船用核动力装置智能报警信号分析系统

吕 猛，王少明，马 杰，蔡 莉，刘知彤

(1.海军工程大学， 武汉 430000； 2.中国核科技信息与经济研究院, 北京 100048)

【装备理论与装备技术】

船用核动力装置智能报警信号分析系统

吕 猛1，王少明1，马 杰1，蔡 莉2，刘知彤1

(1.海军工程大学， 武汉 430000； 2.中国核科技信息与经济研究院, 北京 100048)

由于核动力装置固有的复杂性所引起的信息量的繁杂性与多样性，以及元件耦合产生的报警交互性，运行人员在事故情况下，往往难以做出正确的判断和决策。为了提高船用核动力装置的安全性能，降低运行人员误判的概率，进行了船用核动力装置智能报警信号分析系统的研究，为合理使用报警信息分析系统提供了可行的方案。

核动力装置；智能报警信号；分析系统

船用核动力装置是一个复杂的动态系统，运行情况多变，安全性能要求很高。一旦发生故障，如果运行人员处理不当，可能导致事故的恶性发展，产生灾难性后果。然而在事故情况下，由于核动力装置固有的复杂性所引起的信息量的繁杂性与多样性，以及元件耦合产生的报警交互性，运行人员往往难以做出正确的判断和决策。特别是在事故状态下，控制室狭小的空间内瞬间报警铃声骤起、报警灯齐亮，使得运行人员精神骤然紧张，更加容易出现误判断和误操作[1]。因此，在故障发生时分析报警信号，判断各报警信号之间的逻辑关系，尽可能准确地判断故障设备和故障性质十分重要。

1 智能报警信号系统

智能报警系统开发始于20世纪90年代后期。各国家根据几十年的核电运行经验，结合计算机技术，开发了不同水平的报警系统，并嵌入到运行支持系统之中。与传统的报警系统相比，现代报警系统具有智能处理能力强、人机界面友好、软件平台易于开发等特点。目前常用的智能报警技术主要有神经网络方法、故障树方法、功能模型方法等[2]。

现代核电站对核动力装置的监测和诊断大多都采用传统的阈值方法。每一个监测参数的阈值事先设定好，当被测参数的信号超过了规定的阈值时，综合控制台就会发出报警信号或采取相应的动作。使用这种方法进行状态监测，当检测出异常情况时，一个报警信号的产生可能会引发多个报警信号。操作人员误操作的主要原因便是对报警信号的分析处理不当。据统计，核电站20%～90%的系统失效与人有关，其中直接或间接引发事故的概率为70%～90%[3-5]。前苏联切尔诺贝利4号机组事故便是由于运行人员粗暴违反操作规程[6]。

2 船用核动力装置综合报警系统

与核电站相比，船用核动力装置长时间在海洋中运行，其使用和管理在很大程度上依赖于操纵人员的经验和技能，缺乏有效的技术后援；同时受到海洋复杂环境的影响，加上装置运行产生的噪音、振动和冲击难以完全隔离和消除，运行操纵人员工作环境舒适度差，工作周期长，紧张和疲劳不易恢复，当报警信号发生时容易发生误判和误操作。因此，要求能集中较多的专业知识和较复杂的逻辑思维和推理手段，在故障发生时判断各报警信号之间的逻辑关系，协助运行人员做出正确的决策和采取相应的补偿和抑制措施，提高核动力装置运行的安全性和可靠性[7]。

船用核动力综合报警系统主要通过综合报警装置和综合显示控制台、各集中控制台、轴系显示表盘等设备上的警钟、警铃和报警光字牌实施声光报警。按超过运行限值(简称越限)的参数和设备故障对船用核动力装置正常运行的危害程度分为3级报警。各级报警由不同颜色的光字牌和警铃共同给出。报警的内容由被点亮的光字牌上的刻字标明。

综合报警系统的主要功能是当核动力装置运行工况出现异常或不安全的情况时，向运行人员发出声光报警信号，提醒运行人员注意报警参数并采取相应措施[8]。它的作用主要包括：① 维持正常运行工况：当系统参数超过正常运行工况阈值，或者核动力装置的运行情况与相应的前进工况状态不符合时，发出信息或报警提醒操作员关注报警参数及事态进程，尽快采取措施消除报警，提高核动力装置的安全性；② 防止故障的发生：设备状态异常或发生随机故障时，及时给出系统故障报警；③ 事故的控制与缓解：发生异常或事故时能够触发自动停堆或专设安全设施动作。

3 船用核动力装置智能报警信号分析系统

船用核动力装置智能报警分析系统设计和开发，需有效地总结与开发已有的核动力装置设计技术与经验，充分利用船用核动力装置运行产生的历史数据、实际的运行经验以及利用事故分析、特别是严重事故分析取得的各种事故进程数据，由此形成训练样本与知识判断规则，这是提高智能报警信号分析系统水平最重要的环节。对报警信号进行有效性确认、静态和动态分级及必要的推断与分析处理、压缩报警信号量，引入计算机化的报警响应规程，提高系统的可靠性。

核动力装置智能报警分析系统的开发，重点关注以下几个方面：

1) 人工智能方法的应用。将比较成熟的人工智能方法如专家系统[9]、神经网络[10]、故障树等应用到核动力装置报警分析领域，当综合控制台因故障产生大量报警时，利用智能诊断技术分析报警元件，理清报警信号之间的逻辑关系，同时进行报警的优先级排序，高亮显示与故障直接相关的主要报警，抑制次级报警。

2) 报警系统的界面设计。构成报警系统界面的基本元素，如显示格式、数据质量和更新速度等，这些信息元素的组合要符合运行人员的认知习惯。对报警信号进行必要的逻辑分析，通过闪光频率、亮度及颜色编码等不同的显示方式提交运行人员。

3) 报警系统的交互能力。提高运行人员与智能报警分析系统的交互水平，充分结合运行人员丰富的运行经验和智能技术的逻辑推理能力，提高报警分析水平，降低误判概率，同时考虑界面操作的方便易行。

本文设计开发智能报警信号分析系统的结构框图如图1所示，其中包括4个大的结构模块：① 参数输入模块：完成信息输入、规范化处理与信息有效性确认；② 报警分析与推理模块：利用已有的核动力装置运行积累的经验、事故分析数据，通过基于知识、规则等进行动态分级，包括运行工况确认、因果关系确认与重要性确认、推理分析与判断；③ 故障表达模块：通过推理预测得到结论与建议，在系统的模拟图、安全级的显示器上给出报警信息，给出报警清单等；④ 知识库补充反馈模块。智能报警技术需不断发展、不断完善，并将新的综合知识与规则补充结合到知识库中。

智能报警信号分析系统中报警信号分析流程图如图2所示。

3.1 报警信息预处理

当报警信号出现时，智能报警信号分析系统会主动获取报警信息。一旦接收到报警信息，就将报警信息存入信息库，同时启动预处理功能。

报警信息预处理可以对报警信息进行预先处理，过滤掉明显的假报警信息，留下待判断的信息进入系统，这样大大减少了报警信息分析的数量，其中报警信息分类系统利用数据挖掘技术对报警信息进行分类，报警信息预处理可以读取报警信息的分类，忽略假报警信息。

图1 船用核动力装置智能报警信号分析系统结构框图

图2 报警信号分析流程

3.2 报警推理子系统

智能报警信号分析系统可以将输入的报警信息进行直接或者间接显示，但如果忽略了各报警信息之间的相互影响交互性，则无法为操作人员提供有效的报警信息。针对此问题，在智能报警信号分析系统中引入报警推理子系统，运用成熟的人工智能方法对报警信息进行推理，得出源头报警信息。

报警推理子系统的推理是以知识库为基础的，知识的准确性直接影响最后的诊断结果。报警推理规则存放于知识库当中，并进行统一的管理更新。运用知识库中储存的报警分析规则对报警信息进行分析推理，得出最后结果，将其呈现到屏幕上，为操作员提供帮助。

4 实例分析

给水系统故障可能是指由于给水控制系统故障或操作员失误使一个给水控制阀处于完全开启状态，其结果将引起蒸汽发生器给水流量过度增加。给水流量的增加使反应堆冷却剂温度降低，同时由于慢化剂效应，反应堆功率增加。如给水的不断增加，蒸汽发生器二次侧的水位不断上升。虽然蒸汽发生器二次侧压力变化不大，但出口蒸汽品质的恶化会给二回路的用汽设备带来不良影响，有可能造成蒸汽发生器二次侧满水。

模拟双泵高速工况下，将1#给水调节阀完全开启，模拟给水调节阀卡滞故障。采集故障发生后关键变量的一个瞬态样本如表1所示。其中正常值经处理后变为1，监测值为其百分比。

当给水流量增加时，会产生比较多的报警。报警信息输入的同时会有假的报警信息，比如蒸汽发生器压力的报警信号。报警信息首先输入到报警预处理系统中，根据知识库中储存的经验信息可以知道如果是蒸汽发生器压力是问题的根源，那么其值是减小的，比较其测量值发现两者不一致，那么该报警即为假的报警信息可以过滤掉。因此可以在子系统中过滤大量的假报警信息。

表1 给水系统故障的瞬态样本

无法第一时间过滤的报警信息将被送入报警推理系统。运用一定的算法和推理技术进行验证。通过变量的预测值和实际值可以判断相关报警是否为真报警。例如给1#水调节阀开度增大报警时，则1#蒸汽发生器给水流量增大、1#蒸汽发生器水位增加、1#蒸汽发生器压力增加、1#蒸汽发生器蒸汽流量增加、左环路平均温度降低、反应堆功率增加、主冷凝器水位增加、真空度增加。这几个变量的状态量分别是(+)、(+)、(+)、(+)、(-)、(+)、(+)、(+)，推断值与测量值一致，那么报警信号就是真的。

最后通过分析所有的报警信息可以得出报警源是由于给水调节阀开度增大，给水调节阀就是源故障部件。将结果迅速显示在结果屏幕上，操作人员可以迅速做出准确的操作。

5 结论

1) 船用核动力装置报警系统大多采用模拟式信号处理的单点报警技术，其智能程度低，一旦发生异常或事故，运行人员在短时间内很难做出正确的判断并采取相应的措施；

2) 核动力装置智能报警分析系统可以在报警超出运行人员的处理能力时，不会因为雪崩而导致瘫痪；

3) 区分重要报警和非重要报警，同时识别各个报警信号的先后顺序、逻辑关系以及其所处的状态，可为运行人员在故障早期准确判断核动力装置情况提供帮助；

4) 在成熟的人工智能系统帮助下，开发核动力装置智能报警分析系统，提高核动力装置的安全性是十分有必要的。

[1] 高景辉,邢宏传,张荣华,等.微机型船用核动力工程仿真系统初步设计[J].原子能科学技术,2004(6):533-536.

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[5] 成守宇,王贺,彭敏俊,等.核动力装置运行支持系统的设计与开发[J].核动力工程,2010,30(4):325-332.

[6] 顾少白.切尔诺贝利核电站事故对世界核电发展的影响[J].世界经济研究,1987(1):22-27，66.

[7] 王秋彦.故障诊断技术研究现状及发展趋势[J].电子测量技术,2009(4):86-87.

[8] 杨利彪,杨扬.火灾自动报警系统设计改进[J].电气应用,2011,31(2):71-77.

[9] 晁进,刘文颖.基于多智能体和专家系统的电网智能报警系统研究[J].现代电力,2010,10(5):27.

[10] 周刚,杨立.核电厂智能诊断方法研究的进展[J].原子能科学技术,2008,42(s1):92-99.

(责任编辑周江川)

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

吕猛(1992—)，男，硕士研究生，主要从事核动力控制与运行研究。

王少明(1962—)，男，教授，主要从事核动力装置运行分析与仿真技术研究，

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：吕猛，王少明，马杰，等.船用核动力装置智能报警信号分析系统[J].兵器装备工程学报，2017(9):77-80.