核電廠系統動態(tài)故障樹快速可靠性分析及風險成本多目標優(yōu)化方法研究.pdf

1、以故障樹、事件樹為風險模型的概率安全評價(Probabilitic Safety Assessment，PSA)技術在核電廠的建造、運營、風險評估和日常管理過程中發(fā)揮著不可替代的作用，也是核電廠“安審報告”必須要提交的部分。隨著核電廠越來越復雜設計系統的出現以及系統可靠性理論的發(fā)展，研究人員發(fā)現傳統的靜態(tài)故障樹、事件樹建模技術在分析復雜動態(tài)順序失效系統可靠性時顯得有些力不從心。核電廠系統的復雜性主要體現在以下三個方面：核電廠系統失效的順

2、序(時序)性；核電廠設備失效的多樣性；核電廠低使用率備用安全系統風險成本管理的矛盾性。系統失效順序性是指系統失效不僅與設備的組合邏輯有關，還與設備失效的先后順序邏輯有關。設備失效的多樣性是指設備不僅具有隨機性失效（又稱可靠性失效），還可能因為設備的定期試驗、維修等導致的不可用（也稱功能需求失效）。而針對核電廠低使用率備用安全系統，日常維護人員總希望采取的維護策略能夠讓備用安全系統維持在一個較高的安全水平上，同時承擔較少的維護成本，顯然這

3、是一個多目標優(yōu)化問題。
　　針對含有順序失效行為的復雜系統可靠性，國際上普遍采用動態(tài)故障樹技術進行建模分析，這種技術首次應用于計算機冗余系統的可靠性評價中，后來逐漸拓展到航空航天、核電廠以及化工過程系統中。目前，動態(tài)故障樹的求解技術仍舊處在不斷地發(fā)展之中，特別是針對大規(guī)模、高耦合的動態(tài)故障樹，其可求解性以及求解的高效性都需要進一步地發(fā)展提高。不交化積之和法(Sum of Disjoint Products,SDP)是求解不可修動態(tài)

4、故障樹最有效的方法之一，但是這種方法在求解大規(guī)模、高耦合動態(tài)故障樹時，依舊存在三個亟待解決的關鍵難題：廣義割序事件的邏輯求反運算；廣義割序事件的發(fā)生概率定量計算；高效的動態(tài)故障樹SDP模型構建算法。針對第一個問題，作者提出了一種基于摩根定理的廣義割序通用求反公式；對于第二個問題，作者提出了一種基于廣義割序順序失效域的多重積分求解公式；對于最后一個問題，作者根據動態(tài)故障樹的規(guī)模以及耦合形式，提出了三種不交化模型構建算法：針對小規(guī)模的動態(tài)故

5、障樹，作者提出了一種基于改進的K.D.Heidtman模型法；針對中大規(guī)模的動態(tài)故障樹，尤其是以動態(tài)門直接耦合的動態(tài)故障樹(在本文也被稱之為I類動態(tài)故障樹)，作者提出一種動態(tài)二叉樹模型法；針對中大規(guī)模的故障樹，其中動態(tài)邏輯門位于故障樹的下端/底端，如果動態(tài)邏輯門耦合，也是通過重復事件耦合(在本文也被稱之為 II類動態(tài)故障樹)，作者提出了一種動態(tài)二元決策圖模型法。為了提高這三種模型的分析效率，作者分別提出了三種模型對應的啟發(fā)式構建策略。相

6、對于傳統的動態(tài)故障樹求解方法，這三種方法在求解效率上獲得了極大的提高。此外，作者在大規(guī)模、高耦合不可修動態(tài)故障樹的數值模擬上也進行了深入的理論研究，提出了一種基于“最小割序集+順序失效域”的數值模擬方法。該方法可以作為不可修動態(tài)故障樹數值仿真的一種標準方法。
　　針對設備多樣性失效的核電廠動態(tài)順序失效系統，作者同樣提出了一種基于最小割序集的可靠性蒙特卡洛數值仿真方法，該方法模擬系統在任務期間內的失效時間段，并根據系統的可靠性指標統

7、計量來分析核電廠系統的可靠性。
　　對于核電廠低使用率備用安全系統，核電廠運營商除了重視系統的可靠性之外，也非常關注系統在整個運營期間的維護費用。期望用最小的維護成本來獲取系統最大的可用度。顯然，這是一個多目標優(yōu)化問題。為了實現核電廠低使用率備用安全系統風險成本的多目標優(yōu)化，作者構建了一種適用的多種群多目標混合整數粒子群優(yōu)化框架，并解決多目標粒子群優(yōu)化中三個問題：多目標適應度分配問題，混合整數優(yōu)化問題（連續(xù)和離散決策變量），外部檔