葉博書，陸古兵，張龍飛，朱利文，王　飛

(海軍工程大學(xué)，武漢　430033)

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故障數(shù)據(jù)庫在核動力裝置定期安全審查中的應(yīng)用

葉博書，陸古兵，張龍飛，朱利文，王飛

(海軍工程大學(xué)，武漢430033)

對目前已發(fā)生的核動力裝置部分典型故障進行分析總結(jié)，歸納出征兆參數(shù)，然后利用這些征兆參數(shù)在監(jiān)測模擬機上進行隨機運行模擬，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。利用SPSS軟件對該數(shù)據(jù)庫進行故障頻度分析，根據(jù)分析的結(jié)果研究其應(yīng)用于定期安全審查的價值。

典型故障； 征兆參數(shù)； 數(shù)據(jù)庫； SPSS軟件； 定期安全審查

本文引用格式：葉博書，陸古兵，張龍飛，等.故障數(shù)據(jù)庫在核動力裝置定期安全審查中的應(yīng)用[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(8):113-117.

定期安全審查(PSR)是國際原子能機構(gòu)(IAEA)近年推廣的一種新的核電廠安全審查方式,它通過在規(guī)定的時間間隔對核電廠的安全性進行系統(tǒng)評價，以應(yīng)對老化、修改、運行經(jīng)驗等方面的積累效應(yīng)，確保核電廠在壽命期內(nèi)具有較高安全水平。核動力裝置在運行過程中需要監(jiān)測的參數(shù)復(fù)雜而多變，監(jiān)測這些參數(shù)的系統(tǒng)隨著核動力裝置的運行將會產(chǎn)生大量的運行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)組態(tài)的初始化數(shù)據(jù)，即各種指標(biāo)參數(shù)、各種故障數(shù)據(jù)、中間結(jié)果數(shù)據(jù)以及診斷結(jié)果數(shù)據(jù)等[1]，面對如此量大而復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場的操縱員在處理時將很困難，同時浪費人力、財力，而且效率不高。近幾十年來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)也突飛猛進，并且在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要是建立數(shù)據(jù)庫將核動力裝置模擬運行中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)進行管理，同時利用SPSS軟件對記錄的故障數(shù)據(jù)進行分析，然后探討故障數(shù)據(jù)庫在定期安全審查中的應(yīng)用價值。

1　核動力裝置故障數(shù)據(jù)庫的設(shè)計研究

1.1功能需求分析

充分利用計算機技術(shù)對數(shù)據(jù)進行管理和處理在當(dāng)下及未來是一種發(fā)展趨勢，尤其是數(shù)據(jù)庫技術(shù)日漸成熟，使數(shù)據(jù)的管理和處理也逐步走向信息化。伴隨著計算機大容量硬盤的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用于大量數(shù)據(jù)的管理逐漸深入各行各業(yè)，其發(fā)展與應(yīng)用大致經(jīng)歷了層次系統(tǒng)和網(wǎng)狀系統(tǒng)時期、關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)時期、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)時期這3個時期。層次系統(tǒng)和網(wǎng)狀系統(tǒng)時期的代表為美國BIM公司推出層次模型的IMS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及美國CODASYL數(shù)據(jù)庫任務(wù)組(DBTG)發(fā)表關(guān)于網(wǎng)狀模型的DBTG報告；關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)時期的代表為微軟公司推出的Access數(shù)據(jù)庫就屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)時期的代表為中國國家電力公司自動化研究院于1992年開發(fā)的NSIS石油化工生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品、中國大慶金橋信息技術(shù)工程有限公司于1993年開發(fā)的ConTRDB實時數(shù)據(jù)產(chǎn)品[1,2]。

將數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用于核動力裝置故障診斷方面，行業(yè)界已有許多學(xué)者進行了研究，如哈爾濱工程大學(xué)的陳宏霞利用數(shù)據(jù)庫開發(fā)了核動力裝置故障診斷系統(tǒng)，建立了核動力裝置運行過程中的數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)庫相關(guān)子系統(tǒng)[1]；哈爾濱工程大學(xué)的史伊龍將主動數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用于核動力裝置控制系統(tǒng)規(guī)則庫方法的研究，指出主動數(shù)據(jù)庫技術(shù)是實現(xiàn)控制規(guī)則庫的一個比較好的途徑，主動機制是主動數(shù)據(jù)庫的一個重要功能[3]；還有任鑫等人探討了動態(tài)數(shù)據(jù)庫在船用核動力裝置DPSA中的應(yīng)用[4]，這些研究充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫技術(shù)在核動力裝置運行、監(jiān)測、故障診斷等多方面具有重要的作用。

本研究建立的故障數(shù)據(jù)庫是通過監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時存儲，滿足以下幾點功能：

1) 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是核動力裝置運行過程中監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)故障時的數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，它可以為故障診斷提供輔助依據(jù)；

2) 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)庫的讀取功能在各監(jiān)測模塊中共享，便于操縱員及時判斷故障類型，從容應(yīng)對故障處置；

3) 核動力裝置是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，所監(jiān)測的參數(shù)復(fù)雜多變，同時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，該數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用及新數(shù)據(jù)的存儲；

4) 故障數(shù)據(jù)庫可以形成一定的數(shù)據(jù)處理周期，為定期安全審查中設(shè)備的檢查評價數(shù)據(jù)提供參考依據(jù)。

為了更好地實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)與對應(yīng)的名稱進行實時存儲，本文采用微軟公司推出的Access數(shù)據(jù)庫對核動力裝置模擬故障運行過程中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)進行存儲、管理。

1.2核動力裝置故障數(shù)據(jù)庫關(guān)系結(jié)構(gòu)建立及數(shù)據(jù)存儲

核動力裝置故障數(shù)據(jù)庫的建立主要是通過圖1所示實現(xiàn)的。

圖1　故障數(shù)據(jù)庫參數(shù)間的關(guān)系結(jié)構(gòu)

本文主要利用InTouch狀態(tài)監(jiān)測軟件參考反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)的部分典型故障，通過對這些典型故障的分析，提取故障征兆參數(shù)[3]，并在InTouch上進行模擬應(yīng)用，同時利用圖1所示的關(guān)系結(jié)構(gòu)，對獲取的故障征兆參數(shù)在Access數(shù)據(jù)庫中進行存儲，以供后續(xù)分析，在對數(shù)據(jù)庫表關(guān)系進行設(shè)計時，考慮到核動力裝置參數(shù)的龐大性，因此針對監(jiān)測的參數(shù)采用一一對應(yīng)關(guān)系建立數(shù)據(jù)庫，這樣可以針對特定的參數(shù)進行歷史查詢，同時在數(shù)據(jù)庫中增加各自存儲的時間、日期可以確定故障發(fā)生的對應(yīng)時間段，按照參數(shù)監(jiān)測的對應(yīng)名稱及一一對應(yīng)關(guān)系建立數(shù)據(jù)庫表關(guān)系如圖2所示。

圖2　故障數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)關(guān)系

在InTouch上進行故障參數(shù)的模擬運行，需要對已發(fā)生的典型故障進行總結(jié)及分析，這里引用哈爾濱工程大學(xué)朱榮旭所研究的結(jié)果[5]選取某部分進行模擬應(yīng)用，選取的部分典型故障詳情如表1所示。

通過表1的典型故障情況查詢文獻及調(diào)研研究各自參數(shù)的運行范圍，再在InTouch上建立邏輯關(guān)系進行故障模擬，同時連接數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，通過查閱文獻及相關(guān)專業(yè)資料中涉及的部分故障參數(shù)的運行范圍[6-12]列表，如表2所示。

表1　部分典型故障詳情

表2　部分監(jiān)測參數(shù)的運行范圍

完成上述步驟后，在InTouch上建立各參數(shù)的邏輯關(guān)系及設(shè)定運行范圍，同時通過代碼連接已建立好的數(shù)據(jù)庫，運行InTouch狀態(tài)監(jiān)測軟件，得到故障數(shù)據(jù)庫表中存儲的數(shù)據(jù)，隱藏部分參數(shù)列后如圖3所示，這些數(shù)據(jù)將為后期的定期安全審查分析作準(zhǔn)備工作。

從圖3中可以看出，通過故障數(shù)據(jù)庫表可以查看故障日期及時間、各參數(shù)的運行數(shù)據(jù)及出現(xiàn)故障時對應(yīng)的故障部位。

2　核動力裝置故障數(shù)據(jù)庫表中數(shù)據(jù)的分析

在核動力裝置正常運行時，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集設(shè)備所對應(yīng)的現(xiàn)場情況，對其數(shù)據(jù)進行分析，可以清楚的了解現(xiàn)場狀態(tài)的實際情況，從而預(yù)防事故的發(fā)生，提高設(shè)備運行的安全性。文中主要是利用SPSS軟件對故障數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析，進而研究其在定期安全審查中的應(yīng)用。

2.1SPSS軟件概述

統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(statistical product and service solutions，SPSS)軟件，是世界上最早的統(tǒng)計分析軟件，由美國斯坦福大學(xué)的三位研究生Norman H.Nie、C.Hadlai (Tex) Hull 和 Dale H.Bent于1968年研究開發(fā)成功。它也是最早采用圖形菜單驅(qū)動界面的統(tǒng)計軟件，最突出的特點就是操作界面極為友好，輸出結(jié)果美觀漂亮，其基本功能主要有數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析、圖表分析、輸出管理等等。SPSS統(tǒng)計分析過程包括描述性統(tǒng)計、均值比較、一般線性模型、相關(guān)分析、回歸分析、對數(shù)線性模型、聚類分析、數(shù)據(jù)簡化、生存分析、時間序列分析、多重響應(yīng)等幾大類，每類中又分好幾個統(tǒng)計過程，比如回歸分析中又分線性回歸分析、曲線估計、Logistic回歸、Probit回歸、加權(quán)估計、兩階段最小二乘法、非線性回歸等多個統(tǒng)計過程，而且每個過程中又允許用戶選擇不同的方法及參數(shù)。并且SPSS也有專門的繪圖系統(tǒng)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)繪制各種圖形[13-15]。鑒于在處理大型數(shù)據(jù)時具有獨到的優(yōu)點，目前社會科學(xué)、自然科學(xué)的各個數(shù)據(jù)統(tǒng)計領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文主要利用描述統(tǒng)計中頻率分析功能分析所建立的故障數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)，研究故障數(shù)據(jù)庫在核動力裝置定期安全審查中的應(yīng)用。

2.2分析結(jié)果

對故障數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行處理后導(dǎo)入到SPSS軟件中，如圖4所示。

在SPSS中建立圖4所示的數(shù)據(jù)與變量關(guān)系后，對于故障數(shù)據(jù)庫來說，主要研究故障的發(fā)生情況，因此文中主要選取記錄的幾個故障進行頻率分析，相應(yīng)的分析結(jié)果如圖5所示。

圖3故障數(shù)據(jù)庫表

圖4　故障數(shù)據(jù)庫表中數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS中詳情

圖5　對故障數(shù)據(jù)庫中的故障頻率百分比分析對比

對比圖5中的餅圖結(jié)果，故障類型23出現(xiàn)的頻率高于其他5種類型，占6.717%，而事故類型23在故障數(shù)據(jù)庫表中對應(yīng)的是“余熱排出熱交換器殼體破損”，即說明在一定的時間段內(nèi)，余熱排出熱交換器殼體破損引發(fā)的故障最高，在實際情況下，需要設(shè)備維護處對該設(shè)備作認(rèn)真的檢查并檢修。

這種通過故障數(shù)據(jù)庫對故障進行記錄的方式在實際應(yīng)用時，可以查閱故障數(shù)據(jù)表判斷故障出現(xiàn)的頻度，進而對高頻度故障設(shè)備優(yōu)先檢修，這對于艦船等移動核動力裝置來說具有重要的時間效率，可以在一定程度上提高某一核動力艦船的機動性；同時也為設(shè)備的檢查及維修提供便利方案，檢修員可以根據(jù)故障數(shù)據(jù)庫表中的故障數(shù)據(jù)情況判斷需要重點關(guān)注的設(shè)備，從而節(jié)省設(shè)備檢修時間，對于核電廠來說，可以縮短核電站的停運時間，增加經(jīng)濟效益。

2.3故障數(shù)據(jù)庫在定期安全審查中的應(yīng)用研究

通過對故障數(shù)據(jù)庫表中的故障進行頻度分析后，可以判斷出故障出現(xiàn)頻率高的設(shè)備或系統(tǒng)，也可以查閱其運行過程中的數(shù)據(jù)，從而判斷設(shè)備的運行性能。故障數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)具有時間周期性，針對大型的數(shù)據(jù)管理處理時，可以根據(jù)實際環(huán)境及現(xiàn)場條件規(guī)定處理周期，當(dāng)達到規(guī)定處理的時間段時，可對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析(平時有需要時也可以進行分析)，即處理數(shù)據(jù)在時間上存在時間段的關(guān)系。

核動力裝置系統(tǒng)龐大復(fù)雜，且危險系數(shù)高，需要對其進行定期安全審查，以確保核動力裝置的安全運行，降低運行過程中可能出現(xiàn)的危險故障。定期安全審查是對核設(shè)施安全進行的系統(tǒng)性再評價，是常規(guī)安全審查和專門安全審查的補充，即在規(guī)定的時間間隔內(nèi)對核設(shè)施的安全性進行系統(tǒng)性再評價，以應(yīng)對運行經(jīng)驗、技術(shù)更新、故障檢測等方面的積累。在核動力裝置一定運行周期內(nèi)，通過對記錄的故障數(shù)據(jù)進行頻度分析，針對高頻度的設(shè)施或設(shè)備進行檢修，在定期安全審查時可以節(jié)約時間，減少物力、人力的浪費。例如根據(jù)前面的餅圖分析結(jié)果明顯看出，在某一時間段內(nèi)，事故類型3對應(yīng)的頻率百分比為0.748%，而事故類型8、事故類型13、事故類型18、事故類型19、事故類型23對應(yīng)的頻率百分比分別為4.738%、0.621%、1.413%、3.810%、6.717%，將它們按照從高到低的順序進行排序，如表3所示。

表3　頻率大小排序

從表3可以看出，在某一定期安全審查內(nèi)，可以優(yōu)先選擇事故類型3在數(shù)據(jù)庫中所對應(yīng)的故障部位進行審查分析，然后依次排序進行，這對于艦船核動力裝置來說，可以根據(jù)頻率高低暫時檢修高頻率設(shè)備，節(jié)約檢修時間，進而在一定程度上提高作戰(zhàn)能力。

在一定時間段內(nèi)，進行定期安全審查時，可以按照該方法對各設(shè)施或設(shè)備系統(tǒng)進行審查分析，針對高頻度設(shè)施或設(shè)備優(yōu)先考慮，有助于艦船類移動核動力裝置的快速啟航，節(jié)約檢修時間，降低一一審查的時間。

3　結(jié)論

對于核動力裝置來說，故障數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用對于定期安全審查來說具有事半功倍的效果，可以節(jié)省時間，物力和財力，同時通過故障數(shù)據(jù)庫，工作人員可以查閱某一參數(shù)的運行數(shù)據(jù)及故障情況，預(yù)判或診斷故障，而且數(shù)據(jù)的處理也比較方便。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Study on Application of Fault Database in Nuclear Power Plant in PSR

YE Bo-shu, LU Gu-bing, ZHANG Long-fei, ZHU Li-wen, WANG Fei

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

This article analyzed the typical fault occurred in nuclear power plant part, and induced signs of parameters, and then used these symptom parameters in monitoring simulation machine stochastic simulation runs and constructed the corresponding database. The final failure frequency analysis of the database was processed by using SPSS software and its application in periodic safety review value was discussed according to the results of the analysis.

typical fault; symptom parameters; database; SPSS software; PSR

2016-02-08；

2016-03-15

葉博書，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事核動力控制與運行研究。

10.11809/scbgxb2016.08.026

format:YE Bo-shu, LU Gu-bing, ZHANG Long-fei, et al.Study on Application of Fault Database in Nuclear Power Plant in PSR[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):113-117.

TL77

A

2096-2304(2016)08-0113-05

【信息科學(xué)與控制工程】