戈道川，王金凱，張 冰，郭丁情，林 堅，王 明，雍 諾，夏冬琴，汪建業(yè)，郁 杰

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所，安徽合肥 230031；2.中廣核工程有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

截至2021年12月底，我國在運(yùn)反應(yīng)堆個數(shù)為53個，凈總發(fā)電量為50 034 MWe，占全國累計發(fā)電量的5%。在建核電機(jī)組16個，在建裝機(jī)容量15 967 MWe，在建規(guī)模居世界第一，我國核電領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展的新階段［1］。安全是核電健康發(fā)展的前提，隨著概率安全評價（Probabilistic Safety Assessment，PSA）技術(shù)的發(fā)展，核電站的安全性與經(jīng)濟(jì)性得到了極大提升。PSA 是20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來的一種系統(tǒng)工程分析方法，其采用基于故障樹與事件樹的系統(tǒng)可靠性評價技術(shù)和概率風(fēng)險分析方法，對復(fù)雜系統(tǒng)各種可能事故的發(fā)生和發(fā)展過程進(jìn)行全面分析，并對事故發(fā)生概率和后果進(jìn)行綜合分析［2］。核電站的安全管理方式正朝著確定論與概率論相結(jié)合的“風(fēng)險指引”核安全監(jiān)管法規(guī)體制過渡?；陲L(fēng)險指引理論的核電站安全管理利用概率論的系統(tǒng)性和全面性以消除確定論分析方法的假設(shè)性、保守性等缺點(diǎn)，最終達(dá)到科學(xué)決策的目的。風(fēng)險指引技術(shù)是指將風(fēng)險分析結(jié)果與管理規(guī)范的其它因素（如確定論分析、安全裕量、專家判斷等）進(jìn)行綜合考慮，使電站根據(jù)核安全和輻射防護(hù)的重要程度來考慮設(shè)計與運(yùn)行問題的方法及技術(shù)。風(fēng)險指引技術(shù)涵蓋內(nèi)容非常廣泛，目前主要涉及的有：風(fēng)險指引型設(shè)計、風(fēng)險指引型維修、風(fēng)險指引型在役檢查、風(fēng)險指引型試驗、風(fēng)險指引型管理規(guī)范等。核電站風(fēng)險監(jiān)測器（Risk Monitor，RM）是PSA 應(yīng)用于核電站運(yùn)營安全管理最基礎(chǔ)、直接、有效的方法，并在全世界得到了廣泛應(yīng)用［3-4］。風(fēng)險監(jiān)測器是一種實時風(fēng)險分析工具，可便于電廠人員及時掌握機(jī)組風(fēng)險信息，確定風(fēng)險所在，明確風(fēng)險來源，從而有的放矢地對機(jī)組進(jìn)行風(fēng)險管理，確保電廠風(fēng)險處于可知、可控的狀態(tài)，不僅對提高核電廠的安全性具有重要意義，而且對更有效地分配人力物力，以及減少核電廠不必要的負(fù)擔(dān)、提高經(jīng)濟(jì)性也是非常有益的。當(dāng)前，核電站風(fēng)險監(jiān)測器應(yīng)用數(shù)量不斷增長，其所起到的積極作用已得到大多數(shù)核電國家監(jiān)管部門以及核電業(yè)主的認(rèn)可。美國核管會已出臺多個概率安全評價相關(guān)聲明，并制定風(fēng)險指引管理規(guī)定，幾乎所有核電站都在用RM 進(jìn)行風(fēng)險評價。近年來國內(nèi)核安全監(jiān)管部門對核電站風(fēng)險在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了大力推廣。2018 年5 月，發(fā)改委、能源局、生態(tài)環(huán)境部、國防科工局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)核電運(yùn)行安全管理的指導(dǎo)意見》，提出“加強(qiáng)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測，開展核電站動態(tài)風(fēng)險評價，提高核電站運(yùn)行安全保障能力”的相關(guān)要求［5］。當(dāng)前，我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的核電站運(yùn)行風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)平臺較少。在此背景下，本文提出一種核電站運(yùn)行風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警方法，并開發(fā)了相應(yīng)系統(tǒng)平臺。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，風(fēng)險監(jiān)測器已成為核電運(yùn)行風(fēng)險管理必不可少的工具，并獲得了廣泛應(yīng)用，如秦山第二核電站的秦山二期1 號、2 號及擴(kuò)建的3 號、4 號機(jī)組。其使用的RM 系統(tǒng)主要由風(fēng)險模型、計算引擎和信息顯示及處理三大部分構(gòu)成?；鶞?zhǔn)風(fēng)險模型是利用瑞典Relcon Scandpower AB 公司研發(fā)的RiskSpectrum 軟件建立的，用于在線風(fēng)險監(jiān)測的RM 軟件同樣采用該公司開發(fā)的Risk Watcher［6］。目前國內(nèi)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)險監(jiān)測軟件較少，大部分RM 直接采用國外的軟件，或者基于國外的計算引擎進(jìn)行二次開發(fā)。

在國外，英國是最早進(jìn)行風(fēng)險監(jiān)測器研發(fā)的國家［7］。自1986 年起，風(fēng)險監(jiān)測器系統(tǒng)就在英國的Heysham2 和Torness 核電站投入運(yùn)營。1999 年，兩座核電站的PSA 模型升級為2 級，并采用ESOP2000 的Risk Monitor 程序?qū)?級和2 級PSA 模型進(jìn)行計算。英國Sizewell B 核電站當(dāng)前采用瑞典Relcon Scandpower 公司開發(fā)的Risk Watcher 軟件進(jìn)行風(fēng)險管理工作。風(fēng)險監(jiān)測器系統(tǒng)在美國應(yīng)用最為廣泛，尤其新版10CFR50.65 中所增加的條款明確要求各核電站必須對維修活動進(jìn)行定性/定量的風(fēng)險評價。為滿足該要求，目前美國幾乎所有核電站均使用了風(fēng)險監(jiān)測器系統(tǒng)，使用的軟件包有Safety MonitorTM、EOOSTM、Risk and Reliability Workstation 等。匈牙利核電站普遍使用PSA 工具，但現(xiàn)有并沒有使用RM，也沒有監(jiān)管方要求其開發(fā)和使用RM。匈牙利原子能機(jī)構(gòu)（HAEA）的核能安全理事會在使用一款類似于PSA 的工具，稱為Risk Supervisor，其已常規(guī)性地應(yīng)用于事件評估中，目的在于確定事件調(diào)查技術(shù)及提供更多的確定事件風(fēng)險特征詳細(xì)解釋。瑞士聯(lián)邦核安全監(jiān)管當(dāng)局（HSK）鼓勵各持證核電業(yè)主開發(fā)RM，但并不作強(qiáng)制性要求。很多電站都在使用LPSA（Living PSA）模型，但沒有電站使用RM。然而，由于PSA 對于瑞士監(jiān)管機(jī)構(gòu)來說越來越重要，將來有可能使用RM。在日本，核安全委員會沒有要求核電站開發(fā)和使用RM，也沒有制定相關(guān)導(dǎo)則。其管理準(zhǔn)則是在運(yùn)行期間嚴(yán)禁維修活動，所有安全相關(guān)系統(tǒng)的預(yù)防維修活動都需要在停堆期間進(jìn)行。目前法國核監(jiān)管當(dāng)局尚無對風(fēng)險監(jiān)測器使用的強(qiáng)制性規(guī)定，其目標(biāo)是有一個足夠完整而詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范，使電站配置不會進(jìn)入高風(fēng)險狀態(tài)。

總體而言，風(fēng)險監(jiān)測器在核電主流國家得到了廣泛應(yīng)用。盡管少數(shù)國家目前沒有強(qiáng)制性的使用要求，考慮到RM 對核電站運(yùn)行安全管理日益重要，風(fēng)險監(jiān)測器的應(yīng)用已成為未來核電運(yùn)行風(fēng)險管理的必然趨勢。

2 系統(tǒng)平臺設(shè)計開發(fā)

2.1 框架設(shè)計

在系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)框架設(shè)計上，選擇基于Java 的J2EE框架和平臺。J2EE 能夠提供分層的分布式應(yīng)用模型、MVC 交互模式、組件重用、一致化的安全模型以及靈活的事務(wù)控制策略。同時提供一組基于組件的方法，用于設(shè)計、開發(fā)、裝配及部署企業(yè)應(yīng)用程序。這種成體系的框架式設(shè)計方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①模塊分工明確，便于團(tuán)隊合作研發(fā)；②層間接口明確、獨(dú)立性強(qiáng)，便于修改完善；③系統(tǒng)后期功能可拓展性強(qiáng)。

此外，在分布式的Web 應(yīng)用系統(tǒng)中選擇B/S 結(jié)構(gòu)。B/S結(jié)構(gòu)相較于C/S 結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①系統(tǒng)部署與維護(hù)容易；②大批量客戶端的軟件升級成本相對較低；③不同開發(fā)工具及運(yùn)行平臺之間兼容性好。B/S 結(jié)構(gòu)將Web 應(yīng)用分為3 層：客戶層（Client Tier，CT）、中間層（Middle Tier，MT）和企業(yè)信息系統(tǒng)層（Enterprise Information System Tier，EIST）。其中，MT 又可細(xì)分為：表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)持久層。

風(fēng)險監(jiān)測器B/S結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Fig.1 B/S architecture of risk monitor圖1 風(fēng)險監(jiān)測器B/S結(jié)構(gòu)

2.2 功能模塊設(shè)計

根據(jù)當(dāng)前國際上風(fēng)險監(jiān)測器的主要功能以及我國核電業(yè)主的實際需要，設(shè)計風(fēng)險監(jiān)測器系統(tǒng)平臺的主要功能模塊，包括：核電站狀態(tài)配置模塊、接口模塊、在線風(fēng)險計算模塊、維修計劃風(fēng)險計算模塊、界面圖形化展示模塊以及權(quán)限管理模塊。核電站狀態(tài)配置模塊的功能是用戶設(shè)置電站的運(yùn)行模式、環(huán)境改變因子、出/復(fù)役設(shè)備、運(yùn)行/備用系統(tǒng)/部件切換狀態(tài)等；接口模塊的功能是實現(xiàn)風(fēng)險監(jiān)測器與企業(yè)數(shù)據(jù)庫以及各功能模塊之間數(shù)據(jù)的正確傳輸與接收；在線風(fēng)險計算模塊的功能是實現(xiàn)核電站實時風(fēng)險計算，并結(jié)合風(fēng)險管理限值給出電站運(yùn)行安全預(yù)警狀態(tài)；維修計劃風(fēng)險計算模塊的功能是給出核電站維修計劃的風(fēng)險，并對各種風(fēng)險進(jìn)行橫向?qū)Ρ?；界面圖形化展示模塊的功能是將計算結(jié)果以圖或表格的形式進(jìn)行展示，便于用戶理解和使用；權(quán)限管理模塊的功能是對軟件各模塊的使用權(quán)限進(jìn)行管理，支持對不同層級的用戶進(jìn)行權(quán)限分配。風(fēng)險監(jiān)測器主要功能模塊如圖2 所示，各模塊之間的調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

Fig.2 Primary function modules of risk monitor圖2 風(fēng)險監(jiān)測器主要功能模塊

Fig.3 Call relation between primary function modules圖3 主要功能模塊之間調(diào)用關(guān)系

2.3 關(guān)鍵技術(shù)與算法

2.3.1 快速分析技術(shù)

核電站風(fēng)險監(jiān)測器要求風(fēng)險模型具備快速分析能力，雖然當(dāng)前業(yè)內(nèi)對計算時間沒有嚴(yán)格限制，但是一般要求在5min 以內(nèi)［7-8］。因此，開發(fā)人員研發(fā)了大型故障樹的快速分析技術(shù)，采用邏輯重構(gòu)和模塊化技術(shù)實現(xiàn)對故障樹規(guī)模的簡化，達(dá)到快速計算最小割集的目的。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)平臺提供兩種快速定量分析技術(shù)：割集法和重解法。

（1）割集法。該方法首先采用下行法預(yù)先求解故障樹的最小割集，然后在此基礎(chǔ)上計算每一個最小割集發(fā)生的概率，再對所有發(fā)生概率進(jìn)行求和，實現(xiàn)對核電站風(fēng)險的快速計算。但該方法的一個缺點(diǎn)是由于采用概率截斷策略，并不能保證核電站所有配置狀態(tài)下的最小割集都存在，導(dǎo)致計算結(jié)果存在一定偏差。例如，某些被截斷的最小割集由于其蘊(yùn)含的某個或某些設(shè)備因退出服役而導(dǎo)致該最小割集發(fā)生概率陡然增加，而這些新增加的概率風(fēng)險往往不能忽略。

（2）重解法。該方法顧名思義就是重新計算核電站風(fēng)險模型，其優(yōu)點(diǎn)是能夠保證計算精度的要求，缺點(diǎn)是計算耗時長。在實際工程應(yīng)用中，為了實現(xiàn)實時性和計算精度要求，往往采用割集法與重解法相結(jié)合的方法。首先采用一個較大的截斷概率計算核電站風(fēng)險模型的最小割集，然后將計算結(jié)果與預(yù)先求解的割集進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)有新的割集產(chǎn)生，則將其添加到預(yù)先求解的割集中。

2.3.2 共因降階技術(shù)

冗余系統(tǒng)的可靠性往往受共因失效（Common Cause Failure，CCF）事件的影響，CCF 是核電站風(fēng)險模型中必須要考慮的因素。針對冗余部件的數(shù)量變化，即退出服役部件數(shù)量對剩余部件失效概率的影響，系統(tǒng)平臺采用的冗余系統(tǒng)可靠性建模策略為：把冗余部件對應(yīng)的基本事件、共因失效事件都更改成獨(dú)立的動態(tài)事件。經(jīng)過此處理后，這些動態(tài)事件在風(fēng)險監(jiān)測器模型數(shù)據(jù)庫中將具有多個不同的可靠性值，可依據(jù)實際退出服役部件數(shù)量選擇相應(yīng)的值，這種處理方法稱為共因降階技術(shù)。

以一個含有4 個部件A、B、C、D 的冗余系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，導(dǎo)致部件A 失效的所有事件組合AT，即構(gòu)成部件A總不可用度的事件組合可表示為：

式中，EA是故障樹模型中的基本事件，代表部件A 的獨(dú)立失效部分；EAB表示與A 相關(guān)的一個CCF 事件，代表部件A 與B 且僅限于此2 個部件的CCF，其它情況依此類推。部件A 所在故障樹模型如圖4所示。

Fig.4 Fault tree model of component A圖4 部件A所在故障樹模型

假設(shè)在核電站某個運(yùn)行時刻，部件D 由于定期實驗或預(yù)防性維修等原因需要退出服役，此時部件A 總不可用度涉及的事件以及事件失效概率將會有所變化。AT相應(yīng)地變?yōu)椋?/p>

因此，式中EA、EAB、EAC、EABC的不可用度需要采用實際在役部件即A、B、C 3 個部件組成的共因失效模型進(jìn)行計算，而不能采用原來4 個部件組成的共因失效模型進(jìn)行計算，才能保證部件A 的總不可用度是正確的，如圖5所示。

Fig.5 Fault tree model of component A after D out of service圖5 部件D退出服役后A所在故障樹模型

除需要在故障樹模型中把ED設(shè)置為TRUE 來表征部件D 的停役外，還需要把EAD、EBD、ECD、EABD、EACD、EBCD、EABCD都設(shè)置為FALSE，代表這些共因失效事件不會發(fā)生。

3 軟件平臺集成測試

系統(tǒng)平臺集成測試案例的選取原則是能夠覆蓋軟件平臺的所有功能，并能體現(xiàn)平臺的總體計算性能。因此，選擇的案例需覆蓋核電站主要的緩解系統(tǒng)（安注、超壓保護(hù)、二次側(cè)排熱等）和支持系統(tǒng)（冷卻系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)）。風(fēng)險模型覆蓋5 種運(yùn)行模式：①功率運(yùn)行工況到壓力大于130bar（POS_A）、SG 連接的雙相中間停堆工況（POS_B）；②蒸汽發(fā)生器（SG）連接的停堆工況（POS_C）；③余熱排出（RHR）連接的停堆工況（POS_D）；④維修冷停堆；⑤反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）中間水位的維修冷停堆（POS_G）。分析對象為核電站堆芯損傷頻率（Core Damage Frequency，CDF）風(fēng)險模型，一方面，核電站模型規(guī)模需要足夠大（邏輯門約8 000 個，基本事件約2 000 個），能夠體現(xiàn)計算引擎的求解性能；另一方面，通過組態(tài)配置可對所有功能點(diǎn)進(jìn)行測試。選擇11 組測試案例（見表1），并將計算結(jié)果與RiskSpectrum（RS）軟件進(jìn)行對比分析。

圖6 給出了在截斷概率為10-14、10-15時系統(tǒng)平臺采用重解法的在線計算精度，其中相對誤差εr=［（軟件平臺計算值-RS 計算值）/RS 計算值］×100%。從圖中可以看出，計算結(jié)果與RS軟件基本一致。

圖7給出了系統(tǒng)平臺在兩種截斷概率下的計算時間。從圖中可以看出，當(dāng)截斷概率為10-15時，計算時間均在5min以內(nèi)；當(dāng)截斷概率為10-14時，計算時間均在2min以內(nèi)。此外，完成了對系統(tǒng)平臺所有功能點(diǎn)的測試。測試結(jié)果表明，研發(fā)的核電站運(yùn)行風(fēng)險與預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了既定功能，計算精度與RiskSpectrum軟件相當(dāng)，計算效率滿足設(shè)計要求。

Table 1 Explanations of test cases表1 測試案例說明

Fig.6 Computational accuracy圖6 計算精度

Fig.7 Computing time圖7 計算時間

4 結(jié)語

根據(jù)當(dāng)前國際上主流風(fēng)險監(jiān)測器的主要功能以及我國核電業(yè)主的實際需要，提出一種基于風(fēng)險指引理論的核電站運(yùn)行風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)平臺框架，并開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)平臺。經(jīng)過Verification and Validation（V&V）測試，結(jié)果表明，研發(fā)的核電站運(yùn)行風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了既定功能，計算時間與RiskSpectrum 軟件相當(dāng)。該系統(tǒng)平臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，可以替代國際同類軟件，對于提高我國核電站運(yùn)行風(fēng)險管控水平具有重要的現(xiàn)實意義。