一種數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統的製作方法

2023-06-04 00:44:11

本發明涉及數位化儀控系統概率安全分析，具體涉及一種數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統。

背景技術：

傳統可靠性分析方法之所以無法完全適用於數位化儀控系統，是由於數位化儀控系統依靠計算機硬體及軟體控制平臺執行各種複雜的核電廠控制。與單純的硬體系統相比，由於數位化設備的時間動態特性，導致其具有不同的故障模式，並且在計算機軟體冗餘的開發、計算機故障統計數據的外推和共因故障模式的預測和驗證等方面都存在困難。這些因素都導致目前對核電廠數位化儀控系統的安全性和可靠性進行定量評估面臨著新的問題。儘管概率安全分析(psa)對評估i&c系統風險有一定的作用，但目前對數位化系統的建模和分析普遍採用的仍然是傳統靜態的方法。可靠性模型如何更準確全面地反映系統複雜的動態交互特性是目前相關研究領域的重點。

目前nrc和nasa認可並推薦的分析含有軟體的數位化儀控系統可靠性問題的方法主要是動態可靠性分析方法。nrc發布的過渡性導則及輔助的研究報告也主要說明和導向了dfm及馬爾可夫胞映射(markov/ccmt)的動態方法。其中，dfm方法目前有成熟的商用軟體dymonda，但目前國內外還沒有markov/ccmt方法的商用軟體。與dfm方法相比，markov/ccmt對系統的失效狀態定義，是通過考慮系統設備響應與系統的物理過程有機結合，採用例如系統的控制變量(如溫度、壓力等)之類的參數。而且，系統設備的故障狀態通常不止兩種，可以三種或更多，可靠性分析結果也將更精確，信息量更大。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提出一種數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統。

數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統包括產生仿真指令、系統運行區間劃分、仿真機仿真、主程序計算與結果分析五個功能部分；其中：

產生仿真指令經配置以通過配置設備狀態信息生成設備狀態組合與仿真腳本，以此作為為後續仿真工作的基礎；

系統運行區間劃分經配置以配置系統變量信息對系統區間的劃分個數，通過此劃分將系統變量的狀態進行離散化處理，從而便於使用markov/ccmt方法分析不同的設備狀態組合對於系統變量的影響；

仿真機仿真經配置以通過系統打開外部仿真機並執行預先產生的仿真命令對系統進行仿真；

主程序計算經配置以通過收集系統狀態信息計算區間轉移概率，通過收集設備狀態配置信息計算系統設備狀態轉移概率；及

結果分析經配置以計算轉移矩陣及系統失效概率。

優選地，所述設備狀態信息包括設備數量、設備狀態及其仿真指令信息。

優選地，所述仿真機仿真經配置以整理並保存仿真結果。

優選地，所述主程序計算經配置以通過收集所述保存仿真結果信息計算區間轉移概率，通過收集設備狀態配置信息計算系統設備狀態轉移概率。

優選地，所述系統變量信息包括系統運行區間。

優選地，所述系統可應用於軟體平臺。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、本發明基於markov/ccmt方法理論，以c#作為基本開發語言，完成集仿真、計算、結果分析功能於一體的針對數位化儀控系統的動態可靠性集成分析系統，可應用於軟體平臺，並將所搭建的系統運用到實際ap1000主給水系統中進行調試，並對ap1000數位化儀控系統主給水部分進行全面的可靠性分析，分析範圍包括系統失效概率及系統的薄弱點等。

2、本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，產生仿真指令根據模型中設備狀態信息，自動生成所有可能的設備狀態組合及其變化規則，並根據對應仿真代碼指令生成仿真機可識別的仿真腳本，從而方便仿真機完成全部仿真過程。

3、本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，系統運行區間劃分根據系統變量的正常運行範圍與臨界運行範圍，將運行區間按指定規則離散化處理，從而便於分析系統當前所處具體狀態。

4、本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，仿真機仿真可在系統中直接配置仿真機位置及其他配置文件信息，隨後直接點擊「開始仿真」按鈕後，會直接通過系統啟動仿真機並根據之前生成的仿真腳本進行仿真，大量減少人為配置工作。

5、本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，主程序計算根據仿真結果與系統配置信息計算系統失效概率，並以圖形化形式顯示系統失效概率的條件概率函數與累計概率函數。

6、本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，結果分析根據系統失效概率計算結果及系統路徑信息對系統從失效路徑方面與失效概率方面進行分析。其中，系統失效路徑分析方面共包含三部分信息，分別是割集路徑出現次數、系統路徑失效條數與具體割集路徑出現在不同時間節點下的詳細失效情況。系統失效概率分析方面共包含三部分信息，分別是割集失效概率、導致失效事件時設備故障類型出現次數與設備故障類型導致系統失效的重要度分析。

附圖說明

圖1為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統流程圖；

圖2為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統仿真過程流程圖；

圖3為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統變量區間劃分流程圖；

圖4為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統失效概率計算流程圖；

圖5為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統失效概率結果分析流程圖；

圖6-1為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統文件配置項內容。

圖6-2為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統打開文件配置界面。

圖6-3為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統配置系統變量。

圖6-4a-c為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統設備變量配置界面。

圖6-5為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統仿真信息配置界面。

圖6-6a-d為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統打開外部配置文件、打開系統變量界面、打開設備變量界面及打開仿真機配置界面。

圖6-7為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統讀取仿真結果界面。

圖6-8a-c為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統進入結果分析界面、系統路徑信息分析界面及系統失效概率分析界面。

圖6-9為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統系統敏感性分析界面。

圖7-1、2為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統產生仿真指令界面。

圖7-3為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統系統運行區間劃分界面。

圖7-4為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統仿真機仿真界面。

圖7-5為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統主程序計算界面。

圖7-6、7為本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統結果分析界面。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

基於markov/ccmt方法理論，以c#作為基本開發語言，完成集仿真、計算、結果分析功能於一體的針對數位化儀控系統的動態可靠性集成分析系統，可應用於軟體平臺。同時將所搭建的軟體平臺運用到實際ap1000主給水系統中進行調試，並對ap1000數位化儀控系統主給水部分進行全面的可靠性分析，分析範圍包括系統失效概率及系統的薄弱點等。

markov/ccmt對系統進行可靠性分析時，通過與指定仿真平臺的集成，遍歷系統中所有設備故障模式，分析系統中所有可能失效狀態，從而體現系統物理過程的不確定性，，進而計算系統的失效概率和割集，計算結果中會體現不同設備故障模式在不同時刻對系統失效的貢獻程度。

如圖1所示，核電站可靠性分析系統在使用過程中包含五個主要功能模塊，分別為產生仿真指令、系統運行區間劃分、仿真機仿真、主程序計算與結果分析五個主要功能部分。首先根據設備配置信息生成相應仿真指令，隨後連接仿真機進行仿真，結合仿真結果與系統變量區間劃分結果，系統基於markov/ccmt方法原理對系統失效概率進行計算，對計算結果從系統失效路徑與系統失效概率兩方面進行分析。

如圖2所示，產生仿真指令：通過配置設備狀態信息，包括設備數量、設備狀態及其仿真指令等信息，生成設備狀態組合與仿真腳本，以此作為為後續仿真工作的基礎。具體的，首先需要根據系統設備數量、系統設備狀態數量等信息生成所有可能的設備狀態組合，並默認為不可修復系統的情況下，生產該組條件下的設備狀態組合變化規則，最終確定的設備狀態組合變化規則結合節點數量會生成系統在指定時間節點下所有可能的變化規則，最後連接仿真機完成完整過程。

如圖3所示，系統運行區間劃分：配置系統變量信息包括系統運行區間即對系統區間的劃分個數，通過此劃分將系統變量的狀態進行離散化處理，從而便於使用markov/ccmt方法分析不同的設備狀態組合對於系統變量的影響。具體的，根據系統狀態變量個數、系統狀態變量正常/臨界運行區間及其劃分規則，對系統變量進行劃分並編號。

仿真機仿真：通過系統打開外部仿真機並執行預先產生的仿真命令對系統進行仿真，同時整理並保存仿真結果。

如圖4所示，主程序計算：通過收集系統狀態信息及仿真結果信息計算區間轉移概率，通過收集設備狀態配置信息計算系統設備狀態轉移概率。最後計算轉移矩陣及系統失效概率。具體的，根據系統變量區間劃分結果與仿真結果，基於markov/ccmt方法原理計算系統失效概率。

如圖5所示，結果分析：分析內容包括根據系統失效概率所繪製的累計概率密度函數與條件概率密度函數曲線，同時根據系統失效概率對系統模型的事故序列及設備失效概率等方面進行分析，包括重要度分析與敏感性分析。具體的，結果分析過程中採用之前計算的到的系統失效概率，通過設定的精度要求判斷是否作為再次調整區間劃分規則重新進行計算。對最終滿足精度要求的計算結果從系統失效路徑與設備狀態重要度及設備狀態敏感性方面對結果進行分析。

以下給出將本發明提供的系統應用於軟體平臺的示例：

1.配置模型信息

1.1通過外部文件配置模型信息

通過單擊「文件配置」-「打開」，打開讀取外部文件界面，選擇相應文件進行配置，如圖6-1、6-2所示。

此外，當在軟體中配置好「系統變量信息」、「設備變量信息」與「系統仿真信息」後，點擊保存按鈕，會根據指定格式自動保存配置信息。

1.2通過手動配置方式配置模型信息

1.2.1手動配置系統變量信息

1)在圖6-1中選擇系統配置-系統變量配置，打開系統變量配置界面，如圖6-3所示；

2)選擇系統變量數量；

3)根據系統變量內容具體項配置相應信息；

4)點擊「確認輸入」

1.2.2手動配置設備變量信息

1)在圖6-1中選擇系統配置-設備變量配置，打開設備變量配置界面，如圖6-4所示；

2)選擇設備變量數量；

3)輸入設備變量名稱與總狀態個數，點擊輸入仿真指令按鈕，如圖6-4a所示；

4)根據設備變量內容具體項配置相應信息，輸入完畢後點擊「輸入仿真指令」，對具體設備狀態信息進行配置，如圖6-4b所示。其中「仿真代碼」在輸入過程中，按shift+enter進行換行，輸入完畢後按enter即可；

5)點擊「確認輸入」即可以顯示所有的設備狀態組合及設備狀態組合狀態轉移規則，如圖6-4c所示；

6)檢查設備狀態組合轉移規則是否符合要求，可點擊修改按鈕進行修改；

7)修改時直接在設備狀態組合轉移規則表中點擊影響單元格進行更改，如單擊空白處可加入轉移規則，單擊已轉移項可取消轉移規則，點擊「確認修改」後完成修正。

2.配置仿真信息

仿真信息配置界面如圖6-5所示。

1)加載已編譯好的系統初始化仿真指令；

2)配置故障步長、故障深度；

3)配置採樣率與採樣配置腳本，此為非必要配置項；

4)點擊預計生成仿真路徑查看預計仿真總時長，根據情況修改故障深度與故障步長；

5)點擊生成仿真腳本，等待進度條指示生成完畢；

6)設置仿真起始/結束路徑；

7)設置仿真程序、仿真腳本及仿真結果文件內容，均可通過雙擊對話框進行配置，並可直接在對話框中進行修改；

8)點擊開始仿真，等待全部仿真過程結束，如需終止仿真過程可點擊終止仿真按鈕。

3.計算系統失效概率

1)當軟體中尚未配置模型信息時，需首先編輯模型信息，通常做法是通過單擊主界面中「文件配置」-「打開」選項打開外部已保存的模型配置信息文件，如圖6-6a所示；

2)依次打開「系統配置」-「系統變量」、「系統配置」-「設備變量」、「仿真機配置」界面，查看相應輸入量確認輸入，並以便程序對輸入數據進行初始化整理，如圖6-6b-d所示；

3)點擊讀取仿真結果按鈕，彈出文件夾選擇界面，如圖6-7所示，並在此選擇所需要分析的數據文件夾。注意文件夾中只能包含仿真數據文件，不應再包含其他類型文件；

4)當仿真結果讀取進度顯示讀取完畢後，點擊開始計算便課對系統失效概率進行計算；

5)計算完畢後，操作日誌欄中顯示以下幾項內容：

計算結果通過情況；

系統失效累積概率密度；

排名前五的導致系統高值失效的狀態組合的條件概率密度；

排名前五的導致系統低值失效的狀態組合的條件概率密度。

6)當需要對系統區間劃分規則進行細分時，點擊「調整區間劃分規則」按鈕可進入修正區間劃分規則界面；

7)修正區間劃分規則界面中的操作日誌顯示以下內容：

配置方案中具區間細分規則內容；

總區間數量；

所有節點下不同失效模式的累積概率密度；

8)根據需要選擇自動/手動修改劃分規則模式；

9)當選擇自動修改區間劃分規則時，根據需求配置相應項內容；

10)當選擇手動修改區間劃分規則時，根據需求手動輸入新的區間劃分；

11)點擊「修正劃分規則」按鈕，軟體自動根據配置項內容重新計算，當採用自動調整區間劃分規則時，滿足精度要求或最大調整次數時，軟體則停止繼續迭代，採取上一次的修正方案作為最終選定結果。

4.分析系統失效概率

1)點擊「結果分析」按鈕進入結果分析界面，如圖6-8a-b所示；

2)點擊「簡化路徑」按鈕，對系統路徑信息進行簡化；

3)待簡化路徑完畢後，可點擊保存簡化路徑對簡化後的路徑進行額外保存，此過程非必要步驟；

4)點擊「結果顯示」按鈕，顯示系統失效信息；

5)點擊「概率分析」按鈕，進入概率分析界面，如圖6-8c所示；

6)點擊「顯示結果」按鈕，顯示系統失效概率信息；

7)點擊「重要度分析」按鈕，顯示系統失效時各設備故障類型重要度。

5.系統敏感性分析

1)打開系統配置文件，操作過程與6.3節1)、2)步相同，敏感性分析界面如圖6-9所示；

2)當查看軟體敏感性功能時，點擊「產生隨機數據測試」隨機生成待分析數據；

3)當已對隨機性故障類型進行不同配置的計算結果進行保存，並將其存值同一文件夾中後，點擊「讀取計算結果」並選擇相應文件夾讀取不同組的系統失效概率結果；

4)點擊「敏感性分析」對不同組系統失效概率的計算結果進行分析，由於此時設置為顯示所有系統割集失效信息，因此當割集數量較多時加載過程較為緩慢，稍等界面刷新完畢後即可完整顯示分析結果。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、本發明基於markov/ccmt方法理論，以c#作為基本開發語言，完成集仿真、計算、結果分析功能於一體的針對數位化儀控系統的動態可靠性集成分析系統，可應用於軟體平臺，並將所搭建的系統運用到實際ap1000主給水系統中進行調試，並對ap1000數位化儀控系統主給水部分進行全面的可靠性分析，分析範圍包括系統失效概率及系統的薄弱點等。

2、如圖7-1和7-2所示，所示，本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，產生仿真指令根據模型中設備狀態信息，自動生成所有可能的設備狀態組合及其變化規則，並根據對應仿真代碼指令生成仿真機可識別的仿真腳本，從而方便仿真機完成全部仿真過程。

3、如圖7-3所示，本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，系統運行區間劃分根據系統變量的正常運行範圍與臨界運行範圍，將運行區間按指定規則離散化處理，從而便於分析系統當前所處具體狀態。

4、如圖7-4所示，本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，仿真機仿真可在系統中直接配置仿真機位置及其他配置文件信息，隨後直接點擊「開始仿真」按鈕後，會直接通過系統啟動仿真機並根據之前生成的仿真腳本進行仿真，大量減少人為配置工作。

5、如圖7-5所示，本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，主程序計算根據仿真結果與系統配置信息計算系統失效概率，並以圖形化形式顯示系統失效概率的條件概率函數與累計概率函數。

6、如圖7-6和7-7所示，本發明提供的數位化儀控系統動態可靠性集成分析系統，結果分析根據系統失效概率計算結果及系統路徑信息對系統從失效路徑方面與失效概率方面進行分析。其中，系統失效路徑分析方面共包含三部分信息，分別是割集路徑出現次數、系統路徑失效條數與具體割集路徑出現在不同時間節點下的詳細失效情況。系統失效概率分析方面共包含三部分信息，分別是割集失效概率、導致失效事件時設備故障類型出現次數與設備故障類型導致系統失效的重要度分析。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的系統而言，由於與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

本領域技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。

顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。