核動力裝置運行支持系統的設計與開發

成守宇 ,王 賀,彭敏俊,楊 明,鞏 誠,劉 飛

(哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001)

在核動力裝置運行中,特別是在裝置異常 或故障時,操縱人員往往承受很大的精神壓力,從而影響操縱員判斷力和信息處理能力。據統計,核電站20%～90%的系統失效與人有關,其中直接或間接肇發事故的比率為70%～90%[1]。美國三哩島核事故,前蘇聯切爾諾貝利核事故,以及日本的核泄漏事件,也都跟人的因素有關,操縱員的誤判或誤操作都有可能導致極為嚴重的后果[2]。為了減少人因失誤,提高核動力裝置運行的安全性,研究開發一套能夠輔助操縱員運行的NPPOSS是十分必要的。

出于減少人因失誤發生的考慮,近些年來,有關國際組織如IAEA、IEEE和OECD,以及一些國家如美國、韓國、日本等都將操縱員支持系統列入了開發計劃[3-6]。在20世紀80年代,美國俄亥俄州立大學開發了OAS系統,主要包括電廠狀態監測系統、動態規程監測系統和診斷與傳感器數據確認系統等[4]。韓國研究機構于1995年開發了OASYS系統[6],其功能與美國OAS功能類似。西歐Halden工程的診斷系統,主要包括早期診斷和在線診斷等功能[5]。國外還在深入地進行操縱員支持系統技術的研究。20世紀90年代初期至今,國內也開展了NPPOSS技術方面的研究,研究內容涉及故障診斷[7]、狀態監測[8-9]、運行數據管理[10]和操作規程[11]等方面,例如清華大學研究的神經網絡支持系統[12]等。總的來說,目前國內對NPPOSS還處于研究階段,系統功能單一,集成化程度不高,還不具備工程應用的程度。

本文研究的核動力裝置運行支持系統是一個綜合功能的智能系統,包括數據采集和處理、狀態監測、故障診斷、警報分析以及操作指導等功能,主要目的是為裝置操縱員提供在線的運行支持服務,減輕操縱員的負擔,提高操縱員操作的正確性。本文研究的NPPOSS主要功能要求：充分利用計算機的高速數據處理能力,在反應堆啟堆、停堆、功率轉換等工況下,提供在線的狀態監測、異常報警、故障診斷以及操作規程等功能,盡可能及時有效地向操縱員提供系統狀態及可能的故障信息,幫助操縱員進行決策,采取恰當措施保證核動力裝置的安全。另外,NPPOSS還應具有判斷操縱員誤操作的功能。下面將全面介紹NPPOSS的設計與開發。

1 NPPOSS總體設計方案

1.1 總體設計原則

綜合考慮NPPOSS的定位和功能要求,在進行設計之前有必要明確其設計原則,并把這些原則貫穿于NPPOSS系統設計的始終,從而有利NPPOSS課題工作的實踐,應注意以下設計原則。

(1)集成化設計,即把狀態監測、警報分析、故障診斷以及操作指導等功能有機地集成在NPPOSS中,能為操縱員提供范圍較廣的運行支持。

(2)模塊化設計,即運行支持系統按功能劃分成若干子模塊,并且各個子模塊系統具有一定的獨立運行功能。

(3)系統透明設計,即運行支持系統對其故障診斷結果和警報分析的結果等具有一定的解釋能力。

(4)輔助決策支持,即運行支持系統只是輔助操縱員功能,本身不參與核動力裝置的控制,與核動力裝置的接口是單向的。

(5)可靠性和實用性,即要求系統或軟件相對穩健,并考慮實際運用環境并留有接口。

(6)實時性和自動化,即運行支持系統軟件應具有較高的實時性,系統具有一定的自動運行和復位工況的功能。

(7)采用開放式結構,便于系統升級與維護。

1.2 系統結構設計

本文設計的NPPOSS系統結構圖如圖 1所示。運行支持系統劃分為6個單元模塊：數據采集與處理單元、狀態監測單元、故障診斷單元、報警分析單元、操作指導單元和人機界面單元。其中操作指導單元又劃分為正常操作指導和異常操作指導單元。NPPOSS各子單元不是孤立的,數據采集與處理單元收到核動力裝置綜合數據管理系統(NPPM IS)數據后,存入到數據庫或實時共享內存中,狀態監測單元從數據庫獲取數據進行核動力狀態監測,提供異常報警和異常特征信息,若有異常則激活故障診斷單元,故障診斷單元診斷裝置事故性質;同時根據異常征兆或診斷的事故性質提供相應的操作規程。各子單元設計將在本文第2節進行詳述。

本文設計的NPPOSS硬件系統結構組成如圖2所示,主要包括主計算機、終端顯示計算機(包括值班長和各系統操縱員使用的計算機)和網絡數據交換機等設備。主計算機負責NPPOSS各單元軟件程序計算,終端顯示計算機實現對NPPOSS信息顯示給值班長和各系統操縱員,網絡數據交換機主要負責NPPMIS與NPPOSS各計算機之間的數據傳輸。

圖1 NPPOSS系統結構圖Fig.1 A rchitecture of NPPOSS

圖2 運行支持系統硬件系統結構組成圖Fig.2 A rchitecture of hardw are system o f NPPOSS

需要補充一點：NPPOSS是核動力裝置主控室信息顯示的一個補充,彌補裝置儀控系統不能為操縱員提供智能化的狀態監測、故障診斷、警報分析以及操作指導等輔助決策信息;該系統不接收和發送控制信號給裝置控制與保護系統,只從核動力裝置綜合數據管理系統接收數據。

2 NPPOSS子單元模塊的設計

2.1 數據采集與處理單元

本單元是NPPOSS與核動力裝置綜合數據管理系統的聯結程序,還具有數據處理和存儲功能。主要包括數據通訊程序、數據解包和校驗程序、數據濾波處理程序以及數據存儲程序等。數據通訊程序主要建立NPPM IS系統通訊與接收NPPMIS的數據包,數據解包和校驗程序對接收NPPM IS的數據包按通訊協議和數據庫有關規則進行參數解碼和有效性的校驗。數據濾波處理程序將對原始采集數據或噪聲較大數據進行平滑、濾波、校正以及有效性處理等。數據存儲程序將數據存入實時共享內存和數據庫文件中。本單元主要目的是為NPPOSS其他單元提供數據信息。

2.2 狀態監測單元

狀態監測單元將獲取的核動力裝置運行信息進行特征信號的比較和分析,判斷核動力裝置運行處于正常或異常狀態。本單元將對采集到的核動力裝置的各種參數、閥門以及顯控臺開關等的狀態進行監測,判斷是否偏離正常狀態或操縱員誤操作。監測狀態單元是進行狀態分析、故障診斷和操作指導決策的基礎。本單元主要由實時數據獲取模塊、運行工況判斷模塊、系統參數監測模塊、異常信息記錄及查詢模塊和特征信息輸出模塊5部分組成。

實時數據獲取模塊獲取裝置運行數據后,運行工況判斷模塊提取與工況有關的數據,判斷核動力裝置運行工況,系統參數監測模塊根據核動力裝置工況信息,決定被監測的系統和相應參數并進行監測和處理。異常信息記錄及查詢模塊,將自動記錄異常發生前和異常消除后的整個裝置運行數據,并可在事后進行查詢和后期分析。特征信息輸出模塊把本單元處理過的信息分別存入或送入實時共享內存和數據庫、故障診斷單元以及人機界面單元等。系統參數監測模塊是狀態監測單元的核心程序,系統參數監測模塊主要采用了參數限值監測法、參數趨勢監測法、穩態模型監測法和模糊神經監測法等方法。

2.3 故障診斷單元

故障診斷單元主要用在事故狀態下對復雜的系統信息進行歸納、推理等自動化處理,幫助操縱員了解系統狀態,及時發現故障的早期征兆并盡可能準確地確定可能的故障性質或故障設備的部位。本研究把故障分為典型故障和通用故障。通用故障是指一些泵和閥的故障或操縱員的誤操作。典型故障是指諸如冷卻劑喪失事故(LOCA)、蒸汽發生器傳熱管破裂事故(SGTR)等設計基準事故或其他事故。故障診斷單元分為通用故障診斷模塊、典型故障處理模塊以及故障診斷單元輸入輸出模塊。

通用故障診斷模塊采用規則法進行診斷,其方法是通過當前設備具備的功能和狀態與專家知識庫進行對比,若不相符則存在故障或誤操作。典型故障處理模塊采用基于規則和人工神經網絡的混合式故障診斷方法。基于規則法的診斷用于診斷事故類型,當事故發生的一系列故障征兆與診斷知識庫中的相關規則知識相匹配時,即可判斷發生了相應類型的故障。基于人工神經網絡診斷法主要用于診斷故障發生程度及性質等,其主要利用規則診斷診斷法提供的信息或狀態監測單元監測結果來激活程序。輸入輸出模塊主要將其他單元信息輸入到本單元中和本單元的診斷信息輸出到其他單元中。

2.4 操作指導單元

操作指導單元主要功能是在各種工況下為操縱員提供操作提示和操作規程信息等,主要包括正常操作指導和異常操作指導2部分。正常操作指導單元提供裝置在正常運行所需的操作規程和操作提示等信息,主要工況包括啟堆、功率轉換、穩態工況以及停堆等。異常操作指導單元為裝置在異常或事故情況下提供恢復相應系統功能或應急規程。正常操作指導單元和異常操作指導單元實現模塊都分為：規程知識庫、監督機、參數數據庫、推理機和管理子系統。規程知識庫主要用來存放領域專家提供的規程知識,包括啟堆、停堆以及各種典型事故的規程信息。監督機對規程的執行和裝置狀態進行監測。推理機利用規程知識的信息和裝置實時數據進行推理,并結合狀態監測單元和故障診斷單元的結果,提取規程為操縱員提供操作指導信息。管理子單元負責操作指導單元的系統維護以及數據的管理等。

2.5 警報分析單元

警報分析單元主要功能包括：

(1)提供異常報警信號。

(2)對核動力裝置報警信號進行壓縮分析,找出主要報警信息和報警信號的排序記錄工作。

(3)為警報的產生和發展提供解釋手段。

本單元分為報警信號模塊、警報壓縮分析與報警信號排序模塊和警報產生推理分析模塊等。

報警信號通過界面軟件實現,主要以棒圖、報警窗以及數據列表等形式顯示。本單元的研究采用了符號學分析與建模方法—多層流(M ultilevel Flow Models,M FM)與因果關系圖(Causal Dependence Graph,CDG)來進行警報或異常現象的解釋和分析,還采用了類似故障樹形式的邏輯分析圖作為補充解釋手段。為了對報警信號進行壓縮分析,將報警信號分為一定的級別和層次。

2.6 人機界面單元

人機界面單元是運行支持系統與操縱員完成交互的接口系統。人機界面單元主要完成狀態監測、故障診斷、報警分析以及操作指導等單元的信息顯示和交互,主要顯示內容為安全狀態圖(也稱八角圖)、參數趨勢圖、參數顯示、異常參數列表、系統流程圖、故障推理分析、歷史信息與查詢、操作規程、報警信號排序以及報警信號產生機理分析等。本單元采用了“以人為中心”的設計思想,綜合考慮了界面顏色、文字大小、界面布局及組織形式等設計,盡量使操縱員從人機界面中很容易找到需要的信息,從而減輕工作負擔[13]。

3 NPPOSS開發與實驗驗證

3.1 NPPOSS軟件程序的開發

本文在NPPOSS設計的基礎進行了軟件開發,利用嵌入式實時操作系統VxWorks環境、VxGUI圖形軟件和Tornado調試工具,采用C語言編程并集成開發NPPOSS。系統軟件平臺采用V xWorks實時操作系統,V xWorks具有很高的實時性、可靠性,具有軟件代碼小,響應速度快等特點,特別適用于NPPOSS這類要求實時和多任務的應用體系。本文采用VxGUI開發人機界面,由于VxGUI占用資源少、高可靠性以及方便圖形開發。NPPOSS軟件設計采用了層次化模塊結構技術,分為硬件層、操作系統層(VxWorks)、POSIX接口層、圖形包層(VxGUI)和應用程序層(NPPOSS程序),設計形式如圖3所示。

圖3 NPPOSS軟件層次化設計結構圖Fig.3 Level design softw are of NPPOSS

3.2 NPPOSS實驗驗證

為了驗證NPPOSS設計的方案可行性和功能有效性,本文以壓水堆SGTR經歷的瞬態過程進行了實驗[14]。

(1)實驗方法。由于NPPOSS處于研究階段,由全范圍核動力裝置模擬器給NPPOSS提供核動力裝置各種工況的運行數據,主要包括核動力裝置的啟動工況、功率運行工況、異常與事故工況和停堆工況等。為了測試驗證NPPOSS功能,由教練員通過教練員站隨機插入LOCA、SGTR和主蒸汽管道破裂等故障。在故障模式下,NPPOSS啟動各功能程序模塊,運行人員根據NPPOSS提供的輔助信息,將裝置恢復到安全狀態,以檢查NPPOSS各子單元的功能。

(2)實驗結果。核動力裝置在某工況1號蒸汽發生器發生U形管破裂時,NPPOSS監測進程過程中某些畫面,如圖4～圖7所示。圖4反應的是在插入故障后狀態監測單元功能的響應界面,在插入故障一段時間后,在八角圖右側部分有滾動的參數異常信息顯示;圖4中間部分能夠提供流程圖、參數監視、報警以及趨勢圖等功能;八角圖也隨著SGTR進程發展越來越嚴重而發生變形并且其左邊的方形塊(代表設備故障和輻射監測)也提供報警。圖5和圖6是發生SGTR后故障診斷功能的人機界面。其中圖5中間部分顯示的是規則法診斷結果和智能診斷法診斷結果,在其下面有提示信息和文字形式的操作指導等;圖6中間部分顯示的是故障推理信息,包括特征參數的變化情況以及相應趨勢圖。圖7是診斷出故障后提供的圖形化規程界面,其右上角方框提示操縱員此處是當前操作內容。上述各圖只是NPPOSS截取的一部分顯示圖。

圖4 狀態監測單元功能響應的界面Fig.4 Display of the function of the operation monitoring unit

圖5 診斷結果統計界面Fig.5 Disp lay of diagnosis result

圖6 故障推理顯示界面Fig.6 Disp lay o f diagnosis resu lt analysis

圖7 異常規程顯示界面Fig.7 Disp lay of operating p rocedures

在前面實驗基礎上可知,NPPOSS可以實現直觀方便地顯示信息,并具有以下特點：

(1)能夠實現實時讀取核動力裝置所需的數據,并能夠進行數據處理和存儲功能。

(2)實時監測系統的狀態,以符合操縱員認知過程的方式,將系統信息顯示在人機界面上。

(3)操作指導單元能夠實現向操縱員提供在線的操作規程和操作提示信息等;還可以提供多種顯示的運行規程手冊,幫助操縱員快速查找所需要的規程。

(4)通過圖形化顯示系統流程圖、報警信息、故障信息以及參數趨勢等,提高了操縱員對裝置狀態的了解,減輕了操縱員的工作負擔。

4 結束語

本文對于集數據采集與處理、狀態監測、故障診斷、警報分析以及操作指導等功能的運行支持系統進行了設計和闡述,并以實時嵌入式操作系統VxWorks為平臺,利用計算機、專家系統等技術開發了一種NPPOSS。為了驗證本文設計的NPPOSS可行性方案并通過了實驗驗證和測試,實驗結果表明：NPPOSS系統工作可靠,具有較高性能,采用 NPPOSS后,可以減輕操縱員的工作負擔和精神壓力,提高了操縱員操作的正確性和有效性,進一步提高了核動力裝置運行的安全性。本文系統測試實驗只是在全范圍核動力裝置模擬器上進行的,與實際應用環境還有一定的差距,還需要做很多工作。

隨著全數字化儀控系統在核動力裝置的應用以及人工智能、系統仿真和專家系統等技術的發展,NPPOSS可作為獨立的輔助智能決策系統提供給主控室值班長,或者NPPOSS某些功能(如將狀態監測、警報分析以及操作規程等)集成到主控室計算機系統中。因此,NPPOSS的開發是很有實際工程應用價值的研究課題。

[1] 張力,黃署東,黃祥瑞,等.人因可靠性分析方法[J].中國安全科學學報,2001,11(3)：6-16.

[2] 詹靜.基于多層流模型的可靠性分析方法在核動力裝置中的應用[D].哈爾濱工程大學,2007.

[3] Jiro Wakabayashi.日本核電站支持系統的開發[J].國外核動力,1999,5：9-12.

[4] Bhatnagar Rajiv,M iller Don W,H ajek Brian K,et al.An Integrated Operator Advisor System for Plant Monitoring,Procedure Managemen t, and Diagnosis[J].Nuclear Safety.1990,89：281-317.

[5] 閆修平.反應堆主冷卻劑系統分布式故障診斷技術研究[D].哈爾濱工程大學,2008.

[6] Soon H eung Chang,K i Sig Kang,Seong Soo Choi,et al.Development of the On-line Operator A id System OASYSUsing a Ru le-based Expert System and Fuzzy Logic fo r Nuclear Pow er Plants[J].Reactor Control,1995,112：266-294.

[7] 張燕.核電站實時故障診斷系統的設計與實現[J].原子能科學技術,2006,(4)：420-423.

[8] 楊志軍,張源芳.核電站安全參數顯示系統的研究與設計[J].核動力工程,2000,21(1)：77-80.

[9] 孫國臣.船用核動力裝置一回路運行狀態監測方案研究[D].哈爾濱工程大學,2004.

[10] 史覬,付明玉,等.船舶核動力裝置運行管理專家系統[J].船舶工程,2002,(2)：44-48.

[11] 劉飛,張志儉,彭敏俊.核電廠計算機化規程系統開發[J].核動力工程,2007,28(3)：113-116.

[12] 申世飛,魏仁杰.神經網絡操作員支持系統的研究[J].核動力工程,1997,18(4)：360-366.

[13] Cheng Shouyu,et al.The Development and Design of H uman Machine Interface of Nuc lear Pow er Plant Operator SupportSystem[C].NPIC&HM IT2009(美國核學會主辦),Knoxville,Tennessee,Ap ril5-9,2009.

[14] 朱繼洲.核反應堆安全分析[M].西安：西安交通大學出版社,2000：53-55.