一种核动力装置一回路冷却剂系统破损故障智能诊断方法与流程

本发明属于核动力装置故障诊断技术领域，具体涉及压水堆核动力装置运行过程中所发生一回路主冷却剂系统破损故障的在线智能诊断方法。

背景技术：

据统计，世界上核电站所发生的运行事件中，有一半以上与运行人员的误操作和误判断有关。引起运行人员误操作和误判断的主要原因是核动力装置的复杂性，以及事故发生时运行人员产生的巨大心理压力。目前，对核动力装置运行故障的判断主要还是由运行人员通过观察运行参数及其变化，根据所掌握的知识和经验进行。要减少乃至避免误判断和误操作的发生，一个有效的技术手段是在核动力装置仪控系统中为运行人员提供实时在线的运行故障自动诊断能力。

一回路主冷却剂系统破损故障是指压水堆核动力装置一回路主冷却剂系统的管道及其中的阀门等出现破损，导致一回路主冷却剂系统压力边界被破坏，冷却剂出现泄漏的事故。该事故出现概率较大，如果不能及时发现，将可能造成严重后果。

核动力装置是一种复杂的非线性、强耦合的动态时变系统。故障在线智能诊断系统实现通过对核动力装置运行参数变化情况的自动分析处理，辅助运行人员准确及时地判断核动力装置所处的运行状态和出现的故障，以便采取正确的处置措施。常用的故障诊断技术可分为基于机理模型的、基于数据驱动的和基于知识规则的三大类。

基于机理模型的故障诊断方法需要建立被诊断对象准确的机理或数学模型。然而，核动力装置极为复杂，且随着使用和设备老化，其特性也会发生一定程度的变化，要建立其准确完备的正常和事故工况下的机理模型或数学模型较为困难，且运算耗时较长，因此该类方法在实时性和准确性上离实际应用的要求还有较大差距。

基于数据驱动的故障诊断方法的实现基础是拥有被诊断设备正常和故障状态下大量的样本数据。由于核动力装置故障状态时危险性高，通常无法通过实验来获取其故障时运行数据样本，往往只能通过模拟仿真获取，但其真实程度有限。因此，基于数据驱动的故障诊断方法尽管近年来有较多理论研究成果，但针对核动力装置的运行故障诊断，其可实现性和准确性离实际应用的要求也还有较大差距。

人们在核动力装置长期运行过程中已积累了丰富的运行经验，结合理论分析，可以形成丰富且较完备的故障判定规则。因此，采用基于知识的人工智能技术——专家系统来实现核动力装置运行故障的自动诊断是一个现实可行的技术途径。一个实用的故障在线自动诊断专家系统，需要解决两方面问题：一是如何将自然语言形式的故障判断规则转换为适用于计算机程序语言的表达形式；二是如何有效保证故障判定推理过程的实时性。

传统的专家系统都是基于产生式规则，这与人们对经验知识的总结和表达方式是一致的，便于理解，但用程序语言来表达时往往较为繁琐。另外，传统专家系统的推理机都是按照规则组合进行串行推理的，在规则较复杂时，搜索效率低，推理速度慢。当知识规则较多时，还可能出现规则冲突和推理循环等问题。

技术实现要素：
：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一套能够将基于自然语言的压水堆核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则知识转化为计算机易于存储和表达的知识矩阵，并通过矩阵运算实现诊断过程的并行推理，从而实现核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障快速自动诊断的方法。

为了解决上述技术问题本发明所采用的技术方案为：

一种核动力装置一回路冷却剂系统破损故障智能诊断方法，包括：

设定核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则，依据诊断规则生成知识矩阵，知识矩阵包括状态向量p、输入变换矩阵i、输出变换矩阵o和转移触发向量dt；实时获取诊断规则中各元命题所对应的参数信号，据此确定各元命题的状态并赋值于状态向量p，依据知识矩阵进行故障诊断推理计算，判断所得到的结果是否为真，若是，则表示核动力装置一回路主冷却剂系统破损，若否，则表示核动力装置一回路主冷却剂系统未破损。

较佳地，核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则包括：

规则一，ifp1andp6andp5thenp10；

规则二，若规则一成立andifp9andp8andp4andp3andp2andp10thenp11；

规则三，若规则二成立orifp7thenp11；

其中，元命题p1的状态为1时表示一回路平均温度未下降，元命题p1的状态为0时表示一回路平均温度下降；

元命题p2的状态为1时表示二回路水剂量未超标，元命题p2的状态为0时表示二回路水剂量超标；

元命题p3的状态为1时表示稳压器安全阀未开启，元命题p3的状态为0时表示稳压器安全阀开启；

元命题p4的状态为1时表示稳压器释放阀未开启，元命题p4的状态为0时表示稳压器释放阀开启；

元命题p5的状态为1时表示稳压器水位下降，元命题p5的状态为0时表示稳压器水位未下降；

元命题p6的状态为1时表示一回路排水阀未开启，元命题p6的状态为0时表示一回路排水阀开启；

元命题p7的状态为1时表示有安全壳剂量高报警，p7的状态为0时表示无安全壳剂量高报警；

元命题p8的状态为1时表示无设备冷却水剂量高报警，p8的状态为0时表示有设备冷却水剂量高报警；

元命题p9的状态为1时表示辅助系统无泄漏报警，p9的状态为0时表示辅助系统有泄漏报警；

元命题p10的状态为1时表示一回路压力边界出现破口，p10的状态为0时表示一回路压力边界未出现破口；

元命题p11的状态为1时表示一回路主冷却剂系统破损，p11的状态为0时表示一回路主冷却剂系统未破损。

较佳地，诊断规则中各元命题所对应的参数信号包括：一回路平均温度、二回路水剂量高报警信号、安全阀排放管温度高报警信号、释放阀排放管温度高报警信号、稳压器水位、一回路排水阀开启状态信号、安全壳剂量高报警信号、设备冷却水剂量高报警信号和其他各辅助系统泄漏报警信号。

较佳地，生成状态向量p的方法包括：状态向量p的元素对应于规则中所有元命题的当前状态，各元命题按在三个规则中依次出现的顺序排序，且不重复，最终结论元命题排列在向量p中最后，

p＝[p1，p6，p5，p10，p9，p8，p4，p3，p2，p7，p11]。

较佳地，生成转移触发向量dt的方法包括：

转移触发向量dt中的元素dt[i]的值是第i个转移ti对应的条件元命题个数，是行向量，维数对应于转移的个数，也即诊断规则的条数；规则一中条件元命题的个数为3，dt[1]＝3；规则二中条件元命题的个数为6，dt[2]＝6；规则三中条件元命题的个数为1，dt[3]＝1；转移触发向量dt＝[3,6,1]。

较佳地，生成输入变换矩阵i的方法包括：

输入变换矩阵i中的行对应于一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则中的11个元命题；列对应规则一、规则二和规则三中的三个转移；输入变换矩阵i中的行的排序与p中元命题排序严格一致。列的排序与转移的排序严格一致。

较佳地，生成输出变换矩阵ο的方法包括：

输出变换矩阵ο中的行对应规则一、规则二和规则三中的三个转移，列对应11个元命题，并与p中元命题排序严格一致。

较佳地，根据读取到的状态向量p各元命题对应参数的输入信号值，获取p中各元命题的状态，赋值于状态向量p，依据知识矩阵进行故障诊断推理计算的方法包括：

(1)根据读取的输入信号获取状态向量p中各元命题的初始状态，并赋值给初始状态向量p0，令p＝p0；

(2)计算p×i，根据dt对p×i的结果进行修正，得到t；

(3)计算t×o，将t×o的结果中大于1的元素修正为1，得到的结果赋值于s；

(4)计算s+p0，将s+p0的结果赋值于s；

(5)如果p≠s，则令p＝s，转到第(2)步循环进行；如果p＝s，则获取p中结论元命题对应元素p[11]的数值，若等于1，则结果表示为真，判断出发生了一回路冷却剂系统破损故障；否则，判断出没有发生一回路冷却剂系统破损故障。

本发明的有益效果在于：本发明为核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断提供一种实用、高效、便于计算机存储和运算的故障诊断知识表达和推理方法。设计了一种基于元命题和知识矩阵的故障诊断规则知识表达体系，以及基于矩阵运算的并行推理算法，从而大大方便了诊断规则知识在计算机中的表达和存储，并可极大提高诊断推理过程的速度，克服传统专家系统随着规则的增多导致推理速度急剧下降的技术瓶颈，从而保证核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障在线智能诊断系统的实时性和可实现性。

本发明所设计的基于故障诊断知识矩阵的核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断专家知识表达体系，便于计算机存储、调用和扩展，并便于规则冲突和死循环的检测；所设计的基于知识矩阵运算的推理算法，可以将复杂的逻辑推理过程变换为简单的矩阵运算，并具有并行推理能力。应用于核动力装置一回路冷却剂系统破损故障诊断中，可极大地方便诊断知识的表达和存储，提高故障诊断专家系统的运行效率，并实现推理算法与数据的完全剥离，从而易于在使用过程中不断扩展新的知识规则，使得故障诊断系统的能力不断完善和增强，具有良好的可扩展性。

附图说明

图1为压水堆核动力装置系统示意图；

图2为本发明实施例一回路主冷却剂系统破损故障判定过程流程图；

图3为本发明实施例知识矩阵初始化流程；

图4为本发明实施例核动力装置运行故障诊断流程；

图5为本发明实施例利用所述知识矩阵进行故障诊断的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

(1)形成压水堆核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则知识矩阵

压水堆核动力装置如图1所示，一回路主冷却剂系统破损故障判定过程如图2所示，生成诊断规则如下：

if((一回路平均温度未下降and一回路排水阀未开启and稳压器水位持续下降and无设备冷却水剂量高报警and辅助系统无泄漏报警and稳压器释放阀未开启and稳压器安全阀未开启and二回路水剂量未超标)or有安全壳剂量高报警)then一回路主冷却剂系统破损。

一种基于知识矩阵的故障诊断专家知识表达体系，通过模型元素的定义，以及知识矩阵生成方法的设计，达到易于核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断知识计算机表达和存储的目的，为实现运行故障自动诊断奠定基础。

1)知识矩阵构成元素的定义

a.元命题

核动力装置一回路冷却剂系统破损故障诊断知识的产生式规则形式可表示为：

if(p1andp2…)or(p3andp4…)……,thena

其中，p1、p2、p3……等是条件命题，a是结论命题。

命题pi的结构通常为一种条件的判断，如某个参数大于、小于或等于某个值(例如：一回路平均温度未下降)，或是某个设备状态否具有某种现象、属性(例如：一回路排水阀未开启)等。这些命题只有“成立(真)”或“不成立(假)”两种状态，在此将其均定义为“元命题”。结论命题a也是元命题之一，为“一回路主冷却剂系统破损”。

“元命题”指故障诊断产生式规则知识中最小的逻辑判断单元。它不可再分解为两个或两个以上逻辑判断的组合。它可以是输入元命题和结论元命题(通常具有具体的物理含义，如：一回路平均温度大于300℃，或排水阀开启等)，也可以是逻辑推理的中间结果(即中间元命题，可能没有具体的物理含义)，用pi表示。

针对核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断知识的产生式规则，确定其元命题如表1所示。

表1一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则元命题定义表

表1中，p10是中间元命题，此处具有物理意义，即：一回路压力边界出现破口；p11是结论元命题，其他均为输入元命题。

b.诊断知识产生式规则

在表1对元命题定义的基础上，可以将一回路主冷却剂系统破损故障诊断知识的产生式规则用符号表示为：

规则一：ifp1andp6andp5thenp10；

规则二：ifp9andp8andp4andp3andp2andp10thenp11；

规则三：orifp7thenp11。

上述规则可分为两类，即(1)如果规则头是以“or”开头，则表示该规则与其他规则是“或”关系；(2)如果规则头是直接以“if”开头，则表示该规则与其他规则是“与”关系。

对于上述三条规则，可以看出，每条规则会有一个推理结论，即包含一个“then”字符。另外，每条规则最多只有一个“or”运算符，如果有多个“or”运算符，则可将其拆分为多条规则。

c.状态

指元命题的判断结果。其值采用α(pi)表示，具有1和0两种取值。当某个元命题的判断结果为真时，其状态取值为1，否则为0。条件元命题的状态值取决于其所含的核动力装置运行参数(或设备运行状态等)在当前时刻下的判断结果，结论或中间元命题的状态值则取决于其前序元命题的逻辑运算结果。

d.状态向量p

状态向量p的元素对应于规则中所有元命题的当前状态。其排序除了结论元命题排在向量p的最后外，其他元命题按照在规则中依次出现的顺序排序。如果有元命题在各规则中多次出现，则按照第一次出现的顺序排列，并且p中元素无重复。

向量中某一元素值为1表示该元素对应的元命题pi的状态为真，该元命题的状态被激活(即α(pi)＝1)；元素值为0，则反之(即α(pi)＝0)。为简化表达，在后续定义和计算中，直接用pi表示其对应元命题的状态值α(pi)。

对于一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则，共有11个元命题的状态(含9个输入元命题、1个中间元命题和1个结论元命题的状态)。其状态向量为：

p＝[p1，p6，p5，p10，p9，p8，p4，p3，p2，p7，p11](1)

e.转移

转移表示逻辑“与”运算，指诊断推理过程中某中间元命题或结论元命题的状态发生变化。一个转移可以拥有1个或多个条件元命题(推理逻辑条件，可以是输入元命题，也可以是中间元命题)，以及1个结果元命题(推理逻辑结果，可以是中间元命题，也可以是最终结论元命题)。当某个转移的所有条件元命题的状态均为1时，转移被触发，其结论元命题状态变为1，表示该转移已发生。转移采用ti表示。

一条规则中的“then”代表一次“状态转移”。对于一回路主冷却剂系统破损故障诊断，共有3条规则，分别对应三个转移t1、t2、t3。

f.转移触发向量dt

转移触发向量dt中的元素dt[i]的值是第i个转移ti对应的输入元命题个数。是行向量，维数对应于转移的个数，也即诊断规则的条数。

对于一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则，其转移触发向量dt为：

dt＝[3,6,1](2)

g.输入变换矩阵i

输入变换矩阵i中的行对应于一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则中的11个元命题；列对应推理规则中的3个转移。矩阵i中某一元素值为1，表示该元素所在行对应的元命题是该元素所在列对应的转移的输入元命题；某一元素值为0，则表示该元素所在行对应的元命题不是该元素所在列对应的转移的输入元命题。

输入变换矩阵i中的行的排序应与p中元命题排序严格一致。列的排序与转移的排序严格一致。

对于一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则规则，其输入变换矩阵i为：

h.输出变换矩阵ο

输出变换矩阵ο中的行对应推理规则中的3个转移，列对应推理规则中的11个元命题。某一元素值为1，表示该元素所在列对应的元命题是该元素所在行对应的转移的输出元命题；某一元素值为0，表示该元素所在列对应的元命题不是该元素所在行对应的转移的输出元命题。

输出变换矩阵ο中的列的排序应与p中元命题排序严格一致。行的排序与转移的排序严格一致。

对于一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则，其输出变换矩阵ο为：

2)一回路主冷却剂系统破损故障诊断知识矩阵

在上述定义前提下，状态向量p、输入变换矩阵i、输出变换矩阵ο和转移触发向量dt共同构成故障诊断规则知识网络模型的知识矩阵n＝{p、i、o、dt}，完整表达了故障诊断规则知识的输入条件和推理逻辑。该知识矩阵表达方式，只需在计算机中存储4个向量或矩阵，大大减少了计算机对诊断知识的存储容量需求，并为后续基于知识矩阵的推理算法奠定基础。

在本诊断方法实施过程中，首先根据被诊断的核动力装置构成和一回路主冷却剂系统破损故障诊断专家知识，生成上述知识矩阵，存储于诊断系统的知识库中，完成诊断系统的初始化工作。初始化流程如图3所示。这一工作一般在诊断系统投入前完成，并可在使用过程中不断添加新故障类型的诊断规则知识矩阵。

(2)基于矩阵运算的故障诊断推理过程

核动力装置运行故障诊断过程就是按照一定的时间周期，采集所需信号，通过诊断推理计算，进行故障判断的反复循环的过程，如图4所示。

本发明把依据产生式诊断规则进行逐条推理的故障诊断过程，转换为简单高效的基于知识矩阵运算的处理过程，可以大幅提高故障诊断专家系统的运行效率，从而满足核动力装置运行故障诊断的实时性要求。

在建立了核动力装置一回路主冷却剂系统破损故障诊断的知识矩阵n＝{p、i、o、dt}后，利用其进行故障诊断的推理算法步骤如图5所示。

根据表1所确定的一回路主冷却剂系统破损故障诊断规则元命题定义和所需采集的信号，为进行实际应用效果的验证，分别设定了故障发生和故障未发生两种测试工况。两种工况下各元命题的初始状态如表2所示。

表2两种工况下一回路主冷却剂系统破损故障诊断元命题初始状态表

如前所述。

针对一回路主冷却剂系统破损故障，在初始化过程中构建其诊断规则的知识矩阵n＝{p、i、o、dt}为：

状态向量p＝[p1，p6，p5，p10，p9，p8，p4，p3，p2，p7，p11]

输入变换矩阵：

输出变换矩阵：

转移触发向量dt＝[3,6,1]。

下面对两种测试工况下，一回路主冷却剂系统破损故障诊断实施过程中的诊断推理计算过程作具体说明：

第1步，读取核动力装置运行参数，并根据运行参数值确定各元命题的初始激活状态，为状态向量p赋初值，赋值的方法为：p向量的第一个元素为元命题p1，即“一回路平均温度未下降”。诊断时，首先读取当前时刻一回路平均温度，并与前一时刻值进行比较，如果未下降，则元命题p1为真，p向量第一个元素赋值为1；如果下降了，则元命题p1为假，p向量第一个元素赋值为0。其他元素赋值过程类推：

假定工况一下：p＝[1，1，1，0，1，1，1，1，1，1，0]；

假定工况二下：p＝[1，1，1，0，1，1，1，1，0，0，0]；

第2步，进行推理运算，输出推理结论。

a.工况一计算步骤：

①根据输入信号为初始状态向量p0赋值，p0＝[1，1，1，0，1，1，1，1，1，1，0]，并令p＝p0；

②t＝p×i＝[3，5，1]，根据dt修正得t＝[1，0，1]；

③s＝t×o＝[0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，1]，计算s＝s+p0＝[1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]，有s≠p，推理未完成，更新了中间节点p10的状态。令p＝s＝[1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]，进入下一次循环；

④t＝p×i＝[3，6，1]，根据dt修正得t＝[1，1，1]；

⑤s＝t×o＝[0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，2]，对于取值大于1的元素，表示该节点上游有多个转移发生，由于是或运算，有一个转移发生，则其下游元命题状态即可发生变化，故将s中取值大于1的元素修正为1，得s＝[0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，1]；

计算s＝s+p0＝[1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]，有s＝p，推理完成。p中结论元命题对应元素p[11]＝1，输出诊断结论：一回路主冷却剂系统破损故障发生。

b.工况二计算步骤：

①根据输入信号为初始状态向量p0赋值，p0＝[1，1，1，0，1，1，1，1，0，0，0]，并令p＝p0；

②t＝p×i＝[3，4，0]，根据dt修正得t＝[1，0，0]；

③s＝t×o＝[0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0]，计算s＝s+p0＝[1，1，1，1，1，1，1，1，0，0，0]，有s≠p，推理未完成，更新了中间节点p10的状态。令p＝s＝[1，1，1，1，1，1，1，1，0，0，0]，进入下一次循环；

④t＝p×i＝[3，5，0]，根据dt修正得t＝[1，0，0]；

⑤s＝t×o＝[0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0]；

计算s＝s+p0＝[1，1，1，1，1，1，1，1，0，0，0]，有s＝p，推理完成。p中结论元命题对应元素p[11]＝0，输出诊断结论：一回路主冷却剂系统破损故障未发生。

可见，推理结论与工况预设结论相符合。

此算例验证了该算法的正确性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。