摘要：由異常工況引發的雪崩式報警是困擾核電廠主控制室操縱員的一個主要問題。本文提出了一種基于多層流模型的系統功能建模方法，用于進行智能化報警分析。該方法利用報警傳播對未被傳感器測量的功能狀態進行預測，并以此為基礎進行報警分類，從大量報警事件中識別結果性報警。結果性報警可以根據報警的優先級和重要性進行抑制，從而有效減少最終提示給操縱員的報警數量。

　　關鍵詞：報警系統;過程建模;因果分析;核電廠

　　0引言

　　針對傳統報警系統的缺陷[1]，國際上已經開發了許多先進的報警處理技術[2-5]，其中最簡單的利用低通濾波技術消除參數在短時間內振蕩進入和超出額定工作范圍時產生的震蕩報警;另一種報警處理技術是邏輯濾波，用于減少干擾報警，邏輯濾波方法采用某種類型的邏輯，如電廠工況、參數的重要性或因果關系，而不是低通濾波所采用的信號本身的時間特性;第三種先進的警報處理技術是報警優先級排序，可以基于不同的準則，例如響應時間對電廠安全的威脅等。報警優先級處理技術是從低層次信號或報警中推導出高層次報警，至少可以劃分為基于事件和基于模型兩種處理算法。基于事件的報警分析是通過一組特定的前提條件來識別特定的報警事件。

　　因此，無法提供對意外事件的支持，這被認為是該技術的一個重要局限性。在基于模型的警報分析中，報警分析模型描述了在電廠正常運行時必須保持的屬性，這些屬性在電廠運行期間可能受到故障等異常事件的干擾，從而引發報警發生，對這些屬性進行分析，可以識別引發報警事件的原因。基于模型的報警分析即使與特定的報警事件無關，不需要像基于事件的報警分析方法需要事先定義一組有限的事件集合。因此，被認為是一種具有發展前景的報警分析技術。

　　1多層流模型原理

　　多層流模型由丹麥學者M.Lind于1980年提出，是一種分析由物質、能量和信息交互構成的復雜過程系統的功能模型方法[6,7]。多層流模型利用一組包含因果關系的基本功能要素組成流結構，表示系統如何組織資源實現預定目標的特性。多層流模型的基本要素歸納如下，具體的細節請參閱文獻[8]。

　　1.1功能(Function)

　　多層流模型提供了一組流功能元件，常用功能包括源(source)、傳輸(transport)、存儲(storage)、平衡(balance)、阻礙(barrier)以及阱(sink)分別表示系統物理元件提供、傳輸、儲存、平衡、阻礙以及消耗物質(能量)的能力。多層流模型還提供了4個控制功能，假設S2是由S1控制的被控系統：1)引導(Steer)：表示S1在S2中產生一個新狀態的能力。2)停止(Trip)：表示S1終止S2當前狀態的能力。3)調整(Regulate)：表示S1維持S2當前狀態的能力。4)抑制(Suppress)：表示S1抑制S2產生新狀態的能力。

　　1.2目標(Objective)

　　目標表示系統需要產生、維持、抑制或消除的某種狀態，目標通過手段——目的關系與功能結構相連。

　　1.3功能結構(FunctionStructure)

　　功能結構也稱為流網(FlowNetwork)，是一組由影響關系(InfluenceRelations)連接的物質、能量或信息功能組成，分別對應為物質流、能量流和信息流。

　　1.4關系(Relations)

　　1)影響關系(Influence)是指影響關系描述相連兩個功能之間的因果關系，由以下兩種類型的影響關系：影響者(Influencer)：將功能F(源、阱、存儲或平衡)連接至傳輸功能T的入口或出口，表示功能F主動影響功能T。參與者(Participant)：將功能F(源、阱、存儲或平衡)連接至傳輸功能T的入口或出口，表示功能F被動地將物質或能力提供給功能T或被動地接受來自功能T的物質或能量。2)手段——目的關系(Means-endRelations)：多層流模型提供了多種手段——目的關系，將目標連接至流結構，流結構包含一個或多個功能，這些功能對產生、維持、消除或抑制該目標發揮作用。

　　1.5層次化結構(HierarchicalStructure)

　　多層流模型在不同抽象層次上描述電廠信息，相鄰兩個層次由手段——目的關系連接。對于由手段——目的連接的兩個層次中的功能而言，較低層次的功能是實現高一層次功能的手段，高一層次的功能是較低層次功能的目的。多層流模型的層次化結構利用手段——目的關系為基于目標的問題求解和信息搜尋提供了有力支持，根據手段——目的關系，操縱員可以聚焦于目的以及與其關聯的功能，而不需要關注所有系統元件。因此，多層流模型非常適合用于核電廠等復雜系統的運行監測、報警分析、故障診斷和預測。

　　2利用多層流模型進行核電廠建模

　　利用多層流模型進行核電廠建模涉及以下步驟：1)選擇電廠工況。2)識別在該工況下電廠的運行目標(主要目標)。3)識別各系統為實現電廠目標而需實現的子目標。4)選擇一個目標(通常為主要目標)開始分析。5)識別實現該目標的功能及對應的物理部件。6)逐一識別功能的入口(輸入)功能和出口(輸出)功能，直至達到預先確定的分析邊界。

　　7)選擇恰當的影響關系將功能連接起來。8)對于每一功能，如果存在實現功能的條件，則利用手段——目的關系將功能向下與子目標或支持功能連接起來，重復這一步驟直至達到預先確定的最低的分析層次為止。9)如果功能由子目標支持，則轉入步驟5);如果功能由Producer-Product關系連接，將支持功能作為分析對象，轉入步驟6)進行進一步分析。10)檢查模型，確認沒有遺漏任何功能和目標。

　　3基于多層流模型的報警分析

　　3.1報警分類

　　進行報警分析的目的是減少提供給操縱員的報警數量，并幫助操縱員進行故障定位和故障原因識別，為此將功能狀態(報警事件)劃分為以下類型：1)主要報警：引發其他報警事件的原因性報警。2)次要報警：由原因性報警引發的結果性報警。3)未知報警：報警事件的初始狀態。

　　3.2功能狀態離散化

　　通常將多層流模型的功能狀態離散為高(hiflo)、正常(normal或OK)以及低(loflo)3種狀態，表示高、正常或低流量、水位、壓力等狀態，此外還包括以下兩種狀態：1)未知狀態：功能的初始狀態。2)高-低狀態(Hi-loflo)：表示不能檢測或推理得到的不確定的功能狀態。

　　3.3功能狀態之間的因果關系

　　一個功能所處狀態依賴于其輸入功能、輸出功能以及條件。多層流模型元件所包含的因果關系可從領域的第一原理得到。根據物質和能量的守恒原理，可以歸納一組通用的因果關系，可作為報警分析的基礎，表1給出了多層流模型部分報警推理規則。利用因果關系圖可以說明多層流模型功能狀態之間的因果依存關系和報警分析原理。

　　說明多層流模型的報警分析原理。M1為二回路物質流結構，實現兩個目標：1)G1：維持蒸汽發生器(SG)水位。2)G2：提供蒸汽。物質流結構包括5個功能：①F1：給水箱提供給水。②F2：給水泵將給水傳輸至SG。③F3：SG存儲給水，產生蒸汽。④F4：蒸汽傳輸至汽輪機。⑤F5：蒸汽驅動汽輪機做工。在蒸汽發生器喪失給水的情況下，通過輔助給水G3維持SG水位。

　　一旦傳感器檢測確認了功能狀態(報警事件)，多層流模型可以用于：預測：在流結構中，將一個報警事件按多層流模型因果關系傳播進行影響傳播，從而對未知的功能狀態進行預測。當F2檢測處于低狀態(給水流量低)，可以預測F3(SG水位)和F4(主蒸汽流量)也將處于低狀態。因果路徑識別：通過因果分析識別主要報警。進一步假設F3和F4均處于低狀態，即SG水位低且主蒸汽流量低，存在從F2(loflo)→F3(loflo)→F4(loflo)的因果路徑，覆蓋上述功能狀態，路徑起點所對應的功能狀態稱為主要報警，路徑上其他功能狀態為次要報警。

　　3.4主要/次要報警自動判別方法

　　本文給出如下自動判別報警類別的方法，包括兩個主要步驟：1)預測：將每一由傳感器檢測的報警事件(對應特定的功能狀態)沿著多層流模型因果路徑進行影響傳播，由此可以識別模型中所有未知功能狀態。2)報警類別識別：根據多層流模型的因果關系確定每一報警的類型。由于功能能否實現依賴其入口功能、出口功能和條件狀態，因而判斷某個功能的異常狀態為主要報警的條件為：①該功能的異常狀態應由傳感器直接探測，而非經過模型推理得到。②該功能的條件正常。③如果該功能的入口功能與出口功能處于異常狀態，則根據表1給出的因果規則，可以判明入口和出口功能的異常狀態為該功能狀態的結果。以給水泵性能劣化故障為例，該故障將引發給水流量低(F2loflow)、SG水位低(F3loflow)以及主蒸汽流量低(F4loflow)報警。

　　在該例中，由于給水流量低為“真”，SG水位高為“假”，因此判別“給水流量低為次要報警”為“假”，“給水流量低為主要報警”為“真”。同理，分別給出了用于判斷SG水位低和主蒸汽流量低報警是否為主要報警的判斷邏輯。如果功能A與功能B相連，且功能B的狀態未被傳感器直接探測，在以下兩個情況下，功能A的異常狀態不能被判別為主要報警或次要報警，此時功能A的異常狀態將不能被抑制：a)功能B的狀態不能入口功能和出口功能唯一確定。b)功能A和功能B狀態之間存在互為因果的關系。

　　4結論

　　本文提出了一種基于多層流模型的報警分析方法，用于在減少異常/事故工況下提示給主控制室操縱員的報警的數量，論文給出了一組基于守恒原理的報警推理規則，可用于預測未知功能狀態。論文給出了判別報警類別的方法，次要報警可以結合其優先級或重要性得到抑制，從而減少操縱員進行報警分析和運行決策的負擔。在論文給出的基于多層流模型的報警分析方法中，報警是否為主要報警主要依賴于功能的入口功能、出口功能和條件。因此，很容易進行形式化和程序化。目前，作者正在利用實時專家系統開發多層流模型建模和報警分析平臺，也將利用全范圍模擬器對本文所提方法的有效性進行驗證。

　　核電方向論文范文：核電站三維設計的發展和應用

　　【內容摘要】由于受到多種條件的制約，核電行業三維技術的發展之前一直處于慢車道。隨著通信技術和互聯網技術的發展，三維設計在核電行業得到了長足的應用和發展。本文著重闡述了核電站三維設計的應用，并展望了未來數字電站和智能電站的發展方向。