核电厂系统动态故障树快速可靠性分析及风险成本多目标优化方法研究

摘要

以故障树、事件树为风险模型的概率安全评价(Probabilitic Safety Assessment，PSA)技术在核电厂的建造、运营、风险评估和日常管理过程中发挥着不可替代的作用，也是核电厂“安审报告”必须要提交的部分。随着核电厂越来越复杂设计系统的出现以及系统可靠性理论的发展，研究人员发现传统的静态故障树、事件树建模技术在分析复杂动态顺序失效系统可靠性时显得有些力不从心。核电厂系统的复杂性主要体现在以下三个方面：核电厂系统失效的顺序(时序)性；核电厂设备失效的多样性；核电厂低使用率备用安全系统风险成本管理的矛盾性。系统失效顺序性是指系统失效不仅与设备的组合逻辑有关，还与设备失效的先后顺序逻辑有关。设备失效的多样性是指设备不仅具有随机性失效（又称可靠性失效），还可能因为设备的定期试验、维修等导致的不可用（也称功能需求失效）。而针对核电厂低使用率备用安全系统，日常维护人员总希望采取的维护策略能够让备用安全系统维持在一个较高的安全水平上，同时承担较少的维护成本，显然这是一个多目标优化问题。
　　针对含有顺序失效行为的复杂系统可靠性，国际上普遍采用动态故障树技术进行建模分析，这种技术首次应用于计算机冗余系统的可靠性评价中，后来逐渐拓展到航空航天、核电厂以及化工过程系统中。目前，动态故障树的求解技术仍旧处在不断地发展之中，特别是针对大规模、高耦合的动态故障树，其可求解性以及求解的高效性都需要进一步地发展提高。不交化积之和法(Sum of Disjoint Products,SDP)是求解不可修动态故障树最有效的方法之一，但是这种方法在求解大规模、高耦合动态故障树时，依旧存在三个亟待解决的关键难题：广义割序事件的逻辑求反运算；广义割序事件的发生概率定量计算；高效的动态故障树SDP模型构建算法。针对第一个问题，作者提出了一种基于摩根定理的广义割序通用求反公式；对于第二个问题，作者提出了一种基于广义割序顺序失效域的多重积分求解公式；对于最后一个问题，作者根据动态故障树的规模以及耦合形式，提出了三种不交化模型构建算法：针对小规模的动态故障树，作者提出了一种基于改进的K.D.Heidtman模型法；针对中大规模的动态故障树，尤其是以动态门直接耦合的动态故障树(在本文也被称之为I类动态故障树)，作者提出一种动态二叉树模型法；针对中大规模的故障树，其中动态逻辑门位于故障树的下端/底端，如果动态逻辑门耦合，也是通过重复事件耦合(在本文也被称之为 II类动态故障树)，作者提出了一种动态二元决策图模型法。为了提高这三种模型的分析效率，作者分别提出了三种模型对应的启发式构建策略。相对于传统的动态故障树求解方法，这三种方法在求解效率上获得了极大的提高。此外，作者在大规模、高耦合不可修动态故障树的数值模拟上也进行了深入的理论研究，提出了一种基于“最小割序集+顺序失效域”的数值模拟方法。该方法可以作为不可修动态故障树数值仿真的一种标准方法。
　　针对设备多样性失效的核电厂动态顺序失效系统，作者同样提出了一种基于最小割序集的可靠性蒙特卡洛数值仿真方法，该方法模拟系统在任务期间内的失效时间段，并根据系统的可靠性指标统计量来分析核电厂系统的可靠性。
　　对于核电厂低使用率备用安全系统，核电厂运营商除了重视系统的可靠性之外，也非常关注系统在整个运营期间的维护费用。期望用最小的维护成本来获取系统最大的可用度。显然，这是一个多目标优化问题。为了实现核电厂低使用率备用安全系统风险成本的多目标优化，作者构建了一种适用的多种群多目标混合整数粒子群优化框架，并解决多目标粒子群优化中三个问题：多目标适应度分配问题，混合整数优化问题（连续和离散决策变量），外部档案更新问题。
　　综上所述，作者的研究有益于核电厂动态顺序失效系统的快速可靠性分析以及低使用率备用安全系统风险成本多目标优化。

目录

缩写词

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 动态故障树分析技术综述

1.3 多目标粒子群优化技术综述

1.4 研究的目的及内容

1.5 组织结构

第二章 论文研究理论基础

2.1 动态故障树理论

2.2 多目标优化理论

2.3 小结

第三章 动态故障树广义割序的逻辑求反和概率计算

3.1 引言

3.2 广义割序表达式

3.3 广义割序集合、时序以及概率性

3.4割序含非事件的“去非”运算

3.5 广义割序的逻辑求反运算

3.6 广义割序的发生概率计算

3.7 小结

第四章 动态故障树解析分析技术

4.1 引言

4.2 改进K.D.Heidtmann模型

4.3 动态二叉树模型

4.4 动态二元决策图模型

4.5 软件开发

4.6 小结

第五章 动态故障树数值模拟技术

5.1 引言

5.2 不可修动态故障树数值模拟

5.3 可修态故障树数值模拟

5.4 小结

第六章 动态故障树在核电厂系统可靠性评价中的应用

6.1 引言

6.2 反应堆功率数字化冗余控制系统

6.3系统可靠性分析

6.4 小结

第七章 核电厂系统风险成本多目标优化

7.1 引言

7.2 问题描述

7.3 风险成本数学建模

7.4 基于粒子群算法的多目标优化框架

7.5 案例分析

7.6 小结

第八章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 创新点

8.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文

攻读博士学位期间科研项目

声明