Система диагностики водно-химических режимов АЭУ на базе нечёткой логики

Поддержание водно-химического режима (ВХР) является неотъемлемой частью задачи обеспечения безопасности атомных станций. Этой серьезной проблемой занимаются сейчас во всем мире. Ей посвящены конференции независимой межправительственной организации МАГАТЭ, в функции которой входит поощрение исследований и разработок по мирному использованию атомной энергии, а также обмена научными достижениями и методами в этой области. Со второй половины 70-х годов в ряде стран с развитой атомной энергетикой ведутся работы по вопросам обеспечения безопасности при ведении ВХР. За это время были разработаны принципы и критерии безопасности при управлении ВХР, которые были затем реализованы введением соответствующих норм и изложены в ряде документов МАГАТЭ.

Образование в ядерных реакторах большого количества радиационных продуктов выдвигает повышенные требования к безопасности и надёжности работы оборудования АЭС, что напрямую зависит от правильности ведения ВХР. Его поддержание обеспечивает: безопасную величину отложений на поверхности тепловыделяющих элементов и технологических каналов, допустимые скорости коррозии конструкционных материалов и требуемое качество насыщенного пара, не вызывающее недопустимых отложений в проточной части турбин.

Процессы, идущие в паро-водяном контуре АЭС характеризуются наличием высоких температур, нейтронного и гамма излучения, и, в связи с этим, относятся к потенциально-опасным процессам, для которых предусмотрены специальные системы защиты и блокировки. Однако срабатывание этих систем происходит только при достижении контролируемыми параметрами критических значений, в качестве которых используются контрольные уровни и эксплуатационные пределы, то есть, когда развитие аварийной ситуации уже стало необратимым и привело к необходимости частичного или полного останова процесса. Нарушение ВХР является наиболее частой причиной снижения мощности АЭС (до 0,8 номинала), приводящей к большим материальным потерям (60% неплановых простоев, отказов и повреждений оборудования связано с работой неядерных узлов) [19,23,28].

Многообразие видов коррозии в контурах АЭС определяется характеристиками применяемых материалов, конструкцией используемого оборудования и физико-химическими условиями эксплуатации, то есть активностью среды, которая напрямую зависит от правильности ведения водно-химического режима (ВХР). Сложность описания физико-химических процессов, идущих в контуре теплоносителя, многосвязность и многообразие различных систем АЭС, показатели надёжности и безотказной работы которых различны, привели к тому, что в настоящее время не существует достаточно полного математического описания ВХР.

Существующие методы термодинамического моделирования процессов коррозии с водным теплоносителем позволяют проводить анализ и оптимизацию ВХР, но при этом остаётся нерешённым ряд проблем, связанных с получением достоверной термодинамической информацией (в связи с использованием ряда не всегда обоснованных допущений, не совсем корректных термодинамических констант), эффективным использованием современного математического аппарата и др. [23,47,48].

Существует большое количество попыток связать скорость коррозии с параметрами, характеризующими качество ВХР, в первую очередь такими, как Т, рН и содержание 02. Но есть также целый ряд препятствий, мешающих точным оценкам скорости коррозии. Большое количество разнообразных факторов, влияющих на образование и перенос продуктов коррозии в контурах АЭС, усложняет анализ и обобщение экспериментальных исследований. Попытки учёта влияния большого числа факторов в эмпирических методах приводят к чрезмерному усложнению математической модели и росту трудоёмкости расчётов. Существующие модели в большинстве случаев пригодны для описания уже имеющихся результатов по коррозии, но их трудно использовать для целей прогнозирования [23] .

Вышеприведенные факторы объясняют отсутствие в настоящее время полной универсальной теоретической математической модели, учитывающей в совокупности все имеющиеся виды коррозии и осаждение продуктов коррозии в контурах АЭС. Это не позволяет использовать математические методы для поддержания ВХР.

В то же время для оптимального ведения процессов такого класса широко используются системы, основанные на знаниях специалистов-профессионалов, то есть экспертные системы (ЭС). Экспертные системы являются наиболее распространённым классом интеллектуальных систем, ориентированных на использование опыта высококвалифицированных специалистов в специфических областях, где важен эмпирический опыт [3,31,59,60,61,64,76].

К настоящему времени, персоналом различных станций накоплен большой опыт по оптимальному ведению ВХР на АЭС, в том числе и с реактором типа РБМК [7,23,4 6]. Поэтому создание диагностических экспертных систем, позволяющих улучшить поддержание ВХР является сегодня актуальной научной задачей и рассматривается, как один из путей повышения надежности, достижения более длительной, безаварийной и экономичной работы АЭС. Создание системы диагностики ВХР, в задачу которой входило бы более раннее обнаружение возможных неисправностей и определение причин их возникновения, позволяющее заблаговременно принять необходимые меры по нормализации ВХР привело бы к сокращению экономических потерь, связанных с недовыработкой электроэнергии АЭС.

Вследствие специфического характера ВХР АЭС с РБМК, а также в связи с тем, что система диагностики должна использовать знания человека-эксперта, возникает необходимость применения соответствующего аппарата представления и использования имеющихся нечётких и неопределённых знаний.

В связи с этим, целью работы является разработка экспертной системы диагностики ВХР для АЭС с реактором типа РБМК, используюищЕф, аппарат нечёткой логики, как средство соответствующего представления и применения нечётких знании о процессе.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— Разработка структуры системы диагностики ВХР;

— Синтез ДМ для ВХР АЭС с реактором типа РБМК;

— Разработка алгоритма диагностики;

— Разработка программного обеспечения СД ВХР;

— Проверка работоспособности системы.

В диссертации изложены основные результаты проведенной научно-исследовательской работы по разработке и практической реализации системы диагностики ВХР для АЭС с РБМК.

Работа состоит из введения, четырех глав и приложений.

В первой главе приведено краткое описание принципиальной схемы энергоблока ЛАЭС с реактором типа РБМК, рассмотрен ВХР данного энергоблока, объём и уровни химического контроля показателей ВХР, проведён анализ ВХР третьего энергоблока ЛАЭС как объекта диагностики, выявлены особенности его ведения и контроля. Дан аналитический обзор и сравнительный анализ зарубежных и отечественных экспертных диагностических систем на АЭС с различными типами реакторов. Рассмотрено направление в создании диагностических систем базирующееся на использовании нечёткой логики.

Во второй главе рассмотрена общая концепция и выбрана стратегия проведения диагностики. Проведена декомпозиция объекта диагностики по функционально-территориальному признаку.

Приведён сравнительный анализ различных моделей представления знаний (МПЗ) и обосновано использование выбранной модели, в качестве которой используется комбинированная фреймово-продукционная модель как наиболее отвечающая характеру решаемой задачи и позволяющая объединить достоинства и избежать недостатков фреймовых и продукционных систем в чистом виде. В качестве правил продукции в ДМ использовались нечёткие продукционные правила (НПП), которые имеют нечёткие значения в обеих частях правила, степени уверенности в посылке и следствии. Они могут быть дополнены пороговыми значениями, локальными и глобальными весами каждого утверждения и правила в целом.

Предложена структура системы диагностики, организованная по принципу экспертной системы реального времени, в которой выделяются три основные подсистемы (3 уровня): информационная подсистема, диагностическая подсистема и подсистема прогноза состояния ВХР.

Третья глава посвящена построению ДМ системы. Приведён сравнительный анализ прямых и косвенных методов сбора и обработки экспертных знаний. Сделан краткий обзор методов обработки нечёткой информации.

Описано проведение сбора и обработки знаний о ВХР третьего блока ЛАЭС, в процессе которого были сформированы экспертные группы и проведен экспертный анализ предметной области с помощью разработанных опросных листов. В результате анализа полученной информации был составлен окончательный список возможных неисправностей и характеризующих их нарушений ВХР, их приоритетов, выяснены необходимые действия, которые нужно предпринять, чтобы устранить указанные неисправности, и составлен список рекомендаций. На основе обработки и анализа экспертной информации был построен граф причинно-следственных связей и проведено заполнение фреймов модели. Сформирована ДМ, основу которой составляет фреймовая сеть из пяти фреймов одинаковой структуры, содержащих информацию о пяти выделенных при декомпозиции блоках. В качестве примера формирования и заполнения фрейма модели рассмотрен фрейм «Турбинная установка» .

Сделан обзор вариантов подходов к формализации задачи диагностики в терминах нечёткой логики. Выявлены достоинства и недостатки имеющихся методов. Разработан новый алгоритм нахождения решения задачи диагностики, использующий НПП усложнённого вида с пороговыми значениями и весовыми коэффициентами. Описан алгоритм работы системы.

В четвёртой главе освещены вопросы технической и программной реализации разработанной системы диагностики.

Техническая реализация системы диагностики базируется на приборах системы АХК нижнего уровня и автономно работающем компьютере верхнего уровня. Программное обеспечение системы диагностики ВХР имеет модульную структуру, в соответствии со следующими выделенными подсистемами:

— подсистема контроля;

— подсистема диагностики;

— подсистема прогноза.

Описаны структура и функциональные возможности подсистем, а также состав и краткое описание разработанного ПО.

Приведены результаты исследования диагностической системы ВХР в режиме имитации. Тестирование системы прошло успешно. Были проверены все возможные неисправности, содержащиеся в БЗ системы.

В приложениях содержится ДМ системы диагностики в виде набора разработанных фреймов, примеры экранов, иллюстрирующих работу системы и копии документов, подтверждающих полезность выполненной работы.

В процессе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана двухуровневая комбинированная фреймово-продукционная диагностическая модель, включающая в себя нечёткие экспертные и теоретические знания о ВХР АЭС с реактором РБМК.

2. Предложена методика и критерий оценки нечётких выводов, основанный на сравнении нечётких описаний наблюдаемых ситуаций и заложенных в нечётких правилах диагностической модели (ДМ), составлена база паспортов типичных неисправностей, описанных нечёткими векторами в ДМ.

3. Разработан алгоритм функционирования системы диагностики.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе анализа особенностей ведения и контроля ВХР показана целесообразность разработки для него системы диагностики с использованием нечёткой логики.

2. Разработана структура системы диагностики, организованная по принципу экспертной системы, в которой выделяются три основные подсистемы (3 уровня): информационная подсистема, диагностическая подсистема и подсистема прогноза состояния ВХР.

3. Разработан алгоритм диагностики ВХР ЛАЭС на основе нечётких продукционных правил, использующий дополнительные параметры, такие как пороговые значения и коэффициенты уверенности. Алгоритм максимально использует доступную экспертную информацию и является достаточно устойчивым к довольно значительным (до 25%) колебаниям входных данных.

4. Разработана комбинированная фреймово-продукционная диагностическая модель как наиболее отвечающая характеру решаемой задачи и позволяющая объединить достоинства и избежать недостатков фреймовых и продукционных систем в чистом виде. Благодаря представлению диагностических знаний в таком виде реализуется наглядная и структурированная система знаний с достаточно лёгким их определением, приобретением, обновлением и расширением. В качестве модели представления нечётких знаний вместо обычных правил продукции в ДМ были использованы НПП, которые имеют нечёткие значения в обеих частях правила со степенями уверенности в посылке и следствии. Они могут быть дополнены пороговыми значениями, локальными и глобальными весами каждого утверждения и правила в целом.

5. Проведена декомпозиция объекта диагностики по функционально-территориальному признаку, что в дальнейшем позволило снизить размерность ДМ.

6. Разработаны опросные листы для выявления возможных неисправностей в объекте диагностики, детального выяснения характера имеющихся причинно-следственных связей между ними и их проявлениями, а также для выявления необходимых действий, которые персонал АЭС должен предпринять для устранения указанных неисправностей. Осуществлён выбор специалистов-экспертов и организован экспертный опрос.

7. Проведён сбор экспертной информации о ВХР, в результате которого выявлены приоритетность обработки, вероятность и степень проявления различных неисправностей в объекте диагностики, определён характер изменения диагностических показателей в случае возникновения неисправностей, разработаны графические зависимости для преобразования используемой информации в нечёткую форму, а также определены нечёткие пороговые значения для каждого показателя.

8. На базе полученной информации сформирована ДМ, основу которой составляет фреймовая сеть из пяти фреймов одинаковой структуры, содержащих знания о пяти выделенных при декомпозиции блоках.