徐小照，潘保林

(中核集團(tuán)核動力運(yùn)行研究所, 湖北,武漢 430223)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠核安全文化評級模型研究

徐小照，潘保林

(中核集團(tuán)核動力運(yùn)行研究所, 湖北,武漢 430223)

本文提出了核安全文化的評級判據(jù)，構(gòu)建了46項(xiàng)核安全文化評價指標(biāo)，并基于樣本數(shù)據(jù)，建立了一種基于反向傳播(Back Propagation,簡稱BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核安全文化星級評價模型。經(jīng)泛化能力驗(yàn)證，該評級模型評價核安全文化的水平，亦可用于核電廠核安全文化水平的長期監(jiān)測。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；核電廠；核安全文化；評級模型

目前，核安全文化評估工作已成為各大核能集團(tuán)公司測評核電廠核安全文化水平、發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的一種有效手段。

根據(jù)當(dāng)前核行業(yè)內(nèi)核安全文化評估的一般做法，通?；诤税踩幕瘻?zhǔn)則，使用問卷調(diào)查、現(xiàn)場訪談等方法，獲取員工對待核安全文化的觀點(diǎn)、態(tài)度和看法，通過給出的正面、負(fù)面、中性的評判數(shù)據(jù)，提出核電廠的核安全文化總體狀況和待改進(jìn)環(huán)節(jié)[1]。這套方法基本實(shí)現(xiàn)了核電廠核安全文化狀況的系統(tǒng)化評價，但其評價結(jié)論難以直觀描述核電廠的核安全文化總體狀況所處何種水平。

為解決這個問題，本文基于國內(nèi)外安全文化的相關(guān)理論，提出了核電廠核安全文化的星級評價理念，同時，以國內(nèi)某核電公司發(fā)布的《卓越核安全文化的十大原則》為研究基礎(chǔ)，構(gòu)建了46項(xiàng)關(guān)于核安全文化的評價指標(biāo)，并基于已開展的核安全文化評估活動中獲取的數(shù)據(jù)，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核安全文化評級模型。該模型可應(yīng)用于核電廠核安全文化總體狀況的評級，為管理部門持續(xù)監(jiān)測核電廠核安全文化水平提供直觀依據(jù)。

1 核安全文化評級判據(jù)

核安全文化是指各有關(guān)組織和個人以“安全第一”為根本方針，以維護(hù)公眾健康和環(huán)境安全為最終目標(biāo)，達(dá)成共識并付諸實(shí)踐的價值觀、行為準(zhǔn)則和特性的總和[2-5]。

美國心理學(xué)家亞伯拉罕·馬斯洛1943年在《人類激勵理論》中所提出需求層次理論，基于此理論并結(jié)合核安全文化的定義，可將核安全文化分為七個星級，每個星級從低到高對應(yīng)核安全文化發(fā)展的七個階段，包括本能反應(yīng)階段、被動管理階段、主動管理階段、員工參與階段、團(tuán)隊(duì)互助階段、持續(xù)改進(jìn)階段和高度自律階段。各個階段的組織特征見表1，這些特征作為本文開展核安全文化評級的理論判據(jù)。

表1 核安全文化星級對照表Table 1 Nuclear Safety Culture star rating comparison Table

續(xù)表

上述星級評判準(zhǔn)則中涉及核安全文化的七大階段，作為本文研究模型的評級結(jié)果，即目標(biāo)輸出。參考核安全文化評估的通用方法，本文將依據(jù)《卓越核安全文化的十大原則》構(gòu)建核安全文化的評級指標(biāo)，即數(shù)據(jù)輸入。

2 核安全文化評級指標(biāo)的構(gòu)建

《卓越核安全文化的十大原則》中將個人、領(lǐng)導(dǎo)和組織對安全的承諾，囊括為3大類別和46個屬性，據(jù)此本文將此46個要素作為核電廠核安全文化的評級指標(biāo)[6-9]。

第一個類別為個人對于核安全的承諾，其中包括11個要素，主要涵蓋三個方面，分別為核安全人人有責(zé)、培育質(zhì)疑的態(tài)度以及溝通關(guān)注安全。

表2 針對個人的核安全文化評級指標(biāo)Table 2 Nuclear safety culture evaluation indexes for individual

第二個類別為領(lǐng)導(dǎo)對于核安全的承諾，其中包括17個要素，主要涵蓋三個方面，分別為領(lǐng)導(dǎo)做安全的表率、建立組織內(nèi)部的高度信任以及決策應(yīng)體現(xiàn)安全第一。

表3 針對領(lǐng)導(dǎo)的核安全評級指標(biāo)Table 3 Nuclear safety culture evaluation indexes for leader

第三個類別為組織對于核安全的承諾，其中包括18個要素，主要涵蓋四個方面，分別為認(rèn)識核技術(shù)的獨(dú)特性、識別并解決問題、倡導(dǎo)學(xué)習(xí)型組織和構(gòu)建和諧的公眾關(guān)系。

根據(jù)核安全文化評估的做法，通過問卷調(diào)查和現(xiàn)場評估的實(shí)施(輔以相應(yīng)的針對性題庫和評價手段)，會得到核電廠在上述46個要素的得分情況，可得到如圖1所示的數(shù)據(jù)分布。

將上述評估數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的原則進(jìn)行處理，根據(jù)如下公式計(jì)算要素的評價指標(biāo)，其中X為要素指標(biāo)值，N為要素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)量，N+為要素得“+”的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，N0為要素得“0”的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，N-為要素得“-”的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量。

最終可得到每項(xiàng)評價指標(biāo)在1～3范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化，將此作為評級模型的數(shù)據(jù)輸入。

考慮到本評級模型的輸入包括了46個要素，目標(biāo)輸出為7個星級，輸入和輸出間的模型關(guān)系為復(fù)雜的非線性模型。因此本文借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理非線性的信息處理。

3 核安全文化評級模型的建立

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

本文應(yīng)用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)[10-16]。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，而無需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。其學(xué)習(xí)規(guī)則是使用梯度下降法，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層。其神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，x1，x2，…，xn為一組輸入信號，y1，y2，…，yn為一組輸出信號。輸入信號經(jīng)過傳輸函數(shù)可得到輸出信號。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(三層)的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 The basic structure of BP neural network (Three-layers)

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

本文借助MATLAB軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)核安全文化評級模型，根據(jù)Kolmogorov定理，一個3層網(wǎng)絡(luò)足以完成任意的N維到L維的映射，所以一般只需1個隱層。在本文的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中仍保持選取1個隱層。根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式選取隱層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。其中N為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，L為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，M為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，α為1-10之間的常數(shù)。

據(jù)此設(shè)計(jì)本網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的收斂情況，最終選定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為17效果最佳。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其他相關(guān)權(quán)值和初始閾值隨機(jī)確定。

3.3 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程及結(jié)果

根據(jù)本模型提出的核安全文化評級理念，核安全文化評估中積累的多年經(jīng)驗(yàn)，以及對核安全文化46條要素的理解，基于目前國內(nèi)核電廠的核安全文化現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了針對七個星級的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，其中樣本A-G分別對應(yīng)核安全文化的1-7星級。

在樣本訓(xùn)練階段，這7組數(shù)據(jù)的目標(biāo)輸出為如下：

y=(y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7)T

(1)

其中y1-y7分別代表目標(biāo)核安全文化1-7星級。經(jīng)過樣本訓(xùn)練，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在87步時達(dá)到收斂要求，誤差曲線如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差曲線圖Fig.3 BP neural network error curve

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出值如下：

(2)

可看出網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出值與期望的輸出值基本一致，由此可證明本評級模型可以較為準(zhǔn)確的反映核安全文化水平。

3.4 評級模型的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本評級模型的有效性，本文選取了國內(nèi)兩次核安全文化評估的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

表5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試樣本(兩次評估數(shù)據(jù))Table 5 Neural network test sample (Two NSCA data)

將這組驗(yàn)證數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真后，得出的輸出結(jié)果為：

根據(jù)星級評價的定義，測試1號核電廠的核安全文化星級達(dá)到五星級，處于團(tuán)隊(duì)互助階段；測試2號核電廠的核安全文化星級達(dá)到四星級，處于員工參與階段，該驗(yàn)證結(jié)論基本與總體的認(rèn)知結(jié)論保持一致。該驗(yàn)證結(jié)果也表明本網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)訓(xùn)練后具備了存儲經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)行評價的能力。另外，考慮到目前樣本數(shù)量的有限，后續(xù)可通過補(bǔ)充訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)來進(jìn)一步提高模型的預(yù)測準(zhǔn)確度。

4 結(jié)束語

(1)本文基于核安全文化的基本理論，提出了核電廠核安全文化星級評價的理念，并應(yīng)用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立核電廠核安全文化評級模型，經(jīng)驗(yàn)證，該模型具備評價經(jīng)驗(yàn)存儲及數(shù)據(jù)評價的能力。

(2)本模型可用于判斷核電廠所處的核安全文化階段以及長期監(jiān)測，以確保核電廠的核安全得到持續(xù)的關(guān)注和提高。

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StudyontheNuclearSafetyCultureRatingModelBasedonBPNeuralNetwork

XU Xiaozhao，PAN Baolin

(Research Institute of Nuclear Power Operation, CNNC，Wuhan 430223，China)

This paper puts forward the star rating criteria of nuclear safety culture, constructs 46 nuclear safety culture evaluation indexes, and based on the sample data, a nuclear safety culture star rating model based on BP neural network is established. Based on the generalization capability, the rating model has a new attempt to quantify the nuclear safety culture level of the nuclear organization, and can also be used for the long-term monitoring of the nuclear safety culture level of the nuclear power plant.

BP neural network；nuclear power plant；nuclear safety culture；star rating model

X91

：A

：1672- 5360(2017)02- 0074-06

2017- 02- 13

2017- 03- 24

徐小照(1987—)，男，安徽安慶人，工程師，工學(xué)碩士，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)主要從事核安全文化及核電同行評估研究工作