CN103093840A - 反应堆松动件报警方法 - Google Patents

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CN103093840A CN2013100294208A CN201310029420A CN103093840A CN 103093840 A CN103093840 A CN 103093840A CN 2013100294208 A CN2013100294208 A CN 2013100294208A CN 201310029420 A CN201310029420 A CN 201310029420A CN 103093840 A CN103093840 A CN 103093840A
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方力先
季田田
曾复
张卫
万鹏飞
谢永诚
王赤虎
张海丰
邓晶晶
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Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
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Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种反应堆松动件报警方法。本发明包括如下步骤：(1)在核反应堆压力容器顶、压力容器底、蒸发器、主泵分别安装多个加速度传感器；加速度传感器获取各背景噪声信号后，经电荷放大器放大，然后送入数据采集卡；(2)用不同质量的钢球在各种高度跌落撞击钢板所产生的冲击信号来模拟核反应堆中松动件跌落时产生的冲击信号
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；(3)将背景噪声信号
Figure 516726DEST_PATH_IMAGE002
和冲击信号
Figure 349553DEST_PATH_IMAGE004
以不同信噪比叠加成混合信号S3，模拟背景噪声下核反应堆上松动件跌落的冲击信号；(4)获取背景噪声信号
Figure 975706DEST_PATH_IMAGE002
、混合信号
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的关联维数，预设定关联维数的固定阈值，若超过固定阈值，则发出报警，否则不发出报警。本发明在各信噪比下，都具有极高的报警准确率，较低的误报率和漏报率。

Description

反应堆松动件报警方法
技术领域
本发明属于核工程技术领域，尤其涉及一种反应堆松动件报警方法，用于检测核电站反应堆松动件跌落时发出报警。 
背景技术
核电站松动件监测系统（Loose Parts Monitoring System，LPMS）是核电站故障探测的基本诊断工具之一，其目的是探测和定位可能存在于一回路中的金属块，保证核电站运行的安全性和可靠性。松动件报警是松动件监测系统重要组成部分。现有的松动件报警方法相关文献有： 
[1]B. Bechtold, U. Kunze, KUES’95-THE MODERN DIAGNOSTIC SYSTEM FOR LOOSE  PARTS MONITORING, Progress in Nuclear Energy, 1999,34(3) 221-230
[2]SZAPPANOS G, POR G. Basics ideas and realization of completely digitized loose part detection system HELPS[J]. Progress in Nuclear Energy ,1999,34(3):195-201.
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[4]方立先, 楼永坚. 小波变换在松动件检测系统报警中的应用研究[J]. 原子能科学技术,2004,28(5):432-435.
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[6]杨将新, 郑华文, 曹衍龙. 基于自适应AR模型的核电站松动件报警方法[J]. 原子能科学技术, 2010,44(6):701-705.
LPMS的报警功能是保证系统可靠性的前提，如果一个系统的误报和漏报率比较高，那么该系统就很难被信任。目前，现有的LPMS普遍存在误报、漏报率偏高的问题，因此有些核电站干脆选择了关闭LPMS来应对经常发生误报的问题。所以如何快速准确的监测到松动件并发出报警是LPMS的一大关键技术和难点。文献[1] 根据碰撞信号的能量较大提出用信号的短时均方根来检测碰撞信号进行报警。文献[2-3] 提出先用AR模型对信号进行白化，然后根据白化信号的幅值概率密度函数和对数概率比来对跌落零件进行报警，其基本出发点是信号的幅值概率密度函数会由于跌落零件冲击信号的出现在较大幅值段的概率明显增加。根据振动信号频谱比噪声宽的原理采用计算信号在高频段的谱熵来进行报警。文献[4] 提出先将信号进行小波去噪，然后计算信号的短时均方根来进行报警。文献[5]提出计算各个通道信号之间的相关程度以及信号高频能量和低频能量的比来判断真伪。文献[6] 利用自适应 AR 模型跟踪一回路中背景噪声的变化,先对信号进行白化处理,再计算白化后信号的短时均方根( RMS) , 设置 RMS 动态阈值实现报警。
但是现有的报警方法报警能力还不是特别理想，特别是在信噪比低的情况下，报警效果比较差，误报、漏报率比较高。 
发明内容
本发明的目的是为了克服现有报警技术中报警准确率不高，误报、漏报率高的问题，提出了一种反应堆松动件报警方法，本发明有效地提高了报警准确率，降低了误报、漏报率。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤： 
步骤(1)在核反应堆压力容器顶、压力容器底、蒸发器、主泵分别安装多个加速度传感器；加速度传感器获取各背景噪声信号 
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE002
后，经电荷放大器放大，然后送入数据采集卡。
步骤(2)用不同质量的钢球在各种高度跌落撞击钢板所产生的冲击信号来模拟核反应堆中松动件跌落时产生的冲击信号
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE004
。 
步骤(3)将背景噪声信号
Figure 945049DEST_PATH_IMAGE002
和冲击信号以不同信噪比叠加成混合信号S3，模拟背景噪声下核反应堆上松动件跌落的冲击信号。 
步骤(4)获取背景噪声信号
Figure 969823DEST_PATH_IMAGE002
、混合信号
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE006
的关联维数，预设定关联维数的固定阈值，若超过固定阈值，则发出报警，否则不发出报警。 
所述的步骤(3)中混合信号
Figure 551983DEST_PATH_IMAGE006
的信噪比是通过固定背景噪声信号
Figure 740257DEST_PATH_IMAGE002
和放大缩小冲击信号
Figure 625036DEST_PATH_IMAGE004
来实现的，即
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE010
为实数。 
所述的步骤(4)中，获取关联维数包括以下步骤： 
4-1．根据公式
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE012
   计算出关联积分，
其中：
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE014
表示关联积分，
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE016
表示Heaviside函数，
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE018
表示超球半径，
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE020
表示计算点数，
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE024
表示信号，当
Figure 581202DEST_PATH_IMAGE024
为背景噪声信号时，表示获取背景噪声信号的关联积分；当为混合信号
Figure 629295DEST_PATH_IMAGE006
，表示获取混合信号的关联积分；
4-2．根据公式:
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE026
计算出关联维数，
其中：
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE028
表示关联维数，
Figure 757526DEST_PATH_IMAGE014
表示关联积分，表示超球半径。
4-3．根据步骤4-1和4-2的公式，计算出背景噪声信号
Figure 80240DEST_PATH_IMAGE002
的关联维数
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE030
，固定阈值
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE032
的设置是通过计算各通道背景噪声信号
Figure 385451DEST_PATH_IMAGE002
的关联维数的平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE034
和阈值系数
Figure DEST_PATH_IMAGE036
来实现的，即
Figure DEST_PATH_IMAGE038
,一般
Figure 266557DEST_PATH_IMAGE036
取值1.2。 
4-4. 根据步骤4-1和4-2的公式，计算混合信号
Figure 89150DEST_PATH_IMAGE006
的关联维数
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，若关联维数超过固定阈值
Figure 447549DEST_PATH_IMAGE032
，则表明有松动件跌落，发出报警信号；否则，表明没有松动件跌落，不发出报警。 
本发明有益效果如下： 
本发明根据计算信号的关联维数是否超过预设的阈值来确定是否发出报警。根据分形理论，当松动事件发生时，信号结构的复杂度将发生变化，关联维数也将发生改变。即使再信噪比很低的条件下，冲击信号也通过关联维数的变化来反应原有信号的结构；因此本发明即使在低信噪比条件下，也具有良好的报警能力；且本发明在各信噪比下，都具有极高的报警准确率，较低的误报率和漏报率的特点。
附图说明  
图1为本发明的流程图；
图2为本发明背景噪声的关联维数图；
图3为本发明冲击信号的关联维数图；
图4为本发明信噪比为0db的关联维数图；
图5为本发明信噪比为10db的关联维数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 
如图1所示，反应堆松动件报警方法，包括如下步骤： 
步骤(1)在核反应堆压力容器顶、压力容器底、蒸发器、主泵分别安装多个加速度传感器；加速度传感器获取各背景噪声信号后，经电荷放大器放大，然后送入数据采集卡。
步骤(2)用不同质量的钢球在各种高度跌落撞击钢板所产生的冲击信号来模拟核反应堆中松动件跌落时产生的冲击信号
Figure 317601DEST_PATH_IMAGE004
。 
步骤(3)将背景噪声信号
Figure 815579DEST_PATH_IMAGE002
和冲击信号
Figure 665854DEST_PATH_IMAGE004
以不同信噪比叠加成混合信号S3，模拟背景噪声下核反应堆上松动件跌落的冲击信号。 
步骤(4)获取背景噪声信号
Figure 616493DEST_PATH_IMAGE002
、混合信号
Figure 295736DEST_PATH_IMAGE006
的关联维数，预设定关联维数的固定阈值，若超过固定阈值，则发出报警，否则不发出报警。 
所述的步骤(3)中混合信号
Figure 225383DEST_PATH_IMAGE006
的信噪比是通过固定背景噪声信号
Figure 167932DEST_PATH_IMAGE002
和放大缩小冲击信号
Figure 668183DEST_PATH_IMAGE004
来实现的，即
Figure 88800DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 108840DEST_PATH_IMAGE010
为实数。 
所述的步骤(4)中，获取关联维数包括以下步骤： 
4-1．根据公式
Figure 550186DEST_PATH_IMAGE012
   计算出关联积分，
其中：
Figure 475416DEST_PATH_IMAGE014
表示关联积分，
Figure 745729DEST_PATH_IMAGE016
表示Heaviside函数，
Figure 807226DEST_PATH_IMAGE018
表示超球半径，
Figure 153894DEST_PATH_IMAGE020
表示计算点数，；
Figure 673048DEST_PATH_IMAGE024
表示信号，当
Figure 651369DEST_PATH_IMAGE024
为背景噪声信号
Figure 418205DEST_PATH_IMAGE002
时，表示获取背景噪声信号的关联积分；当
Figure 318028DEST_PATH_IMAGE024
为混合信号
Figure 946455DEST_PATH_IMAGE006
，表示获取混合信号的关联积分；
4-2．根据公式:
Figure 795594DEST_PATH_IMAGE026
计算出关联维数，
其中：
Figure 156168DEST_PATH_IMAGE028
表示关联维数，
Figure 871183DEST_PATH_IMAGE014
表示关联积分，表示超球半径。
4-3．根据步骤4-1和4-2的公式，计算出背景噪声信号
Figure 171726DEST_PATH_IMAGE002
的关联维数
Figure 31098DEST_PATH_IMAGE030
，固定阈值
Figure 718562DEST_PATH_IMAGE032
的设置是通过计算各通道背景噪声信号
Figure 892055DEST_PATH_IMAGE002
的关联维数的平均值
Figure 699474DEST_PATH_IMAGE034
和阈值系数
Figure 667430DEST_PATH_IMAGE036
来实现的，即
Figure 340725DEST_PATH_IMAGE038
,一般取值1.2。 
4-4. 根据步骤4-1和4-2的公式，计算混合信号
Figure 979834DEST_PATH_IMAGE006
的关联维数
Figure 666161DEST_PATH_IMAGE040
，若关联维数
Figure 577486DEST_PATH_IMAGE040
超过固定阈值
Figure 873207DEST_PATH_IMAGE032
，则表明有松动件跌落，发出报警信号；否则，表明没有松动件跌落，不发出报警。 
本发明中反应堆是一个复杂的非线性系统，水流冲击引起的振荡是运行的主要特征，这个特性可以用非线性理论中的吸引子变化来描述，当系统的运行状态发生改变时，吸引子也会改变。对于振荡信号，吸引子的特点是周期的，也可能是奇异的。无论是周期的，还是奇异的，它的特点是在远离平衡态时，经过若干次分岔后，由于系统的自组织性，系统仍能回复到原来的状态，即自组织性。零件松动引起的冲击信号对于原有的吸引子起扰动作用，使得原有吸引子瞬间偏离轨迹。因此，只要检测出系统吸引子的变化，就能判别系统运行的状态。对于奇异吸引子来说，在相空间中表达有时是很困难的，但可以用分形来描述。分形描述的是几何形状的相似性，对于时间序列来说分形理论描述的是信号的复杂程度。当松动事件发生时，信号结构的复杂度将发生变化，分形维数也将发生改变，维数的改变可以看作是冲击信号对原有系统的干扰所引起的。由于系统具有自组织性，当冲击信号消失后，系统仍能回复原有的状态，即不改变系统长期运行趋势。因此可以根据维数的变化作为报警的重要依据。 
其中计算关联维数公式： 
Figure 858480DEST_PATH_IMAGE026
C(r)为关联积分，其计算公式：
 。
实施例
下面结合实施例对本发明做进一步说明，本发明的效果可以通过平板试验的实验结果分析说明： 
1、试验条件
本试验的试验平台由测试对象、传感器、电荷放大器、数据采集卡和计算机构成。测试对象包括：钢球、卧式锅炉和钢板及其支撑。钢板尺寸为200cm*150cm*2cm。为了尽量减少环境噪声的影响，在钢板的四个边沿下均加了缓冲隔离。缓冲隔离由钢板和橡胶板构成，钢板尺寸为20cm*20cm*1.2cm,橡胶板尺寸为20cm*20cm*2cm。钢球重量分别为4.1g、5g、10g、30g、55g、110g、185g。
2、信号采集 
信号采集包括两部分：冲击信号采集和背景噪声采集。
(1)冲击信号采集：采用三个传感器，传感器在钢板上呈三角形排列。冲击物为力锤和不同质量钢球。标定信号为力锤敲击每个网格中心点多次冲击信号。冲击信号为不同质量钢球，分别在高度10cm、15cm、20cm处敲击钢板不同点的冲击信号。 
(2) 背景信号采集：背景噪声采用秦山一期的背景噪声，通过与冲击信号叠加来模拟核电站松动件发生的信号。 
3、冲击试验结果及分析 
冲击信号与背景噪声分别按信噪比为-5dB、0dB、5bB、10dB进行叠加，用于试验结分析。信噪比定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
               
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示噪声幅值取绝对值后求平均，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示信号幅值取绝对值后求最大值。
实验结果对本发明提出的定位方法进行了验证。附图2为各个背景噪声的关联维数效果，附图3为冲击信号的关联维数效果，附图4为信噪比为0db的混合信号的关联维数效果，附图5为信噪比为10db的混合信号的关联维数效果。通过比较分析发现混合信号的关联维数和冲击信号的关联维数接近，而与背景噪声的关联维数有明显的区别，从而通过关联维数的变化可以来确定是否需要报警。 
仿真结果 
表1 背景信号关联维数
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE001
表2 同一冲击信号不同背景下的关联维数
Figure 828381DEST_PATH_IMAGE002
表3 各个钢球对应的关联维
Figure 2013100294208100002DEST_PATH_IMAGE003
从以上3个表中，可以得到如下结论：
（1）背景信号下的冲击信号在维数上基本反映了原有冲击信号的维数值。从理论上讲，作为随时间衰减的冲击信号，在时间刻度上吸引子最终是趋向于一个固定点，这个过程能将周围的运行轨迹全部吸引过来，即表现为冲击信号特征。
（2）由于稳定系统不受初始状态影响，而某一时段的维数反应的是系统偏离稳定点的程度。由于冲击信号内部结构基本相同，因此，不同质量的冲击信号在某一时段具有相近的维数。 
（3）电器干扰是LPMS产生误报警的主要原因，实验证明电器干扰产生的脉冲信号在关联维数上基本被平滑。 
在有噪声和脉冲干扰情况下对基于分形理论的报警方法进行了测试，在5db信噪比下，报警准确率为100%，在0db信噪比下，也有很高的报警准确率。 
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的举例，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。 

Claims (1)

1.反应堆松动件报警方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)在核反应堆压力容器顶、压力容器底、蒸发器、主泵分别安装多个加速度传感器；加速度传感器获取各背景噪声信号                                                后，经电荷放大器放大，然后送入数据采集卡；
步骤(2)用不同质量的钢球在各种高度跌落撞击钢板所产生的冲击信号来模拟核反应堆中松动件跌落时产生的冲击信号
Figure 436406DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤(3)将背景噪声信号
Figure 756529DEST_PATH_IMAGE001
和冲击信号
Figure 186373DEST_PATH_IMAGE002
以不同信噪比叠加成混合信号S3，模拟背景噪声下核反应堆上松动件跌落的冲击信号；
步骤(4)获取背景噪声信号
Figure 569661DEST_PATH_IMAGE001
、混合信号
Figure 2013100294208100001DEST_PATH_IMAGE003
的关联维数，预设定关联维数的固定阈值，若超过固定阈值，则发出报警，否则不发出报警；
所述的步骤(3)中混合信号
Figure 172681DEST_PATH_IMAGE003
的信噪比是通过固定背景噪声信号
Figure 363622DEST_PATH_IMAGE001
和放大缩小冲击信号
Figure 698788DEST_PATH_IMAGE002
来实现的，即
Figure 755606DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 2013100294208100001DEST_PATH_IMAGE005
为实数；
所述的步骤(4)中，获取关联维数包括以下步骤：
4-1．根据公式  计算出关联积分，
其中：
Figure 2013100294208100001DEST_PATH_IMAGE007
表示关联积分，
Figure 440720DEST_PATH_IMAGE008
表示Heaviside函数，表示超球半径，
Figure 25416DEST_PATH_IMAGE010
表示计算点数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 38372DEST_PATH_IMAGE012
表示信号，当
Figure 498041DEST_PATH_IMAGE012
为背景噪声信号时，表示获取背景噪声信号的关联积分；当为混合信号
Figure 840794DEST_PATH_IMAGE003
，表示获取混合信号的关联积分；
4-2．根据公式:计算出关联维数，
其中：
Figure 261411DEST_PATH_IMAGE014
表示关联维数，
Figure 61877DEST_PATH_IMAGE007
表示关联积分，
Figure 955753DEST_PATH_IMAGE009
表示超球半径；
4-3．根据步骤4-1和4-2的公式，计算出背景噪声信号
Figure 943300DEST_PATH_IMAGE001
的关联维数，固定阈值
Figure 246237DEST_PATH_IMAGE016
的设置是通过计算各通道背景噪声信号
Figure 370051DEST_PATH_IMAGE001
的关联维数的平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE017
和阈值系数
Figure 847211DEST_PATH_IMAGE018
来实现的，即
Figure DEST_PATH_IMAGE019
,一般
Figure 633640DEST_PATH_IMAGE018
取值1.2；
4-4. 根据步骤4-1和4-2的公式，计算混合信号
Figure 396059DEST_PATH_IMAGE003
的关联维数，若关联维数
Figure 95211DEST_PATH_IMAGE020
超过固定阈值
Figure 73662DEST_PATH_IMAGE016
，则表明有松动件跌落，发出报警信号；否则，表明没有松动件跌落，不发出报警。
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