韓良文，趙 鵬，鄧云李，蔡文超，劉 鵬，賴立斯，馬小春

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610000）

概率安全分析PSA 是以概率論為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)技術(shù)，作為核電安全性分析的系統(tǒng)方法得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)核安全法規(guī)（HAF）建議將PSA 技術(shù)應(yīng)用于核電的安全分析?？煽啃詳?shù)據(jù)是PSA 的基礎(chǔ)，可靠性數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)量直接決定了PSA 分析結(jié)果的質(zhì)量和可信度。國(guó)際上的核電發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視核電可靠性數(shù)據(jù)的收集管理工作［1-4］，已建立了比較成熟的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，美國(guó)的EPIX/NPRDS 可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)、法國(guó)的EDF 可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)、瑞典的T-Book 數(shù)據(jù)手冊(cè)就是其中的典型代表［5］。為推動(dòng)PSA 技術(shù)在我國(guó)核安全領(lǐng)域中的應(yīng)用，核安全局于2015年發(fā)布了《中國(guó)核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報(bào)告》（2015 版），該報(bào)告涵蓋13 臺(tái)機(jī)組、123 個(gè)堆年、36個(gè)常用設(shè)備類的可靠性數(shù)據(jù)；國(guó)內(nèi)部分核電廠和研究堆已逐步建立自己的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)［6，7］，如大亞灣核電廠的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)（GN-PRDS/PERD），秦山一期的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)（QERDS）。

由于未建立相應(yīng)的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，大部分核電廠只能采用國(guó)際上比較成熟的通用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行PSA 分析工作，但通用數(shù)據(jù)只能反映工業(yè)平均水平，無法反映不同工作環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)等因素的影響，這就導(dǎo)致通用數(shù)據(jù)庫(kù)PSA 分析結(jié)果的質(zhì)量和可信度較差。目前，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院運(yùn)營(yíng)的高通量工程試驗(yàn)堆（High Flux Engineering Test Reactor，HFETR）也急需建立自己的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，用于提高PSA 分析結(jié)果的質(zhì)量和可信度，以便風(fēng)險(xiǎn)指引型管理的引入，優(yōu)化設(shè)備維修和設(shè)備老化的管理，從而減少設(shè)備故障，保障HFETR 安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，基于信息化管理技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了HFETR 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（HFETRRDMS），以提高HFETR 可靠性數(shù)據(jù)的管理及應(yīng)用水平，為HFETR 的PSA 工作、可靠性維修（RCM）、在線風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)、設(shè)備老化管理等方面提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 HFETR 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

HFETR-RDMS 具有可靠性數(shù)據(jù)的收集、甄別、分析、儲(chǔ)存等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。HFETR-RDMS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入模塊主要采集HFETR 設(shè)備的歷史記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)甄別模塊主要是對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性甄別，篩選出有效數(shù)據(jù)，并對(duì)異常、重復(fù)及缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)分析模塊，主要是對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析計(jì)算，獲得設(shè)備的可靠性參數(shù)。采用的基本方法為經(jīng)典估計(jì)方法和貝葉斯估計(jì)方法，該部分還涉及調(diào)用通用數(shù)據(jù)庫(kù)，因此HFETR-RDMS 系統(tǒng)中存儲(chǔ)了通用數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊主要對(duì)原始數(shù)據(jù)和經(jīng)分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，設(shè)計(jì)通用的數(shù)據(jù)保存格式，以便于數(shù)據(jù)輸出應(yīng)用和分析。

圖1 HFETR-RDMS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 HFETR-RDMS system architecture diagram

2 HFETR 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)的采集與分析

2.1 HFETR 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)的采集

設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)的采集主要對(duì)HFETR 的運(yùn)行、維修、維護(hù)、試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行統(tǒng)一分類整理，為HFETR 開展PSA 和RCM 工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也將可靠性數(shù)據(jù)的分析結(jié)果用以指導(dǎo)HFETR 的安全運(yùn)行和設(shè)備管理。

通過劃分設(shè)備邊界和確定設(shè)備的正常運(yùn)行及故障模式，即可對(duì)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、維修維護(hù)或不可用時(shí)間、故障次數(shù)、啟動(dòng)、停止及無響應(yīng)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。獲取可靠性數(shù)據(jù)的途徑有兩種：一是從HFETR 的歷史記錄數(shù)據(jù)中收集的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為HFETR 的特定數(shù)據(jù)，主要來源于HFETR 的運(yùn)行日志、定期試驗(yàn)報(bào)告、運(yùn)行總結(jié)報(bào)告、維修計(jì)劃、維修報(bào)告、事件報(bào)告、停復(fù)役記錄本等；二是獲取國(guó)內(nèi)外核電、研究堆的可靠性數(shù)據(jù)，稱為通用數(shù)據(jù)。HFETR 已運(yùn)行40 年，積累了較多的設(shè)備失效數(shù)據(jù)，同時(shí)通用數(shù)據(jù)以核電設(shè)備為主，而研究堆的運(yùn)行參數(shù)，設(shè)備所處環(huán)境及設(shè)備型號(hào)或設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)與核電有很大不同，因此HFETR-RDMS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)以HFETR特定數(shù)據(jù)為主，對(duì)于部分更新改造設(shè)備或運(yùn)行數(shù)據(jù)采集不充分的設(shè)備可采用經(jīng)典估計(jì)方法。HFETR-RDMS 系統(tǒng)在可靠性參數(shù)算法選擇上遵循的原則包括：（1）通用數(shù)據(jù)庫(kù)中如果沒有同類型設(shè)備或HFETR 設(shè)備的設(shè)計(jì)完全變更過，則采用經(jīng)典估計(jì)方法；（2）如果HFETR 設(shè)備故障數(shù)量大于5，則采用經(jīng)典估計(jì)方法；（3）如果HFETR 設(shè)備故障數(shù)在1～5，則根據(jù)專家意見進(jìn)行選擇計(jì)算方法；（4）如果HFETR 設(shè)備故障數(shù)為零，且通用數(shù)據(jù)庫(kù)中有同類型設(shè)備，則采用貝葉斯估計(jì)方法。

2.2 設(shè)備可靠性參數(shù)估計(jì)

為滿足HFETR 一級(jí)PSA 的需求，HFETR主要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行和需求失效概率、平均故障維修時(shí)間、總不可用度4 類可靠性參數(shù)進(jìn)行研究。運(yùn)行失效率λ和需求失效概率γ具有一定的不確定性，可根據(jù)設(shè)備故障次數(shù)采用經(jīng)典估計(jì)或貝葉斯估計(jì)方法確定。平均故障維修時(shí)間τ和設(shè)備總不可用度P則采用確定論的方法計(jì)算，其中設(shè)備的平均故障維修時(shí)間可由公式（1）表示：

式中，Nγ為所觀察到的修復(fù)次數(shù)，Tγ為所觀察到的累計(jì)修復(fù)時(shí)間。

設(shè)備總不可用度可由公式（2）表示：

式中，TW為每個(gè)運(yùn)行工況下的維修試驗(yàn)時(shí)間，TR為每個(gè)運(yùn)行工況的持續(xù)時(shí)間。

2.2.1 可靠性參數(shù)的經(jīng)典估計(jì)方法

設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的運(yùn)行失效次數(shù)，稱為該設(shè)備的運(yùn)行失效率λ，可由公式（3）計(jì)算：

式中，N為運(yùn)行故障次數(shù)；T為設(shè)備的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

當(dāng)故障記錄的次數(shù)為0 時(shí)，λ可由公式（4）進(jìn)行估算：

設(shè)備的需求失效概率γ是指設(shè)備在進(jìn)行啟動(dòng)、停止等狀態(tài)改變時(shí)，設(shè)備拒絕動(dòng)作的概率，γ可由公式（5）計(jì)算：

式中，NG指設(shè)備拒絕動(dòng)作次數(shù)；NT指設(shè)備累計(jì)需求狀態(tài)改變次數(shù)。

當(dāng)記錄的設(shè)備拒絕動(dòng)作次數(shù)為0 時(shí)，γ由公式（6）進(jìn)行估算：

2.2.2 可靠性參數(shù)的貝葉斯估計(jì)方法

根據(jù)貝葉斯估計(jì)方法，可靠性參數(shù)服從某一先驗(yàn)分布，通過先驗(yàn)分布并結(jié)合自身數(shù)據(jù)可估算出可靠性參數(shù)的后驗(yàn)分布及后驗(yàn)分布參數(shù)?？紤]到HFETR 部分設(shè)備進(jìn)行過更新改造，設(shè)備歷史數(shù)據(jù)較少，此時(shí)，可結(jié)合國(guó)內(nèi)外核電、研究堆的可靠性數(shù)據(jù)和HFETR 的特有數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯估計(jì)。HFETR 的設(shè)備運(yùn)行失效率λ，設(shè)備需求失效概率γ采用共軛型先驗(yàn)分布、無信息先驗(yàn)分布及對(duì)數(shù)正態(tài)分布（LN）進(jìn)行貝葉斯估計(jì)。

運(yùn)行失效率λ的似然函數(shù)為泊松分布，Gamma 分布為其共軛型先驗(yàn)分布時(shí)，密度函數(shù)可由式（5）進(jìn)行計(jì)算；需求失效概率γ的似然函數(shù)為二項(xiàng)分布，Beta 分布為其共軛型先驗(yàn)分布時(shí)，密度函數(shù)可由式（6）進(jìn)行計(jì)算：

其中α，β為分布參數(shù)。

Gamma（α，β）分布的均值為α/β，運(yùn)行失效率λ的后驗(yàn)分布是Gamma（α+N，β+T），其后驗(yàn)分布參數(shù)為αpost=αprior+N，βpost=βprior+T，后驗(yàn)均值為αpost/βpost。

Beta（α，β）分布的均值為α/（α+β），需求失效概率γ的后驗(yàn)分布是Beta（α+N，β+T，其后驗(yàn)分布參數(shù)為αpost=αprior+NG，βpost=βprior+（NT-NG），后驗(yàn)均值為αpost/（αpost+βpost）。

若無合適的通用數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可以選擇無信息先驗(yàn)分布，借鑒核電站的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于運(yùn)行失效率λ和需求失效概率γ，HFETR 選擇基于Jeffreys 的無信息先驗(yàn)分布Gamma（1/2，0）分布和Beta（1/2，1/2）分布［8］。

對(duì)于運(yùn)行失效率λ和需求失效概率γ的先驗(yàn)分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的，可將對(duì)數(shù)正態(tài)分布分別轉(zhuǎn)換為Gamma 分布和Beta 分布，并采用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算分布參數(shù)α、β，然后采用式（5）、式（6）的方法得到后驗(yàn)分布及后驗(yàn)分布參數(shù)。

3 HFETR-RDMS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 HFETR-RDMS 信息系統(tǒng)

HFETR-RDMS 系統(tǒng)采用C++編程語言與Qt 圖形界面庫(kù)開發(fā)，利用開源輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)SQLite3 實(shí)現(xiàn)可靠性數(shù)據(jù)的編輯、存儲(chǔ)及查詢，系統(tǒng)主界面如圖2 所示。

圖2 HFETR-RDMS 系統(tǒng)主界面Fig.2 The system main window of HFETR-RDMS

HFETR-RDMS 由3 個(gè)主要模塊組成，包括：設(shè)備管理模塊、設(shè)備可靠性管理模塊、可靠性參數(shù)模塊。設(shè)備管理模塊主要實(shí)現(xiàn)HFETR設(shè)備特有數(shù)據(jù)的維護(hù)及錄入，包括設(shè)備基礎(chǔ)信息、設(shè)備 運(yùn)行數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢等7 個(gè)子模塊；設(shè)備可靠性管理模塊包括通用數(shù)據(jù)和可靠性參數(shù)估計(jì)2 個(gè)子模塊，以實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外核電、研究堆通用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和維護(hù)及HFETR 設(shè)備可靠性參數(shù)的經(jīng)典估計(jì)和貝葉斯估計(jì)；可靠性參數(shù)模塊主要用來查詢及輸出提供給PSA 和RCM 應(yīng)用的各種設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)。

3.2 HFETR 設(shè)備特有數(shù)據(jù)的維護(hù)及甄別

HFETR 設(shè)備原始數(shù)據(jù)的維護(hù)及錄入界面如圖3 所示，通過菜單欄的編輯或工具欄的增加、插入、刪除、保存功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備原始數(shù)據(jù)的維護(hù)和錄入。

圖3 設(shè)備維修數(shù)據(jù)界面Fig.3 The equipment maintenance data interface

設(shè)備基礎(chǔ)信息主要用于設(shè)備失效及失效模式的判定，主要包括HFETR 的設(shè)備分類及設(shè)備類所包含的設(shè)備樣本、設(shè)備所屬專業(yè)、設(shè)備邊界及設(shè)備失效模式，其中設(shè)備邊界信息是判斷設(shè)備是否失效的重要條件，因此設(shè)備邊界需準(zhǔn)確描述。

設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)主要用于計(jì)算設(shè)備運(yùn)行失效率λ 及設(shè)備總不可用度P，主要包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)描述及運(yùn)行狀態(tài)改變?cè)虻拿枋觥?/p>

設(shè)備維修數(shù)據(jù)主要用于設(shè)備總維修次數(shù)及設(shè)備平均維修時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，主要包括設(shè)備缺陷描述、設(shè)備缺陷的原因描述、維修內(nèi)容、設(shè)備不可用開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要用于計(jì)算設(shè)備由試驗(yàn)造成的設(shè)備總不可用度，主要包括設(shè)備試驗(yàn)名稱、設(shè)備不可用開始時(shí)間、設(shè)備不可用結(jié)束時(shí)間。

設(shè)備的更新/改造后設(shè)備可靠性參數(shù)變化較大，設(shè)備更新/改造前的歷史數(shù)據(jù)不能反應(yīng)設(shè)備當(dāng)前的可靠性水平，因此設(shè)備原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)應(yīng)剔除設(shè)備更新/改造前的歷史數(shù)據(jù)，設(shè)備更新/改造數(shù)據(jù)包括更新/改造原因、更新/改造內(nèi)容、更新/改造內(nèi)容開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

如圖4 所示，針對(duì)特定設(shè)備，通過數(shù)據(jù)查詢功能可以得到該設(shè)備在某一時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，具體參數(shù)包括不可用小時(shí)、糾正維修小時(shí)、需求次數(shù)、需求故障次數(shù)、不可用次數(shù)、糾正維修次數(shù)、運(yùn)行次數(shù)、故障總次數(shù)、運(yùn)行故障次數(shù)、平均故障維修時(shí)間、總不可用度。

圖4 設(shè)備數(shù)據(jù)查詢界面Fig.4 The device data query interface

HFETR 設(shè)備原始記錄數(shù)據(jù)存在記錄錯(cuò)誤、漏記錄的可能性，為此，HFETR-RDMS 系統(tǒng)具有對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行有效性判斷的功能，并將異常、無效數(shù)據(jù)排除。

3.3 HFETR-RDMS 系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)源及可靠性參數(shù)計(jì)算

HFETR 作為研究堆，其設(shè)備與核電廠設(shè)備在型號(hào)、運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備使用頻度存在區(qū)別，難以尋找適合HFETR 設(shè)備的通用數(shù)據(jù)。因此，HFETR 設(shè)備可靠性參數(shù)的估計(jì)應(yīng)大量采集HFETR 設(shè)備的特有數(shù)據(jù)，并以經(jīng)典估計(jì)為主。HFETR 部分設(shè)備進(jìn)行過更新改造，可收集數(shù)據(jù)較少，其可靠性參數(shù)通過經(jīng)典方法進(jìn)行估計(jì)誤差較大，為此，HFETR-RDMS 系統(tǒng)存儲(chǔ)多個(gè)通用數(shù)據(jù)源以滿足HFTER 設(shè)備可靠性參數(shù)的貝葉斯估計(jì)。

圖5 為通用數(shù)據(jù)的編輯維護(hù)界面，當(dāng)前，HFETR-RDMS 系統(tǒng)中已存儲(chǔ)《中國(guó)核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報(bào)告（2015 版）》中的通用數(shù)據(jù)源以及美國(guó)NUREG/CR-6928（2007 年出版）通用數(shù)據(jù)源。存儲(chǔ)的設(shè)備通用數(shù)據(jù)包括設(shè)備名稱、設(shè)備失效模式、可靠性參數(shù)均值、5%置信下限、95%置信上限、誤差因子、分布類型、分布參數(shù)α、β及數(shù)據(jù)來源。

圖5 通用數(shù)據(jù)的編輯維護(hù)界面Fig.5 The general-purpose data editing interface

圖6 為HFETR 設(shè)備可靠性參數(shù)計(jì)算模塊，該計(jì)算模塊可獨(dú)立運(yùn)行，也可通過HFETRRDMS 系統(tǒng)調(diào)用，可靠性參數(shù)計(jì)算模塊是HFETR-RDMS 系統(tǒng)的核心，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到可靠性參數(shù)的可信度及可用性。

圖6 設(shè)備可靠性參數(shù)計(jì)算模塊Fig.6 Device reliability parameter calculation module

當(dāng)前HFETR-RDMS 系統(tǒng)處于初步驗(yàn)證使用階段，收集的設(shè)備數(shù)據(jù)較少，尚沒有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。因此，借鑒《中國(guó)核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報(bào)告》和大亞灣核電廠的設(shè)備初始數(shù)據(jù)（見表1），進(jìn)行可靠性參數(shù)估計(jì)以驗(yàn)證HFETR-RDMS 系統(tǒng)算法的可靠性，其計(jì)算結(jié)果與可靠性數(shù)據(jù)報(bào)告和大亞灣核電廠給出的結(jié)果一致，誤差在1%范圍內(nèi)，見表2。

表1 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 The device reliability data statistics

表2 設(shè)備可靠性參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of equipment reliability parameters

4 結(jié)論

通過HFETR 一級(jí)PSA 對(duì)設(shè)備可靠性參數(shù)需求展開的研究，設(shè)計(jì)了HFETR 設(shè)備可靠數(shù)據(jù)庫(kù)信息化管理系統(tǒng)，建立起一個(gè)涵蓋HFETR 設(shè)備歷史數(shù)據(jù)收集和查詢、國(guó)內(nèi)外核電、研究堆通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、HFETR 設(shè)備可靠性參數(shù)估計(jì)等方面的可靠性數(shù)據(jù)分析計(jì)算及管理平臺(tái)。該系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)，為HFETR 設(shè)備管理提供了新的思路和方案，可以為HFETR 及其他研究堆的PSA 分析和RCM 提供基本的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)，為HFETR 的系統(tǒng)和部件可靠性評(píng)價(jià)、定期安全評(píng)價(jià)、技術(shù)改造和更新、預(yù)防性維修、糾正性維修、備品備件優(yōu)化管理以及為HFETR 的老化與壽期管理等提供數(shù)據(jù)支持。