操作人員的設(shè)定)，并實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)所有殘差數(shù)據(jù)的變化；當(dāng)殘差在允許范圍內(nèi)時(shí)，表明核電站正常運(yùn)行，則持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；如果有多個(gè)或大量數(shù)據(jù)的殘差超過閾值，則發(fā)出警報(bào)，表明核電站運(yùn)行過程出現(xiàn)了異常；

3)當(dāng)出現(xiàn)異常后，以所有異常節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，利用多層流模型描述的因果關(guān)系沿因果鏈逆向傳播的方向進(jìn)行反向推理，確定下游功能狀態(tài)與上游功能狀態(tài)是否匹配；如果匹配，則以上游功能狀態(tài)為節(jié)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行逆向推理，直至找到導(dǎo)致當(dāng)前異常功能狀態(tài)的根節(jié)點(diǎn)為止；如果不能匹配，則說明上游節(jié)點(diǎn)不是下游狀態(tài)的原因，因此更換新的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行推理；最終診斷得到故障類型結(jié)果或結(jié)果集。

4)在得到故障類型結(jié)果或結(jié)果集時(shí)，立刻將機(jī)理仿真模型從在線實(shí)時(shí)運(yùn)行切換至離線超實(shí)時(shí)運(yùn)行，具體地，切斷實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)和自動(dòng)控制信號(hào)與機(jī)理仿真模型之間的連接，機(jī)理仿真模型通過縮短仿真計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)，以使仿真模型的計(jì)算速度成比例提高；在此基礎(chǔ)上，將多層流模型診斷結(jié)果或結(jié)果集依次加入到離線仿真模型中，機(jī)理仿真模型在加載每種故障后，快速超實(shí)時(shí)計(jì)算出參數(shù)的變化趨勢(shì)，并將計(jì)算得到的參數(shù)趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)測(cè)量值的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，所有參數(shù)變化趨勢(shì)均一致的加載項(xiàng)即為最終診斷得出的故障類型，也就是達(dá)到了對(duì)故障的正向驗(yàn)證；

5)當(dāng)經(jīng)步驟3)和4)診斷為通用故障時(shí)，直接顯示到人機(jī)界面上；而當(dāng)經(jīng)步驟3)和4)診斷為典型故障時(shí)，還需要診斷典型故障的故障程度，因?yàn)椴煌收铣潭鹊耐N故障最終對(duì)核電站的安全影響差別很大。因此，在已經(jīng)切換至離線超實(shí)時(shí)運(yùn)行的仿真模型中分別加入當(dāng)前故障類型的不同故障程度，超實(shí)時(shí)仿真模型逐一在故障發(fā)生前的初始條件下進(jìn)行快速計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果分別儲(chǔ)存到仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)中；

6)選取發(fā)生故障后近似于線性變化或近似于階躍變化的可以測(cè)量得到的運(yùn)行參數(shù)作為評(píng)估參量，即可以通過這些參數(shù)的變化斜率或變化幅度來(lái)進(jìn)行有效的分析判斷，而變化微小或變化無(wú)規(guī)律的參數(shù)沒法進(jìn)行判斷；然后利用穩(wěn)態(tài)下一段時(shí)間內(nèi)的評(píng)估參數(shù)構(gòu)成被診斷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，首先計(jì)算得出協(xié)方差矩陣，并求出運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值，從而確定馬氏距離函數(shù)的數(shù)據(jù)分析模型；

7)馬氏距離函數(shù)從超實(shí)時(shí)仿真模型計(jì)算得出的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，并計(jì)算所有超實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)的馬氏距離值；然后通過多項(xiàng)式擬合方法，將時(shí)間作為自變量，不同故障程度下所計(jì)算出的馬氏距離值作為因變量，分別建立不同故障程度的評(píng)估曲線；

8)通過核電站儀表和控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)讀取被診斷系統(tǒng)在故障后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過馬氏距離函數(shù)的數(shù)據(jù)分析模型計(jì)算出實(shí)際故障數(shù)據(jù)的馬氏距離值，并將時(shí)間作為自變量，實(shí)際故障數(shù)據(jù)的馬氏距離作為因變量，求得評(píng)估曲線，分別對(duì)步驟7)中建立的不同故障程度下的評(píng)估曲線和實(shí)際數(shù)據(jù)的評(píng)估曲線進(jìn)行數(shù)值積分，并相互比較，參數(shù)之間誤差最小的即為最終評(píng)估得到的故障程度。最終將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上，讓操作人員意識(shí)到故障的全部信息和嚴(yán)重程度。

本發(fā)明實(shí)施實(shí)例如下(以“秦山一期核電站主冷卻劑系統(tǒng)的冷管段微小破口故障”的診斷為例)，為了保證核電站的安全運(yùn)行，無(wú)法在核電站中人為加入故障。因此本發(fā)明采用300mw秦山一期核電站全范圍仿真機(jī)作為實(shí)際待診斷對(duì)象，設(shè)定核電站在正常運(yùn)行200s后，發(fā)生了主冷卻劑系統(tǒng)的冷管段1cm²微小破口故障：

利用simexec實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)和系統(tǒng)仿真軟件relap5-hd建立主冷卻劑系統(tǒng)的機(jī)理仿真模型，在節(jié)點(diǎn)劃分時(shí)為了滿足超實(shí)時(shí)計(jì)算的需求，將管道盡可能地用較少的節(jié)點(diǎn)來(lái)表示；而在滿足了超實(shí)時(shí)計(jì)算之后，對(duì)反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器進(jìn)行精細(xì)化劃分，以保證能夠準(zhǔn)確反映流體在設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)過程，具體節(jié)點(diǎn)劃分圖如圖3所示。在離線調(diào)試主冷卻劑系統(tǒng)的仿真模型之后，從運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中單向地實(shí)時(shí)采集主冷卻劑系統(tǒng)中所有的電動(dòng)閥門、泵等設(shè)備的狀態(tài)信息和以及所有相關(guān)的自動(dòng)控制信號(hào)并傳遞給建立的機(jī)理仿真模型，對(duì)比主冷卻系統(tǒng)中的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、水位等參數(shù)與仿真模型計(jì)算出的對(duì)應(yīng)參數(shù)，直到所有對(duì)應(yīng)參數(shù)誤差小于2％；若不一致，調(diào)節(jié)機(jī)理仿真模型不同物理節(jié)點(diǎn)之間的流量、壓力、溫度的計(jì)算關(guān)系式，直到滿足要求為止。同時(shí)，在主冷卻劑系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，持續(xù)采集上述運(yùn)行數(shù)據(jù)，使機(jī)理仿真模型能夠與被診斷系統(tǒng)同步運(yùn)行；一些關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比如表1所示:

在核電站正常運(yùn)行過程中從運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)單向地實(shí)時(shí)讀取相關(guān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與在線機(jī)理仿真模型計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)參數(shù)分別計(jì)算出殘差，在本例中設(shè)置殘差變化的閾值為相對(duì)誤差的1％(部分參數(shù)如流量的絕對(duì)值較大，因此對(duì)于這些參數(shù)取其絕對(duì)誤差)。隨后，持續(xù)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值和對(duì)應(yīng)仿真值得殘差變化，在200s內(nèi)所有參數(shù)的殘差變化始終在允許范圍內(nèi).然而在200s之后，通過核電站全范圍模擬機(jī)隨機(jī)插入1cm²的冷管段微小破口后，部分實(shí)測(cè)值與對(duì)應(yīng)仿真值的殘差值超過設(shè)定的閾值，而且殘差的變化持續(xù)增大，從而表明核電站運(yùn)行過程出現(xiàn)了異常，應(yīng)該發(fā)出報(bào)警激活后續(xù)的模塊繼續(xù)運(yùn)算。得到主要的異常參數(shù)警報(bào)結(jié)果為：

1#環(huán)路反應(yīng)堆入口流量下降；

穩(wěn)壓器壓力下降；

穩(wěn)壓器水位下降；

反應(yīng)堆出口壓力下降；

穩(wěn)壓器汽空間溫度下降；

上充流量增加；

穩(wěn)壓器電加熱器功率增加；

得到異常參數(shù)后，多層流模型根據(jù)所有的異常值，進(jìn)行因果推理。應(yīng)用多層流建模工具建立的核電站主冷卻劑系統(tǒng)的多層流模型如圖4所示，模型主要包括兩個(gè)流結(jié)構(gòu)，其中s1表示主冷卻劑系統(tǒng)能量流，s2表示主冷卻劑系統(tǒng)物質(zhì)流。g0表示主冷卻劑系統(tǒng)的主要目標(biāo)為傳遞堆芯熱量給二回路。g1、g2分別表示維持左右環(huán)路循環(huán)流動(dòng)的目標(biāo)。g3表示維持冷卻劑裝量。圖中每個(gè)功能單元的含義具體見表2。

表2主冷卻劑系統(tǒng)多層流模型功能含義

對(duì)主冷卻劑系統(tǒng)進(jìn)行故障模式及影響分析如表3。

表3主冷卻劑系統(tǒng)管道破裂后的fmea表

多層流模型的典型故障專家知識(shí)庫(kù)和通用故障專家?guī)煸诙鄬恿髂Ｐ偷幕A(chǔ)上建立，根據(jù)表3添加導(dǎo)致根原因警報(bào)發(fā)生的直接故障原因，即可建立故障模式與系統(tǒng)多層流模型的聯(lián)系如表4所示。

表4故障診斷專家知識(shí)庫(kù)

在此基礎(chǔ)上，故障診斷結(jié)果如圖5所示。警報(bào)傳播過程如下，1環(huán)路冷管段發(fā)生破口，導(dǎo)致管道作為壓力邊界的屏蔽功能失效(f17-leak)，在破口之后的管段冷卻劑流量降低(f18-l)，冷卻劑的流失導(dǎo)致一回路的水裝量減少(g3-l)，雖然來(lái)自化容系統(tǒng)的上充流量增加，但是不足以彌補(bǔ)水裝量的流失，因此穩(wěn)壓器的水負(fù)波動(dòng)流出(f31-h)，從而導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位降低(f28-l)，整個(gè)rcs的壓力測(cè)點(diǎn)包括穩(wěn)壓器的壓力降低(f37-l)，電加熱器逐漸投入(f36-h)以延緩壓力的降低。穩(wěn)壓器的水位與上充流量共同作用，彌補(bǔ)了冷卻劑的流失，同時(shí)由于未達(dá)到反應(yīng)堆停堆的控制限值，因此蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的給水流量、蒸汽產(chǎn)量和二次側(cè)水位保持不變。同時(shí)，將核電站的安全分析報(bào)告中的內(nèi)容加入多層流模型的知識(shí)庫(kù)中，安全分析報(bào)告指出在發(fā)生10cm2的破口時(shí)，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的壓力和水位會(huì)發(fā)生較大幅度的變化，但是在本案例中并未發(fā)生，因此可以通過多層流模型和知識(shí)庫(kù)推理得出此時(shí)的1環(huán)路冷管段的破口面積應(yīng)該在小破口的范疇內(nèi)(小于10cm2)。

在對(duì)應(yīng)參數(shù)的殘差異常發(fā)出警報(bào)激活多層流模型的同時(shí)，將機(jī)理仿真模型從在線實(shí)時(shí)運(yùn)行切換至離線超實(shí)時(shí)運(yùn)行，即切斷從核電站中采集到的狀態(tài)參數(shù)和自動(dòng)控制信號(hào)；在此基礎(chǔ)上，將多層流模型診斷得到的主冷卻劑系統(tǒng)1#環(huán)路冷管段破口加入到離線超實(shí)時(shí)仿真模型中。機(jī)理仿真模型在加載該故障，由于此時(shí)不知道故障程度，因此結(jié)合安全分析報(bào)告隨機(jī)插入一個(gè)10cm²以下的當(dāng)前故障，然后通過縮短5倍的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)使仿真模型可以加速5倍運(yùn)算?？焖儆?jì)算出參數(shù)的變化趨勢(shì)，并將計(jì)算得到的參數(shù)趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)測(cè)量值的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，通過圖6可以看到所有仿真計(jì)算的參數(shù)與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)均保持一致。因此通過利用機(jī)理仿真模型的故障正向驗(yàn)證，可以最終診斷得出當(dāng)前故障類型就是主冷卻劑系統(tǒng)的1#冷管段破裂。

由于經(jīng)過故障類型診斷和故障驗(yàn)證，診斷結(jié)果為管道破裂這種典型故障，因此還需要診斷1#冷管段破裂的故障嚴(yán)重程度。因此，將在故障驗(yàn)證中已經(jīng)切換至離線超實(shí)時(shí)運(yùn)行的仿真模型通過回溯至故障發(fā)生之前的那一刻，加入8cm²破口的當(dāng)前故障，并重新縮短5倍的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)使仿真模型可以加速5倍運(yùn)算，超實(shí)時(shí)仿真模型在與發(fā)生故障開始前同樣的系統(tǒng)和設(shè)備組態(tài)條件以及初始條件下進(jìn)行快速計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果分別儲(chǔ)存到仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)中；然后不斷重復(fù)這一過程直到將1cm²、2cm²、4cm²、6cm²破口的當(dāng)前故障全部計(jì)算并存儲(chǔ)到仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)中為止。最終，為下一步利用馬氏距離函數(shù)評(píng)估故障程度提供了樣本數(shù)據(jù)。所計(jì)算得出的穩(wěn)壓器水位、壓力以及1#環(huán)路反應(yīng)堆進(jìn)口流量的參數(shù)變化對(duì)比趨勢(shì)圖如圖6所示。

選取了故障發(fā)生后近似于線性變化或近似于階躍變化的可以測(cè)量得到的運(yùn)行參數(shù)作為評(píng)估參量，這些參量包括穩(wěn)壓器汽空間壓力、穩(wěn)壓器水位、穩(wěn)壓器汽空間溫度、反應(yīng)堆進(jìn)口流量、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口蒸汽產(chǎn)量、蒸汽發(fā)生器水位作為評(píng)估參量，這些評(píng)估參量覆蓋到了主冷卻劑系統(tǒng)的所有主要設(shè)備，具有較好的通用性。然后利用這些參數(shù)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)首先計(jì)算每一列數(shù)據(jù)的平均值，然后計(jì)算得到這些評(píng)估參量矩陣的協(xié)方差矩陣cx，由于評(píng)估參量一共有6維，因此得到的協(xié)方差矩陣為6×6維:

利用馬氏距離公式就可以生成用于故障程度評(píng)估的數(shù)據(jù)分析模型，其中y表示實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，u表示輸入數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)均值，cx為協(xié)方差矩陣。

馬氏距離函數(shù)從仿真模型數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取超實(shí)時(shí)計(jì)算模擬的破口程度分別為：1cm²、2cm²、4cm²、6cm²、8cm²的當(dāng)前故障運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過建立的故障程度評(píng)估模型計(jì)算出所有超實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)的馬氏距離值，得到如圖7所示的不同故障程度下馬氏距離值隨時(shí)間變化的變化數(shù)據(jù)(橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為以10為底的對(duì)數(shù)處理后的馬氏距離值)。

通過多項(xiàng)式擬合方法，將時(shí)間作為自變量，不同故障程度下所計(jì)算出的馬氏距離值作為因變量，建立不同故障模式的評(píng)估曲線的擬合關(guān)系式分別如下：

1cm²破口：y1＝1.8227×10^-5x²-0.0039x+4.3036

2cm²破口：y2＝4.1571×10^-5x²-0.0035x+4.5871

4cm²破口：y3＝1.86238×10^-5x²-0.0012x+4.8734

6cm²破口：y4＝7.1586×10^-7x²-2.1447×10^-4x+5.0454

8cm²破口：y5＝2.9855×10^-4x²-0.0109x+5.0916

得到樣本數(shù)據(jù)的曲線關(guān)系式后，通過從核電站儀表和控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)讀取主冷卻系統(tǒng)在故障后的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過與上述相同計(jì)算步驟后，計(jì)算出實(shí)際故障數(shù)據(jù)的馬氏距離值，并將時(shí)間作為自變量，實(shí)際故障數(shù)據(jù)的馬氏距離作為因變量，求得評(píng)估曲線得到實(shí)際數(shù)據(jù)評(píng)估曲線的擬合關(guān)系式為y6＝2.5887×10^-5x²-0.0042x+4.3541，分別對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)評(píng)估曲線和仿真模型計(jì)算出的六條不同故障程度的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行數(shù)值積分，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的積分值分別與仿真模型計(jì)算出的數(shù)據(jù)積分值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際數(shù)據(jù)在發(fā)生故障后100s內(nèi)的數(shù)據(jù)積分為417.5719；而超實(shí)時(shí)仿真計(jì)算的1cm²冷管段破口后的數(shù)據(jù)積分值為412.231；相對(duì)誤差為1.3％。所以，給出的故障程度評(píng)估結(jié)果為：主冷卻劑系統(tǒng)冷管段破口為1cm²的故障，最終將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上，讓操作人員意識(shí)到故障的全部信息和嚴(yán)重程度。