核電廠系統(tǒng)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(tǒng)的出現(xiàn)以及系統(tǒng)可靠性理論的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)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(tǒng)可靠性時顯得有些力不從心。核電廠系統(tǒng)的復雜性主要體現(xiàn)在以下三個方面：核電廠系統(tǒng)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(tǒng)風險成本管理的矛盾性。系統(tǒng)失效順序性是指系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)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(shù)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(shù)值模擬方法。該方法可以作為不可修動態(tài)故障樹數(shù)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(tǒng)，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(shù)值仿真方法，該方法模擬系統(tǒng)在任務期間內的失效時間段，并根據(jù)系統(tǒng)的可靠性指標統(tǒng)

7、計量來分析核電廠系統(tǒng)的可靠性。
　　對于核電廠低使用率備用安全系統(tǒng)，核電廠運營商除了重視系統(tǒng)的可靠性之外，也非常關注系統(tǒng)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(tǒng)最大的可用度。顯然，這是一個多目標優(yōu)化問題。為了實現(xiàn)核電廠低使用率備用安全系統(tǒng)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(shù)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(shù)優(yōu)化問題（連續(xù)和離散決策變量），外部檔