核電廠系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)快速可靠性分析及風(fēng)險(xiǎn)成本多目標(biāo)優(yōu)化方法研究.pdf

1、以故障樹(shù)、事件樹(shù)為風(fēng)險(xiǎn)模型的概率安全評(píng)價(jià)(Probabilitic Safety Assessment，PSA)技術(shù)在核電廠的建造、運(yùn)營(yíng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和日常管理過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用，也是核電廠“安審報(bào)告”必須要提交的部分。隨著核電廠越來(lái)越復(fù)雜設(shè)計(jì)系統(tǒng)的出現(xiàn)以及系統(tǒng)可靠性理論的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的靜態(tài)故障樹(shù)、事件樹(shù)建模技術(shù)在分析復(fù)雜動(dòng)態(tài)順序失效系統(tǒng)可靠性時(shí)顯得有些力不從心。核電廠系統(tǒng)的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：核電廠系統(tǒng)失效的順

2、序(時(shí)序)性；核電廠設(shè)備失效的多樣性；核電廠低使用率備用安全系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)成本管理的矛盾性。系統(tǒng)失效順序性是指系統(tǒng)失效不僅與設(shè)備的組合邏輯有關(guān)，還與設(shè)備失效的先后順序邏輯有關(guān)。設(shè)備失效的多樣性是指設(shè)備不僅具有隨機(jī)性失效（又稱可靠性失效），還可能因?yàn)樵O(shè)備的定期試驗(yàn)、維修等導(dǎo)致的不可用（也稱功能需求失效）。而針對(duì)核電廠低使用率備用安全系統(tǒng)，日常維護(hù)人員總希望采取的維護(hù)策略能夠讓備用安全系統(tǒng)維持在一個(gè)較高的安全水平上，同時(shí)承擔(dān)較少的維護(hù)成本，顯然這

3、是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。
　　針對(duì)含有順序失效行為的復(fù)雜系統(tǒng)可靠性，國(guó)際上普遍采用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)技術(shù)進(jìn)行建模分析，這種技術(shù)首次應(yīng)用于計(jì)算機(jī)冗余系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)中，后來(lái)逐漸拓展到航空航天、核電廠以及化工過(guò)程系統(tǒng)中。目前，動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的求解技術(shù)仍舊處在不斷地發(fā)展之中，特別是針對(duì)大規(guī)模、高耦合的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)，其可求解性以及求解的高效性都需要進(jìn)一步地發(fā)展提高。不交化積之和法(Sum of Disjoint Products,SDP)是求解不可修動(dòng)態(tài)

4、故障樹(shù)最有效的方法之一，但是這種方法在求解大規(guī)模、高耦合動(dòng)態(tài)故障樹(shù)時(shí)，依舊存在三個(gè)亟待解決的關(guān)鍵難題：廣義割序事件的邏輯求反運(yùn)算；廣義割序事件的發(fā)生概率定量計(jì)算；高效的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)SDP模型構(gòu)建算法。針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，作者提出了一種基于摩根定理的廣義割序通用求反公式；對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，作者提出了一種基于廣義割序順序失效域的多重積分求解公式；對(duì)于最后一個(gè)問(wèn)題，作者根據(jù)動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的規(guī)模以及耦合形式，提出了三種不交化模型構(gòu)建算法：針對(duì)小規(guī)模的動(dòng)態(tài)故

5、障樹(shù)，作者提出了一種基于改進(jìn)的K.D.Heidtman模型法；針對(duì)中大規(guī)模的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)，尤其是以動(dòng)態(tài)門直接耦合的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)(在本文也被稱之為I類動(dòng)態(tài)故障樹(shù))，作者提出一種動(dòng)態(tài)二叉樹(shù)模型法；針對(duì)中大規(guī)模的故障樹(shù)，其中動(dòng)態(tài)邏輯門位于故障樹(shù)的下端/底端，如果動(dòng)態(tài)邏輯門耦合，也是通過(guò)重復(fù)事件耦合(在本文也被稱之為 II類動(dòng)態(tài)故障樹(shù))，作者提出了一種動(dòng)態(tài)二元決策圖模型法。為了提高這三種模型的分析效率，作者分別提出了三種模型對(duì)應(yīng)的啟發(fā)式構(gòu)建策略。相

6、對(duì)于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)求解方法，這三種方法在求解效率上獲得了極大的提高。此外，作者在大規(guī)模、高耦合不可修動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的數(shù)值模擬上也進(jìn)行了深入的理論研究，提出了一種基于“最小割序集+順序失效域”的數(shù)值模擬方法。該方法可以作為不可修動(dòng)態(tài)故障樹(shù)數(shù)值仿真的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。
　　針對(duì)設(shè)備多樣性失效的核電廠動(dòng)態(tài)順序失效系統(tǒng)，作者同樣提出了一種基于最小割序集的可靠性蒙特卡洛數(shù)值仿真方法，該方法模擬系統(tǒng)在任務(wù)期間內(nèi)的失效時(shí)間段，并根據(jù)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)統(tǒng)

7、計(jì)量來(lái)分析核電廠系統(tǒng)的可靠性。
　　對(duì)于核電廠低使用率備用安全系統(tǒng)，核電廠運(yùn)營(yíng)商除了重視系統(tǒng)的可靠性之外，也非常關(guān)注系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期間的維護(hù)費(fèi)用。期望用最小的維護(hù)成本來(lái)獲取系統(tǒng)最大的可用度。顯然，這是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)核電廠低使用率備用安全系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)成本的多目標(biāo)優(yōu)化，作者構(gòu)建了一種適用的多種群多目標(biāo)混合整數(shù)粒子群優(yōu)化框架，并解決多目標(biāo)粒子群優(yōu)化中三個(gè)問(wèn)題：多目標(biāo)適應(yīng)度分配問(wèn)題，混合整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題（連續(xù)和離散決策變量），外部檔