CN106779402A - 核电厂应急状态判断专家系统及方法 - Google Patents

核电厂应急状态判断专家系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核电厂应急状态判断专家系统及方法，专家系统包括实时监测数据模块，实时监测数据模块连接核电厂工业数据网和在线环境辐射监测系统，实时读取核电厂机组的运行参数、环境辐射监测数据；人工增补信息模块，用于选择应急行动水平或输入应急行动水平事件；数据库系统，用于储存实时监测数据、人工增补信息数据和历史应急状态判断数据；人机界面，人机界面连接数据库系统；以及连接人机界面的知识库系统。相对于现有技术，本发明以专家知识和经验为基础，结合核电厂制定的应急计划IC&EAL矩阵表进行应急状态判断的知识构建和推理依据，实现了核电厂应急状态判断专家系统，为应急决策提供可靠的支持。

Description

核电厂应急状态判断专家系统及方法
技术领域
本发明属于人工智能领域，更具体地说，本发明涉及一种核电厂应急状态判断专家系统及方法。
背景技术
人工智能是计算机科学的一个分支，是一门研究机器智能的学科。从20世纪60年代开始，专家系统就作为一种研究工具而被开发，作为人工智能的一个特定部分。CLIPS(CLanguage Integrated Production System，C语言集成产生式系统)是一个通用的专家系统工具，最早用于美国航空航天控制领域，具有很高的可靠性，目前已扩展到医疗、电力、机械制造等行业。国外对于CLIPS已经应用到核电站运行管理，相对而言，国内对于CLIPS的研究运用起步较晚，尤其在核电运行支持专家系统方面仍然处于可行性、开发分析阶段。
另一方面，核电厂尽管从设计到运行已经采取了多重冗余安全设计、纵深防御原则，具有多道安全屏障、制定了严格的运行规范体系，并且受到核安全监督部门的严格监管，但从历史经验看，不可能完全避免核事故的发生，因此要做好核事故的应急准备和响应。为了有效地实施事故应急响应，必须评估每一种应急状态并进行分级，以便确定应急响应行动的范围和程度。不同等级的应急状态要求不同程度的响应。
我国规定核电厂应急状态分为应急待命、厂房应急、场区应急和场外应急四个等级。为了迅速且恰当地确定应急状态等级，需要在分级技术准则的原则指导下，结合电厂设计和电厂厂址条件，进一步确定用于决定应急状态等级的应急初始条件(IC，Initiatingcondition)和应急行动水平(EAL，Emergency Action Levels)。IC是指预先确定的由于核电厂发生或可能发生辐射应急情况而应进入某一级应急状态的电厂条件称之为应急初始条件。它可以是超出技术规范书限值得现象，如过高的一回路温度；也可以是某个事件，如火灾；也可以是包容放射性屏障的失效，如一回路破口。EAL是指对应于某个应急初始条件的预先确定的并可观察或测得某个核电厂特有的阈值或判据。它可以是仪表的读数、某个设备的状态、场内外可以测量的参数、个别可确认的事件、分析的结果、应急运行程序的启用和其他应进入应急状态的情况。目前，我国各电厂均以IC&EAL矩阵表的形式给出应急状态分级实例。在启动应急时，应急人员基于电厂的IC&EAL矩阵表，快速对当前应急状态等级进行人工判断，国内有些电厂或者研究单位将该手动判断过程计算机化，开发了应急状态辅助判断系统，但只是作为辅助判断，还需要专家进行人工确认，没有充分利用专家知识。
现有的基于应急行动水平的核电厂应急状态辅助判断系统如图1所示。该系统包括EAL模型，其根据核电厂特定设备、仪器或系统系统状态变化以及特定时间的严重程度预先建立的数据模型；实时数据采集模块，其与核电厂数字化控制系统、核电厂环境监测系统相连接用于采集相应的实时数据；人工数据采集模块，其用于通过数据输入界面由用户直接输入核电厂特定设备或系统的状态变化或特定事件等数据；EAL实时数据库，其用于存储所述的实时数据采集模块以及人工数据采集模块输出的数据；逻辑控制模块，其与所述的EAL模型以及EAL实时数据库进行数据交互，所述的逻辑控制模块用于从所述的EAL实时数据库中获取所有EAL涉及的参数并同步入所述的EAL模型中，并判断各个参数是否满足触发EAL条件以完成判断；可视化用户界面，其与所述的逻辑控制模块相控制连接，所述的逻辑控制模块的判断结果通过所述的可视化用于界面进行显示。优化地，所述的核电厂应急状态辅助判断系统采用富客户端技术的B/S架构。优化地，所述的实时数据采集模块、EAL实时数据库和人工数据采集模分布于服务器端，所述的逻辑控制模块、可视化用户界面依托于客户端。
现有的基于应急行动水平的核电厂应急状态辅助判断方法，包括如下步骤:
(1)自动获取核电厂所有EAL参数步骤，所述的所有EAL参数包括实时数据和人工数据，所述的实时数据来源于核电厂数字化控制系统(DCS)、核电厂环境监测系统等的实时数据，所述的人工数据来源于通过人工输入的特定设备或系统的状态变化或特定事件的数据，所述的实时数据及人工数据分别存储在EAL实时数据库中；
(2)EAL逻辑判断步骤，所述的逻辑控制模块实时监控EAL相关参数的变化情况，按一定频率从所述EAL实时数据库中获取所有EAL参数的数据并同步入EAL模型中，所述的逻辑控制模块判断各个参数是否满足触发EAL的条件，如果满足则由触发器完成其触发并进入逻辑判断过程从而逐级完成判断并导出最终判断结果；
(3)应急状态建议及发布步骤，所述的EAL逻辑判断结构通过所述的可视化用户界面同步显示，并将最终的应急状态对外发布。
所述的可视化用户界面还展现EAL参数监控、逻辑判断流程、逻辑判断结果、建议应急状态等信息，并及时给出参数阈值条件触发及应急状态变化时的提示信息。
然而，现有的基于应急行动水平的核电厂应急状态辅助判断系统及其方法，存在以下问题：
(1)仅依靠事先制定的EAL进行应急状态辅助判断，对于不同起因的多个同级事件的判断，仍然需要经运行值长和应急指挥决策，该辅助判断系统并不能充分运用该领域专家的知识和经验，没有模仿人类专家在应急时刻对应急状态判断的思维过程；
(2)EAL中涉及的人工数据采集种类较繁杂，如果一一输入，势必影响系统执行效率；
(3)直接利用高级语言对EAL进行编程进行逻辑判断不利于系统的扩展。
有鉴于此，确有必要提供一种核电厂应急状态判断专家系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种核电厂应急状态判断专家系统及方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电厂应急状态判断专家系统，其包括：
实时监测数据模块，所述实时监测数据模块连接核电厂工业数据网和在线环境辐射监测系统，实时读取核电厂机组的运行参数、环境辐射监测数据；
人工增补信息模块，用于选择应急行动水平或输入应急行动水平事件；
数据库系统，用于储存实时监测数据、人工增补信息数据和历史应急状态判断数据；
人机界面，所述人机界面连接所述数据库系统；和
连接所述人机界面的知识库系统；其中
所述知识库系统包括知识库和推理机，所述知识库是基于核电厂的IC和EAL矩阵表以及运行专家和应急指挥人员的实践经验来进行应急等级判断的知识收集，然后建立故障树，利用故障树分析法和产生式表达法构建形成的；所述推理机依据当前的输入信息和知识库的知识进行匹配，运用特定的规则完成整个过程推理，最后导出结论并将所述结论显示在所述人机界面上。
作为本发明核电厂应急状态判断专家系统的一种改进，所述数据库系统采用的是SQL Server数据库。
作为本发明核电厂应急状态判断专家系统的一种改进，所述人工增补信息模块包括自动添加模块和手动添加模块，所述自动添加模块通过人机界面选择数据库系统中储存的应急行动水平；所述手动添加模块直接输入应急行动水平事件。
作为本发明核电厂应急状态判断专家系统的一种改进，所述知识库和推理机是由CLIPS构建的。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种核电厂应急状态判断方法，其包括以下步骤：
S1：实时读取核电厂机组的运行参数和环境辐射监测数据；
S2：通过搜索数据库系统自动选择应急行动水平或者手动添加未在数据库系统中储存的应急行动事件；
S3：对采集的运行参数和环境辐射监测数据进行分析处理，将发生的应急行动事件放入知识库系统的知识库中进行匹配，得到单个或多个应急状态事件表，然后运行推理机进行推理，最终给出应急状态等级发送到人机界面显示，如果推理机未能确定应急状态等级，则将可能的应急状态以及说明发送到人机界面供用户参考确认。
作为本发明核电厂应急状态判断方法的一种改进，步骤S2中所述数据库系统采用的是SQL Server数据库。
作为本发明核电厂应急状态判断方法的一种改进，步骤S2中所述自动选择应急行动水平包括步骤：通过人机界面选择数据库系统中储存的应急行动水平；所述手动添加未在数据库系统中储存的应急行动事件包括步骤：直接输入应急行动水平事件。
作为本发明核电厂应急状态判断方法的一种改进，步骤S3中所述知识库和推理机是由CLIPS构建的。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：实现了EAL逻辑流程的模型化，使得系统可以在无人干预的情况下依据数据直接给出应急状态的判断信息及相关建议，并且过程中的每个步骤都可查看详细信息并追述历史，保证了用户在使用时的准确性，为核电厂运行人员及应急指挥人员的正确判断和决策提供了有效的辅助手段。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式，对本发明核电厂应急状态判断专家系统及方法及其技术效果进行详细说明，其中：
图1是现有的基于应急行动水平的核电厂应急状态辅助判断系统结构图。
图2本发明核电厂应急状态判断专家系统结构示意图。
图3是本发明一个实施例的知识库创建流程图。
图4是本发明一个实施例的CLIPS与VC++交互过程示意图。
图5是本发明核电厂应急状态判断方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图2至图5所示，本发明核电厂应急状态判断专家系统包括人机界面、数据库系统、知识库系统，其中数据库系统连接实时监测数据模块和人工增补信息模块，知识库系统包括推理机和知识库。
所述实时监测数据模块连接核电厂工业数据网和在线环境辐射监测系统，实时读取核电厂机组的运行参数、环境辐射监测数据。
所述人工增补信息模块分为自动添加和手动添加两种模式，自动添加模式可以通过人机界面选择数据库中储存的应急行动水平，手动添加模式直接输入应急行动水平事件。IC&EAL矩阵表将应急行动水平按照识别类进行划分，主要分为四类：A类：辐射水平和放射性流出物异常类；F类：裂变产物屏障失效类；S类：电厂系统或设备或其安全功能丧失类；H类：影响电厂安全的灾害和意外事件类。自动添加模式通过人机界面选择相应的识别类型，然后检索到需要添加的应急行动水平事件，例如：发生S类中的丧失EM楼应急指挥部所有对外电话联络功能，影响对外联络事件。
数据库系统通常采用SQL Server数据库，储存经过数据采集和处理的知识库系统相关的实时监测数据和人工增补信息数据，同时储存历史应急状态判断数据；该系统通过界面与用户进行交互，用户可以手动修改数据，防止错误的数据进行判断。
所述知识库系统包括推理机和知识库，将核电厂运行领域内的实践经验和制定的应急计划以知识库的形式进行存储，推理机进行推理判断，将判断的结果经过人机界面显示出来。所述知识库是以某种存储结构存储专家知识，包括事实和可执行的操作与规则等。为了建立知识库，首先要解决知识的获取与知识表示问题。知识获取是指知识工程师如何从领域专家那里获得将要纳入知识库的知识。知识表示要解决的问题是如何使用计算机能够理解的形式来表示和存储知识。
所述推理机用来模拟运行专家的思维，依据当前的输入信息和知识库的知识进行匹配，运用特定的规则完成整个过程推理，最后导出结论。例如：发生多重事件，应急状态按最高级别确定。应当可以理解的是，所述特定的规则是专家根据核电厂运行领域内的实践经验和制定的应急计划能够推理出的应对策略。所述推理机从知识库中选择可匹配的规则，并通过执行规则来修改数据库中的内容，通过不断的推导导出问题的结论。系统和用户通过人机界面进行对话，用户通过人机界面输入必要的数据和获取推理结果及系统给出的合理解释。
所述知识库基于核电厂的IC&EAL矩阵表以及运行专家和应急指挥人员的实践经验来进行应急等级判断的知识收集，然后建立故障树，利用故障树分析法和产生式表达法构建形成知识库，知识库的创建流程如图3所示。故障树模型需要确定顶事件、底事件、重要度。顶事件为应急状态等级，底事件为具体的应急行动水平，例如压力壳水位下降至法兰面以下、SG水室湿度探测器发出湿度报警。将底事件通过定量和定性分析，然后确定其属于哪类应急初始条件，根据产生式表达法得出初步结论，最后根据重要度确定应急状态等级。产生式表达法为IF(事实)THEN(规则)模式，例如IF(在换料停堆模式下，反应堆厂房载有乏燃料的水池水位下降，但尚未导致乏燃料裸露)THEN(符合R类应急待命的初始条件2)。重要度为底事件得出初步结论的重要程度，例如可将其分为四个等级，一级、二级、三级、四级依次递增，最终应急状态参考重要度等级进行判断。
所述人机界面用于显示和交互包含人工增补信息、专家知识库管理、电站机组选择、各电厂相应机组的当前应急状态判断结果及相应提示信息等内容。
CLIPS对于知识库和推理机的构建非常方便，可是它缺乏开发人机友好界面的功能，并且不能连接外部数据源进行实时数据的采集。因此，本发明利用专家系统的开发工具CLIPS和VC++互补使用，用VC++开发人机交互界面、提取知识库的知识以及分析SQL Server数据库与外部设备(核电厂工业数据网和在线环境辐射监测系统)信息的互换，同时用VC++动态链接库DLL嵌入式技术实现知识库及推理机的人机界面对接。CLIPS与VC++交互过程如图4所示。
请参见图5所示，本发明核电厂应急状态判断方法，包括步骤
S1：实时读取核电厂机组的运行参数和环境辐射监测数据；
S2：通过搜索数据库系统自动选择应急行动水平或者手动添加未在数据库系统中储存的应急行动事件；
S3：对采集的运行参数和环境辐射监测数据进行分析处理，将发生的应急行动事件放入知识库系统的知识库中进行匹配，得到单个或多个应急状态事件表，然后运行推理机进行推理，最终给出应急状态等级发送到人机界面显示，如果推理机未能确定应急状态等级，则将可能的应急状态以及说明发送到人机界面供用户参考确认。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种核电厂应急状态判断专家系统，其特征在于，包括：
实时监测数据模块，所述实时监测数据模块连接核电厂工业数据网和在线环境辐射监测系统，实时读取核电厂机组的运行参数、环境辐射监测数据；
人工增补信息模块，用于选择应急行动水平或输入应急行动水平事件；
数据库系统，用于储存实时监测数据、人工增补信息数据和历史应急状态判断数据；
人机界面，所述人机界面连接所述数据库系统；以及
连接所述人机界面的知识库系统；
其中，所述知识库系统包括知识库和推理机，所述知识库是基于核电厂的IC和EAL矩阵表以及运行专家和应急指挥人员的实践经验来进行应急等级判断的知识收集，然后建立故障树，利用故障树分析法和产生式表达法构建形成的；所述推理机依据当前的输入信息和知识库的知识进行匹配，运用特定的规则完成整个过程推理，最后导出结论并将所述结论显示在所述人机界面上。
2.根据权利要求1所述的核电厂应急状态判断专家系统，其特征在于，所述数据库系统采用的是SQL Server数据库。
3.根据权利要求1或2所述的核电厂应急状态判断专家系统，其特征在于，所述人工增补信息模块包括自动添加模块和手动添加模块，所述自动添加模块通过人机界面选择数据库系统中储存的应急行动水平；所述手动添加模块直接输入应急行动水平事件。
4.根据权利要求1所述的核电厂应急状态判断专家系统，其特征在于，所述知识库和推理机是由CLIPS构建的。
5.一种核电厂应急状态判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：实时读取核电厂机组的运行参数和环境辐射监测数据；
S2：通过搜索数据库系统自动选择应急行动水平或者手动添加未在数据库系统中储存的应急行动事件；
S3：对采集的运行参数和环境辐射监测数据进行分析处理，将发生的应急行动事件放入知识库系统的知识库中进行匹配，得到单个或多个应急状态事件表，然后运行推理机进行推理，最终给出应急状态等级发送到人机界面显示，如果推理机未能确定应急状态等级，则将可能的应急状态以及说明发送到人机界面供用户参考确认。
6.根据权利要求5所述的核电厂应急状态判断方法，其特征在于，步骤S2中所述数据库系统采用的是SQL Server数据库。
7.根据权利要求5或6所述的核电厂应急状态判断方法，其特征在于，步骤S2中所述自动选择应急行动水平包括步骤：通过人机界面选择数据库系统中储存的应急行动水平；所述手动添加未在数据库系统中储存的应急行动事件包括步骤：直接输入应急行动水平事件。
8.根据权利要求5所述的核电厂应急状态判断方法，其特征在于，步骤S3中所述知识库和推理机是由CLIPS构建的。
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