核电系统故障诊断专家系统研究.pdf

核 动 力 工 程 N u c l e a r P o w e r E n g i n e e r i n g 第 2 6卷 第 5期 2 0 0 5 年 1 0 月 V o l . 2 6 . N o . 5 O c t . 2 0 0 5 文章编号0 2 5 8 - 0 9 2 6 ( 2 0 0 5 ) 0 5 - 0 5 2 3 - 0 5 核电系统故障诊断专家系统研究 陈志辉夏 虹刘 邈 哈尔滨工程大学动力与核能工程学院1 5 0 0 0 1 摘要针对核电系统的故障特征建立了专家系统专家系统中的知识采用启发式表示知 识可以表示成确定性和不确定性知识对于确定性知识采用简单的命题逻辑的推理机制对 于不确定性知识引入了确定性因子 kC F来表示知识的不确定性并据此建立了推理机制 为了 解决专家系统中知识获取的瓶颈问题将 R o u g h 集理论引入到了核电系统故障诊断系统 并将基于可辨识矩阵的约简算法做了改进在对属性重要性进行测度时考虑了同决策类内 具有同属性值属性及属性在可辨识矩阵中出现的次数等因素用该诊断系统在仿真机上对不 同的故障进行了诊断并得到了正确的结果 关键词核电系统故障诊断专家系统R o u g h 集理论确定性因子 中图分类号T L 3 6 文献标识码A 1 引 言 近年来人工智能及计算机技术的飞速发 展为故障诊断技术提供了新的理论基础产生 了基于知识的故障诊断方法作为其中之一的故 障诊断专家系统有许多成功的应用 在故障诊断专家系统的应用中知识的获取 一直是其发展的瓶颈而粗糙集( R o u g h s e t ) 理论在数据挖掘方面表现出极大的发展潜力尤 其是处理不确定不完整数据不精确问题的能 力而且其训练得到的规则可用启发式表示启 发式知识是专家系统最重要的表示方法本文将 R o u g h集理论引入核电系统故障诊断专家系统 用于解决知识获取的 瓶颈 问题 在利用 R o u g h 集理论进行约简时采用了基于可辨识矩阵的算 法并对其做了改进用该专家系统在仿真机上 分别用确定性因子及利用 R o u g h 集理论提取的规 则对不同的故障进行了诊断 得到了预期的结果 增强了诊断的实时性 2 核电系统故障诊断专家系统 核电系统故障诊断专家系统模拟人类专家解 决特定问题的方法进行智能诊断该专家系统的 构成及诊断过程如图 1 所示 1 由知识库全局 图 1 故障诊断专家系统的构成 F i g . 1 S t r u c t u r e o f a R u l e - b a s e d E x p e r t S y s t e m 数据库知识获取子系统解释子系统人机接 口 推理机等部分组成 为了解决知识获取的 瓶 颈问题在系统中加入了 R o u g h 集知识获取子 系统通过该系统将知识存入知识库中 图 1 所示系统的工作过程为系统时刻监视 着全局数据库中的数据( 如温度 压力 辐射剂量 等) 一旦数据超出预定值 根据检测到的数据调 用知识库中的规则利用推理机本身的推理机制 进行诊断并将诊断过程存储到全局数据库中 诊断结果通过人机接口展现给运行人员运行人 收稿日期2 0 0 4 - 1 0 - 1 9 修回日期2 0 0 5 - 0 4 - 1 3 核 动 力 工 程 V o l . 2 6 . N o . 5 . 2 0 0 5 5 2 4 员可以根据提示进行操作以排除故障还可以通 过解释子系统查看存储在数据库中的诊断过程 运行人员也可以根据诊断结果的正确与否对知 识库推理机进行修改 3 知识的表示方法 专家系统中的知识有很多种表示方法如框 架语义网络产生式等其中产生式规则是 专家系统中使用最多的知识表示方法具有如下 的特点 ( 1 ) 类似人类的认知过程 规则是模拟人类解 决问题方式的一个自然方法 ( 2 ) 模块化特点规则使得知识容易封 装并不断扩充 ( 3 ) 用产生式规则表示知识 格式固定 形式单一规则间相互较为独立知识库 和推理机相互分离对知识库的修改较方 便 由于核电系统的复杂性其故障信息 本身可以有确定与不确定之分对于启发 式规则可以表示确定性及不确定性知识 知识随着研究的不断深入而不断扩展产 生式知识可以很容易实现知识添加的功 能而且对于实时性的要求可以通过在推 理机制中选择合适的推理方法进而减小诊 断的时间来实现因此在该专家系统中 采用了产生式知识表示方法 产生式规则是一种蕴涵表达式 对于确 定性知识表示形式如下 i f E 1 a n d E2 a n d t h e n H 其中E i表示规则的各个前提H 表示规则 的结论 对于故障现象和故障具有一一对应关 系的情况可以用这种方法来表示 由于核电系统的复杂性 对于一个故障 现象可能是由不同的故障引起 这样就导致知 识的不确定性对于这样的情况用上述的知识表 示方法将难以描述因此对于不确定性信息 引入确定性因子 1 确定性因子 kC F( c e r t a i n f a c t o r ) 是信任与不 信任二者之差 )F(H,)E(H,)G,H( MDMBCF kkk= ( 1 ) 其中H为假设结论E为证据kC F为由证据 E 得到假设 F 的确定性因子kM B为由证据 E 得到假 设 H 的信任增加测度kM D为由证据 E 得到假设 H 的不信任增加测度确定性因子是把信任和不信 任组合成单个数字的一种方式 用概率来定义信任与不信任的测度为 )H(0 , 1max )H()H(),EH(max 1)H( 1 )E,H( MB = = 否则 如果 P PPP P k ( 2 ) = = 否则 如果 )H(0 , 1min )H()H(),EH(min 0)H( 1 )E,H( MD P PPP P k ( 3 ) 式中m a x 1 , 0 总取 1 m i n 1 , 0 总取 0 这样表 示是为了体现 kM B和 kM D间的一种形式对称性kM B 和 kM D公式之间的不同之处只是把m a x 替换为 m i n , 反之亦然 kC F是指基于某些证据的假设的纯信度确定 性因子定义在区间1)E,H(1 CF k上其中0 表示没有证据 下面以一个例子说明不确定性知识的表示 根据专家的经验及理论知识对于凝汽器满水故 障的规则可表示为 i f 凝汽器水位超出正常值 t h e n 凝汽器满 水( 0 . 6 ) i f 循环冷却水温升低于正常值 t h e n 凝汽器满水( 0 . 2 ) i f 真空度大大低于正常值 t h e n 凝 汽器满水( 0 . 2 ) i f抽气口抽出的空气与循环冷却水进 口温度之差超出正常值 t h e n 凝汽器满水 ( 0 . 2 ) i f 凝结水泵电流超出正常值 t h e n 凝汽器满水( 0 . 2 ) 括号中的数字表示确定性因子 k C F当 存在该证据时得到凝汽器满水故障的确定 性因子为 k C F而当该证据不存在时得到 凝汽器满水故障的确定性因子为k C F 4 推理机的设计 对于确定性知识采用命题逻辑的推理机制 命题逻辑是推理机经常用的一种推理机理命题 逻辑提供了一种描述辩论的方法它的通用模式 是 陈志辉等核电系统故障诊断专家系统研究 5 2 5 p q p q 这里 p 和 q 是表示任意语句的逻辑变量假言推 理十分重要因为它是基于规则的专家系统的基 础 复合逻辑 p q 对应于规则 而 p 对应于匹配 规则前件的模式对于简单的规则知识就可以通 过简单的匹配来诊断出结果 对于不确定性知识采用下面的规则对于规 则前件为组合证据的确定性的基本表达式规则 1 如表 1 所示而对于两个规则具有相同的规则后 件的组合规则的确定性因子可通过如下定义的确 定性因子的组合函数( C o m b i n i n g f u n c t i o n ) 来计 算 + + + =+ 0),1 ( ; 0, ),min(1 0),1 ( )( 2 CF 1 CF 1 CF 2 CF 1 CF 2 CF 1 CF 2 CF 1 CF 2 CF 1 CF 2 CF 1 CF 1 CF 2 CF 1 CF CF2 1 CF COMBINE CF 都小于和 都大于和 kkkkk kk kk kk kkkkk kkk ( 4 ) 在诊断的过程中通过规则表中选出 与故障现象相匹配的全体故障类然后针 对故障所对应的故障现象逐一计算其 k C F 的组合函数最后根据组合函数诊断出故 障根据该方法对上述的凝汽器满水故障 ( 规则表示已在上一节中描述) 进行了诊 断用该方法计算得到凝汽器满水故障 的不确定度为 0 . 8 5 6 6 4凝汽器冷却水管破 裂的不确定度为- 0 . 6 7 6 0 0 0 1 凝结水泵工 作不正常不确定度为- 0 . 7 2 2 2 8 5 7 其结果 说明该方法可以很好的诊断出故障 5 基于 R o u g h 集理论的知识获取 5 . 1 R o u g h 集理论及知识获取 粗糙集理论 2 ( R o u g h S e t ) 是波兰数学 家Z . P a w l a k在1 9 82 年提出的一种分析数据 的数学理论是一种处理不确定不完整 数据不精确问题的新型数学工具与其 他人工智能方法相比粗糙集理论有着它自身 不可替代的优点如粗糙集理论不需要任 何对数据的先验知识而统计理论则需要 知道数据先验概率模糊集理论则需要知 道隶属度等这样粗糙集理论可以客观地 从数据中获取知识而且对于用粗糙集理 论抽取出的知识可以用规则的形式表示 由于 R o u g h集理论的这些特点可以与专 家系统的知识库相连接增强专家系统的 自学习自适应能力目前R o u g h 集理论 被广泛应用于人工智能知识发现与数据 挖掘模式识别与分类智能控制故障 检测等 基于R o u g h 集理论的知识获取过程如图 2 所示 在用粗糙集理论进行处理时 首先要面对 的就是数据库通常数据库中某些记录可能存在 空值噪音现象某些属性的属性值也可能是连 续的对于这些情况必须要先进行预先的处理得 到原始决策表 对原始决策表的约简在保持决策属性和条 件属性之间依赖关系不发生变换的前提下对决 策表进行约简包括属性约简和属性值约简最 后根据约简得到规则表 图 2 R o u g h 集理论知识获取过程 F i g . 2 P r o c e s s o f K n o w l e d g e A c q u i s i t i o n B a s e d o n R o u g h S e t 5 . 2 基于可辨识矩阵的算法描述 在基于粗糙集的数据挖掘中约简是核心技 术在传统的约简中属性约简和属性值约简是 分开进行的而且对属性值约简始终是按照 求等价类的方法来实现的新提出的属性 约简方法有许多其中可辩识矩阵是一种 有许多优点的方法文献 3 提出了根据可 辩识矩阵的深层次含义分析了它与属性 值约简的关系并利用可辩识矩阵实现属 性值约简使属性约简和属性值约简得以 一致计算使知识推理过程变得统一且相 对简单该算法具有如下的特点 ( 1 ) 实现了属性约简和属性值约简的一体化 ( 2 ) 突出了属性值约简对数据约简的重要性 ( 3 ) 用可辩识矩阵同时实现了属性和属性值 表 1 组合前件证据的确定性的基本表达规则 T a b l e 1 R u l e f o r C o m b i ni n g A n t e c e d e n t E v i d e n c e o f E l e m e n t a r y E x p r e s s i o n 证据E 前件确定性 E1 A N D E2 m i n kC F( H , E1) kC F( H , E2) E1 O R E2 m a x kC F( H , E1) kC F( H , E2) N O T E - kC F( H , E ) 核 动 力 工 程 V o l . 2 6 . N o . 5 . 2 0 0 5 5 2 6 的约简 ( 4 ) 属性值的约简针对所有对象同时进行 真 正考虑到了整个决策类对属性值约简的意义 可辨识矩阵 4 由彼 H华沙大学数学家 A . S k o w r o n 于 1 9 9 1 年提出 定义令决策表系统为 ,fVRUS = DPR=是属性集合 子集miaP i , 1 =和 dD =分别称为条件属性集和决策属性集 n xxxU =, 21 是论域ai ( xj) 是样本 xj在属性 ai上的取值CD( i , j ) 表示可辨识矩阵中第 i 行 j 列的元素则可辨识矩阵CD定义为 = = )()( , 0 )()(),()(| ), ji jikkkk D xdxd xdxdjaiaPaa jiC ( 5 ) 式中, i , j = 1 , , n 可辨识矩阵的定义可以等 价地表示为C= aCij其中 当不考虑Ca 中的属性时对象 i 和对象 j 成为不可分辨的 当C= ij C对象 i 和对象 j 的所有的条件属性值 都不相同所以从属性值的角度看对可辨识 矩阵中的任意项 Ci j的内容 由于表示对应属性的 属性值的不同区分了对象 i和对象 j 如果消 除 Ci j的内容 也可以看作如果不考虑这些属性的 属性值对象 i 和对象 j 将无法区分所以可 以根据这些性质 按可辨识矩阵中的属性对 各决策类进行分类而可辨识矩阵中有些 属性是不必要的因此根据在可辨识矩阵 中属性出现的次数作为属性重要性的测度 3 逐一考虑各属性直至可以将该条决策 与其它决策进行区分由于属性的重要性 是基于决策表的全体而没有考虑在决策 类内属性的重要性这样可能使同决策类 得到决策规则不一致尤其是决策类内具 有相同属性值的条件属性是应该包含在内 的笔者改进了原算法在测度属性重要 性时先考虑在决策类内具有相同条件属性 值的条件属性然后在依据上面提到的属 性重要性的测度来进行分析 5 . 3 在核电系统故障诊断中的应用 针对核电系统的特征笔者选择了 5 个 典型的故障燃料元件包壳破裂波动管 破裂主蒸汽管道破裂1 号 U 型管破裂 2号 U型管破裂并针对这些故障选择了 2 3个故障特征进行了检测根据经验从数 据表中选择故障的各种样本并根据正常 状态与故障状态的比较得出各参量的上下 界限值将各特征变量转换为 1 ( 超出正常 值) 0 ( 正常值)1 ( 低于正常值) 从而 完成数据的预处理得到数据的决策表矩 阵经过处理得到 6 3 组训练样本用改进 的算法进行了约简得到规则表( 表 2 )规 则表中只用 8 个参数 7 条规则即可将 6 种状态进 行识别达到了减少检测参量的目的并且 使诊断规则减少提高了状态的检测及故 障诊断的实时性用得到的规则对这 6种 状态进行了在线的检测得到了正确的结 果 6 结 论 本文描述了核电系统故障诊断专家系统对 确定性及不确定性知识进行了表示根据知识表 示形式的不同分别采用了不同的推理形 式 同时为了解决专家系统知识获取的 瓶 颈问题将 R o u g h集理论引入核电系统 诊断领域根据所做的工作得出以下结论 ( 1 ) 系统具有很强的实时性由于核电 系统的特性决定对实时性的要求很高该 系统可以实现实时监测核电系统的参数 并能及时给出诊断结果及维修信息 ( 2 ) 可维护性强根据诊断的结果该系统 可以对知识库故障库进行修改 ( 3 ) 利用 R o u g h集理论进行规则提取不基于 人的主观因素完全依赖于训练的数据因而得 到的规则具有客观性 ( 4 ) 采用的基于可辨识矩阵的约简算法 可将 属性及属性值约简统一进行简化了程序 表 2 规则表 T a b l e 2 L i s t o f R u l e s i f t h e n 总辐射剂量 a n d 稳压器水位( 0 ) 正常 总辐射剂量( 1 ) o r 总辐射剂量( - 1 ) 包壳破裂 稳压器水位( - 1 ) a n d 1 号主蒸汽流量( 0 ) a n d 2 号主蒸汽流量( 0 ) 波动管破裂 稳压器水位( - 1 ) a n d 1 号主蒸汽流量( 1 ) a n d 2 号主蒸汽流量( 0 ) a n d 核功率 N m a x ( 0 ) 波动管破裂 1 号主蒸汽压力( - 1 ) 主蒸汽管道破裂 f s x - 1 ( 1 ) 1 号 U 型管破裂 f s x - 2 ( 1 ) 2 号 U 型管破裂 陈志辉等核电系统故障诊断专家系统研究 5 2 7 参考文献 1 J o s e p h G i a r r a t a n o , G a ry R i e l y . 专家系统原理与编程 M . 刘星成, 汤庸译. 北京: 机械工业出版社, 2 0 0 0 . 2 P a w l a k Z , R o u g h s e t s T h e o r e t i c a l A s p e c t s o f R e a s o n - i n g a b o u t D a t a M . N o w o w i e j s k a 1 5 / 1 9 , W a r s a w , P o - l a n d , 1 9 9 0 . 3 张 振 琳. 基于粗糙集理论的数据挖掘算法的研究 D . 大连大连铁道学院硕士学位论文2 0 0 3 . 4 王国胤. R o u g h 集理论与知识获取 M . 西安西安交 通大学出版社2 0 0 1 . 5 李玉东编. V i s u a l B a s i c 6 . 0 / n e t控件大全 M . 北京 电 子工业出版社2 0 0 2 . S t u d y o f E x p e r t S y s t e m o f F a u l t D i a g n o s i s f o r N u c l e a r P o w e r P l a n t C H E N Z h i - h u i X I A H o n g L I U M i a o S c h o o l o f P o w e r a n d N u c l e a r E n e r g y E n g i n e e r i n g H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y 1 5 0 0 0 1 C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n t h e f a u l t f e a t u r e s o f N u c l e a r P o w e r P l a n t , t h e E S ( e x p e r t s y s t e m ) o f f a u l t d i a g n o s i s h a s b e e n p r o g r a m m e d . T h e k n o w l e d g e i n t h e E S a d o p t s t h e p r o d u c t i o n s y s t e m s , w h i c h c a n e x p r e s s t h e c e r t a i n a n d u n c e r t a i n k n o w l e d g e . F o r c e r t a i n k n o w l e d g e , t h e s i m p l e r e a s o n i n g m e c h a n i s m o f p r e p o s i t i o n a l l o g i c i s a d o p t e d . F o r t h e u n c e r t a i n k n o w l e d g e , C F ( c e r t a i n f a c t o r ) i s u s e d t o e x p r e s s t h e u n c e r t a i n , t h u s t o s e t u p t h e r e a s o n i n g m e c h a n i s m . I n o r d e r t o s o l v e t h e b o t t l e n e c k p r o b l e m f o r k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n , r o u g h s e t t h e o r y i s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e f a u l t d i a g n o s e s y s t e m a n d t h e r e d u c t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n t h e d i s c e r n i b i l i t y m a t r i x i s i m p r o v e d . I n t h e i m p r o v e d a l g o r i t h m , t h e m e a s u r e o f a t t r i b u t e i m p o r t a n c e f i r s t c a l c u l a t e t h e a t t r i b u t e w h i c h h a v e t h e s a m e v a l u e i n t h e s a m e d e c i s i o n - s o r t , t h e n c a l c u l a t e t h e d e g r e e s o f a t t r i b u t e i n t h e d i s c e r n i b i l i t y m a t r i x . S e v e r a l d i f f e r e n t f a u l t s h a v e b e e n d i a g n o s e d o n s o m e e m u l a t o r w i t h t h i s e x p e r t s y s t e m . K e y w o r d s N u c l e a r p o w e r p l a n t F a u l t d i a g n o s i s E x p e r t s y s t e m R o u g h s e t t h e o r y C e r t a i n f a c t o r 作者简介 陈志辉( 1 9 7 9 ) 男博士研究生2 0 0 5年毕业于哈尔滨工程大学核能科学与工程专业获工学硕士学位现在中 国核动力研究设计院从事核动力一回路系统及流体系统等方面的研究 夏 虹( 1 9 6 2 ) 女教授博士生导师2 0 0 0年毕业于哈尔滨工程大学轮机工程专业获工学博士学位现在哈 尔滨工程大学动力与核能工程学院从事核电系统控制与测试设备故障诊断等方面的教学与科研工作 刘 邈( 1 9 7 8 ) 男2 0 0 5年毕业于哈尔滨工程大学核能科学与工程专业获工学硕士学位现从事核电系统故障 诊断方面的研究 ( 责任编辑张明军) ( 上接第 5 2 2 页) I E E E - 3 0 8 ( 8 0 ) s t a n d a r d , i n c l u d i n g 1 E a n d N o n 1 E c l a s s i f i c a t i o n . T h e s a f e t y c l a s s i f i c a t i o n o f t h e i n s t r u m e n t a t i o n a n d c o n t r o l e q u i p m e n t r e f e r s t o G B / T 1 5 4 7 4 - 1 9 9 5 s t a n d a r d , i n c l u d i n g s a f e t y 1 E , s a f e t y - r e l a t e d S R a n d N C n o n - s a f e t y c l a s s i f i c a t i o n . T h e s a f e t y c l a s s i f i c a t i o n o f T i a n w a n N u c l e a r P o w e r P l a n t h a s t o b e a p p r o v e d b y N N S A a n d s a t i s f y C h i n e s e N u c l e a r S a f e t y G u i d e l i n e s . K e y w o r d s T i a n w a n N u c l e a r p o w e r p l a n t S a f e t y c l a s s i f i c a t i o n T e m s 作者简介 孙永滨( 1 9 7 0 ) 男高级工程师1 9 9 2年毕业于太原工业大学生产过程自动化专业现从事核电站数字化仪控系 统全尺寸模拟机电站标识系统等工作 ( 责任编辑刘胜吾) 核电系统故障诊断专家系统研究核电系统故障诊断专家系统研究 作者：陈志辉， 夏虹， 刘邈， CHEN Zhi-hui， XIA Hong， LIU Miao 作者单位：哈尔滨工程大学动力与核能工程学院,150001 刊名： 核动力工程 英文刊名：NUCLEAR POWER ENGINEERING 年，卷(期)：2