王家群,王 芳,汪 進(jìn),顧曉慧,袁 潤(rùn),殷 園,3,汪建業(yè),李亞洲,胡麗琴,吳宜燦,曾 春,宋明海,蘇長(zhǎng)松,彭曉春,張剛平

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026;2.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031;3.深圳大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)系,廣東 深圳 518060;4.秦山第三核電有限公司,浙江 嘉興 314300)

概率安全/風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Probability Safety/Risk A ssessment,PSA/PRA)是 20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種用于安全和可靠性評(píng)價(jià)的系統(tǒng)工程方法,其在核能、航天、電子等領(lǐng)域均已有廣泛應(yīng)用。隨著近年來(lái)在核電站的工程設(shè)計(jì)、執(zhí)照管理和維修計(jì)劃等工作中的應(yīng)用,PSA正受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[1-2]。

核電站一般是包括幾十甚至幾百個(gè)子系統(tǒng)及成千上萬(wàn)個(gè)部件的大型復(fù)雜系統(tǒng),與之相應(yīng)的PSA模型也比較復(fù)雜;另外核電站PSA的分析計(jì)算工作一般都要有一個(gè)迭代的過(guò)程,對(duì)于同一個(gè)核電站的PSA模型要重復(fù)計(jì)算多次[3]。為了保證分析過(guò)程的可靠性和評(píng)價(jià)結(jié)果的可信性,目前核電站PSA中的分析計(jì)算工作一般都借助于 PSA軟件完成,如瑞典RELCON Scandpow er AB公司開發(fā)的Risk Spectrum[4]、韓國(guó) Korea A tom ic Energy Research Institute開發(fā)的FTREX[5]、美國(guó)Data System s and Solutions公司和Electric Pow er Research Institute聯(lián)合開發(fā)的 R&RW orkstation[6]以及FDS團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的大型集成概率安全評(píng)價(jià)軟件RiskA等[1]。

上述PSA軟件平臺(tái)一般支持對(duì)于多種計(jì)算引擎的調(diào)用[7-9]。對(duì)于第三方計(jì)算引擎調(diào)用的研究,一方面能夠促進(jìn)對(duì)于該計(jì)算平臺(tái)計(jì)算流程和分析接口的深入理解;另一方面通過(guò)在同一平臺(tái)下完成對(duì)于不同計(jì)算引擎調(diào)用,可以為結(jié)果正確性校核、速度比較提供基礎(chǔ)。本文主要研究并完成了在R&RWorkstation平臺(tái)下對(duì)于完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) RiskA計(jì)算引擎的調(diào)用,使用真實(shí)核電站的PSA模型進(jìn)行了RiskA計(jì)算引擎的正確性驗(yàn)證,并且比較了RiskA計(jì)算引擎與CQUANT計(jì)算引擎之間計(jì)算速度的差異。

1 軟件系統(tǒng)介紹

1.1 R&RWorkstation和PRAQUANT

美國(guó)Data Systems and Solutions公司和Electric Power Research Institute聯(lián)合開發(fā)的概率安全分析計(jì)算機(jī)輔助軟件包R&RW orkstation,主要包括CAFTA(故障樹分析)、ETA(事件樹分析)、PRAQUANT(事故序列定量計(jì)算)、UNCERT(不確定性分析)等模塊,其自帶的計(jì)算引擎為CQUANT,另外該平臺(tái)還支持用戶自己配置其他的計(jì)算引擎[7-10]。目前國(guó)內(nèi)已有幾家該軟件的用戶,如秦山第三核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱“秦山三核”)、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院等。

作為 R&R Workstation的子模塊,PRAQUANT是一個(gè)事故序列定量化計(jì)算的工具,它使用故障樹鏈接法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)事故序列的定量計(jì)算。PRAQUANT可以在計(jì)算時(shí)使用多種最小割集計(jì)算引擎,如CQUANT、RELMCS以及RSAT等[7],軟件包中原有的計(jì)算引擎為CQUANT。CQUANT求解大規(guī)模故障樹時(shí)耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致了用戶在使用CQUANT引擎進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)要耗費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間,給PSA工作效率提升帶來(lái)了不利影響。利用 R&RWorkstation平臺(tái)支持用戶自己配置第三方計(jì)算引擎的特性,尋找一個(gè)在計(jì)算速度上優(yōu)于CQUANT的計(jì)算引擎是解決上述問(wèn)題的一條有效途徑。

1.2 RiskA

RiskA是FDS團(tuán)隊(duì)在廣泛調(diào)研和深入分析國(guó)際現(xiàn)有概率安全分析軟件及其關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)的,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型概率安全分析軟件系統(tǒng)。目前RiskA已經(jīng)發(fā)展到了比較成熟的階段,其3.0版本已通過(guò)與國(guó)際同類型軟件校核證明了計(jì)算結(jié)果正確[11],并已在多項(xiàng)工程實(shí)例中成功應(yīng)用,如秦山三期重水堆核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TQRM[12-14]、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆實(shí)驗(yàn)包層模塊ITER-TBM可靠性分析、國(guó)家大科學(xué)工程全超導(dǎo)托卡馬克EAST安全分析以及 FDS系列先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)等[15-16]。

目前RiskA 3.0版本的主要功能包括：系統(tǒng)建模、模型導(dǎo)入、故障樹分析、事件樹分析、不確定性分析、敏感性分析、重要度分析、數(shù)據(jù)管理與分析[1],其中故障樹分析是PSA分析的核心(圖1)。

圖1 RiskA主要功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Modules of RiskA

2 計(jì)算引擎調(diào)用

在PRAQUANT下使用RiskA計(jì)算引擎,可以在更多真實(shí)核電站的PSA模型中驗(yàn)證RiskA計(jì)算結(jié)果正確,同時(shí)也可以與其他計(jì)算引擎進(jìn)行計(jì)算速度的比較。

2.1 計(jì)算流程

首先對(duì)PRAQUANT的計(jì)算流程做一簡(jiǎn)要介紹,如圖2中所示。

2.2 關(guān)鍵問(wèn)題

PRAQUANT在調(diào)用最小割集計(jì)算引擎時(shí)通過(guò)參數(shù)傳遞的方式與計(jì)算引擎通信。以CQUANT為例,PRAQUANT調(diào)用該計(jì)算引擎時(shí)與其傳遞的參數(shù)主要包括：輸入文件信息,輸出文件信息,截?cái)嘀翟O(shè)定,以及其他優(yōu)化設(shè)定等[7]。

圖2 PRAQUANT計(jì)算流程Fig.2 Calculation procedure of PRAQUANT

圖3給出了在PRAQUANT軟件調(diào)用計(jì)算引擎時(shí)若干關(guān)鍵的程序接口。

圖3 PRAQUANT調(diào)用計(jì)算引擎接口Fig.3 Interface between PRAQUANT and calculation engine

完成PRAQUANT下調(diào)用RiskA計(jì)算引擎,需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要有以下3個(gè)[7-9]。

(1)識(shí)別CAFTA輸入文件的格式。由于在PRAQUANT調(diào)用計(jì)算引擎時(shí),提供給計(jì)算引擎的輸入文件格式為CAFTA的故障樹文件,因此RiskA能夠正確識(shí)別并讀入此類故障樹文件是所有工作的基礎(chǔ)。

(2)能與PRAQUANT通信。上文中已提到,PRAQUANT通過(guò)參數(shù)傳遞的方式在軟件界面與計(jì)算引擎之間通信。因此,能否正確接收并執(zhí)行PRAQUANT傳遞的參數(shù)是保證計(jì)算結(jié)果正確可靠的必要條件。

(3)生成PRAQUANT可識(shí)別的最小割集。PRAQUANT在調(diào)用命令正確執(zhí)行之后會(huì)讀取計(jì)算引擎生成的最小割集文件,必須保證RiskA可以生成能被PRAQUANT正確讀取的最小割集文件。

其中,解決RiskA與CAFTA軟件使用文件格式兼容的問(wèn)題是RiskA計(jì)算引擎得以成功配置的關(guān)鍵。本文基于 RiskA已有的工作基礎(chǔ)解決了上述關(guān)建問(wèn)題,并成功實(shí)現(xiàn)了PRAQUANT下調(diào)用RiskA計(jì)算引擎。

3 測(cè)試?yán)}與結(jié)果分析

完成RiskA計(jì)算引擎在PRAQUANT下的調(diào)用之后,以秦山第三核電有限公司基準(zhǔn)PSA模型為測(cè)試?yán)}進(jìn)行了正確性驗(yàn)證以及與CQUANT引擎計(jì)算速度的比較。秦山三核基準(zhǔn)PSA模型復(fù)雜且規(guī)模大,使用的基本事件數(shù)量達(dá)7 564個(gè),邏輯門5 908個(gè),PSA的分析計(jì)算使用了 R&RWorkstation軟件包[6]。它包含50棵事件樹模型以及26個(gè)用于事故序列定量化的故障樹模型,共計(jì)1 007條導(dǎo)致嚴(yán)重堆芯損傷(SCD,Several Core Damage)的事故序列。測(cè)試中各事故序列例題的概率截?cái)嘀稻O(shè)為1.00E-10,分別使用RiskA計(jì)算引擎3.0版本和CQUANT 4.0b版本;測(cè)試用計(jì)算機(jī)配置的處理器型號(hào)為Intel Q9400(2.66 GHz),內(nèi)存3.5 GB,操作系統(tǒng)為M icrosoftW indow s XP。

3.1 正確性驗(yàn)證

經(jīng)秦山三核基準(zhǔn) PSA模型的驗(yàn)證,PRAQUANT下調(diào)用RiskA計(jì)算引擎與調(diào)用CQUANT得到的結(jié)果完全相同。囿于篇幅,表1中給出了部分測(cè)試?yán)}的結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果Table 1 Testing result

使用文件比較工具分別對(duì) RiskA和CQUANT計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了兩者生成的最小割集及其排序完全一致。

3.2 計(jì)算速度測(cè)試

分別統(tǒng)計(jì)了PRAQUANT調(diào)用RiskA和CQUANT計(jì)算引擎的耗時(shí)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),在PRAQUANT下使用RiskA計(jì)算引擎的計(jì)算耗時(shí)明顯少于CQUANT引擎,測(cè)試中設(shè)定條件下未發(fā)現(xiàn)RiskA計(jì)算引擎計(jì)算耗時(shí)多于CQUANT的序列。表2中給出了部分序列的測(cè)試時(shí)間統(tǒng)計(jì),RiskA計(jì)算引擎的計(jì)算耗時(shí)在CQUANT耗時(shí)的1‰以下,例題PCTR-S49中達(dá)到了1/3 498。

表2 計(jì)算時(shí)間Table 2 Calcu lated time

4 總結(jié)

基于FDS團(tuán)隊(duì)開發(fā)的大型集成概率安全分析軟件RiskA,實(shí)現(xiàn)了在PRAQUANT軟件下調(diào)用RiskA計(jì)算引擎。使用真實(shí)電站PSA模型進(jìn)行校核,結(jié)果表明正確地實(shí)現(xiàn)了在PRAQUANT下對(duì)于RiskA計(jì)算引擎的配置,RiskA的定性分析和定量計(jì)算結(jié)果正確。在計(jì)算速度上 RiskA 計(jì)算引擎明顯優(yōu)于CQUANT,測(cè)試中部分例題 RiskA的計(jì)算速度高達(dá)CQUANT的數(shù)千倍。

[1] 吳宜燦,劉萍,胡麗琴,等.大型集成概率安全分析軟件系統(tǒng)的研究與發(fā)展[J].核科學(xué)與工程,2007,27(3)：270-276.

[2] William Keller,Mohammad Modarres.A historical overview of probabilistic risk assessment development and it's use in the nuc lear pow er industry：attribute to the late Professor Norman Carl Rasm ussen[J].Reliability Engineering and System Safety,2005,89：271-285.

[3] PRA Procedu res Guide：A Guide to the Perform an ce of Probabilistic Risk Assessmen ts for Nuclear Pow er Plan ts(NUREG/CR-2300)[M].

[4] 大亞灣核電站PRA項(xiàng)目組.大亞灣核電站概率風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中南工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,13(2)：65-75.

[5] Woo SikJung,Sang HoonH an,Jaejoo Ha.A fast BDD algorithm for large coheren t fault trees analysis[J].Reliability Engineering and System Safety,2004,83：369-374.

[6] Probabilistic Safety Assessm ent(PSA)Qinshan CANDU Project,Probabilistic Safety Assessment Report[R].98-03600-PSA-001,March,2003.

[7] CAFTA userm anual version 5.2[M].America：EPRI and DSS,2005.

[8] Risk spectrum theory manual version 1.10.00[M].Sweden：Relcon AB,1999.

[9] FORTE user'sm anual version 3.0a[M].Korea：KOPEC,2004.

[10]張明禮,吳繼偉,王朝貴,等.可靠性與風(fēng)險(xiǎn)分析程序系統(tǒng)及其在概率安全分析中的應(yīng)用[J].核動(dòng)力工程,2000,21(4)：353-356.

[11]聶淼,吳宜燦,鄧小玖,等.RiskA和RiskSpectrum故障樹計(jì)算的比較分析[J].核科學(xué)與工程,2006,26(4)：358-362.

[12]吳宜燦,胡麗琴,李亞洲,等.秦山三期重水堆核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)展[J].核科學(xué)與工程.2011,31(1)：70-77.

[13]王芳,汪進(jìn),王家群,等.基于SSH構(gòu)架的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].核科學(xué)與工程,2010,30(4)：355-359.

[14]汪進(jìn),王芳,王家群,等.適于風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的零壓縮二元決策圖基本事件排序方法[J].核科學(xué)與工程,2010,30(4)：360-364.

[15]胡麗琴,吳宜燦.聚變發(fā)電反應(yīng)堆雙冷液態(tài)鋰鉛包層的初步概率安全分析[J].核科學(xué)與工程,2005,25(2)：184-187.

[16]曹興煥,胡麗琴,李亞洲,等.EAST低溫系統(tǒng)的故障樹分析[J].核科學(xué)與工程,2009,29(2)：170-175.