CN107330590A - 一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法 - Google Patents
一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于核电站安全运行评价技术领域,尤其涉及一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法。针对我国核电的发展和安全运行现状,以实现对核电站安全运行状况进行全面系统的评价为目的,本发明提出一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法。该方法通过建立核电站安全运行状况指标体系,构建物元可拓模型以获得各指标在相关评价等级上的关联度,并将关联度与熵值法相结合,求得加权综合关联度,继而确定核电站安全运行状况评价等级。本发明在对核电站整体运行状况进行综合评价的同时,实现了对安全运行状况各指标的分类评价,在评价过程中以实测数据为基础,克服了模糊综合评价模型的主观性,评价结果更实际可靠。
Description
技术领域
本发明属于核电站安全运行评价技术领域,尤其涉及一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法。
背景技术
随着我国核电事业的迅速发展,核电安全成为核电产业发展的重要基础。我国在《核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标》中明确指出“为实现规划目标,推动核能与核技术利用的技术升级和进步,进一步消除安全隐患,提高核安全水平,计划实施安全改进、污染治理、科技创新、应急保障和监管能力建设等重点工程”,预计到2020年我国将拥有核电站13座,百万千瓦级核电机组58台,总装机容量4000万千瓦,年发电量将达到2600亿千瓦时,占全国总发电量的7.8%。核电站能否安全运行关系到我国核电项目的重启是否顺利,保证核电站良好的安全运行状态是我国大力复兴核电项目的前提和保障。目前核电站安全可靠性主要靠人为管理,其科学性和智能型不足,诸多学者对核电站安全运行评价进行研究,例如熊刚等学者提出开发基于平行系统(ACP)方法的“核电站可靠性规划和设计软件包”,以实现核电站安全可靠性设计。王芳等学者采用全局安全系统(GSI)针对事故发生率、安全系统性能和事故后果三个指标,并采用Matlab软件对AP1000和传统PWR进行安全性对比评价。然而建立全面系统的指标体系评价方法对核电站安全运行状况进行评价还尚未研究。
发明内容
针对上述问题,本发明以对核电站安全运行状况进行全面系统的评价为目的,提出了一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,包括以下步骤:
步骤一:构建物元可拓模型,具体方法如下所述:
1)建立核电站安全运行状况指标体系,并根据建立的指标体系以及相应的指标值确定待测物元、经典域和节域;
2)以物元理论和可拓集合为理论依据,根据确定的待测物元、经典域和节域建立待测物元矩阵R0、经典域物元矩阵Rj和节域物元矩阵Rp;
3)将确定的待测物元、经典域和节域通过关联函数转化求得关联度;
步骤二:基于熵值法确定指标权重;
步骤三:将各指标关联度与熵值法确定的指标权重相结合,得到加权关联度;
步骤四:根据最大关联度准则确定核电站安全运行状况等级并进行综合评价。
所述待测物元矩阵R0的计算公式如下:
式中,N为待评事物,Ci,i=1,2,…,n为第i个评价指标;vi,i=1,2,…,n为第i个评价指标Ci对应的取值。
所述经典域物元矩阵Rj的计算公式如下:
式中,Nj,j=1,2,…,m表示目标事物N的第j个评价等级;ci,i=1,2,…,n为目标事物N的第i个评价指标;(aji,bji)表示等级j中指标i的取值范围。
所述节域物元矩阵Rp的计算公式如下:
式中,Np表示事物的全体评价等级;ci,i=1,2,…,n为Np的第i个评价指标;(api,bpi)表示第i个评价指标在Np上所取的量值的取值范围。
所述关联函数为:
其中,
|Vji|=(bji-aji) (7)
式中ρ(vi,Vji)表示各指标量值vi到经典域区间Vji的距离,aji和bji分别为经典域区间Vji的两个端点;ρ(vi,Vpi)表示指标量值vi到节域区间Vpi的距离,api和bpi分别为节域区间Vpi的两个端点。
所述基于熵值法确定指标权重的方法包括:
步骤1)获得实测数据,并对实测数据进行标准化处理;
设指标i有k个指标值,其中,i=1,2,…,n,k=1,2,…,m,令:
式中,xik为实测指标值,为指标i各指标值的均值,Sk为标准差,xik *为标准化后指标i的指标值;
标准化后各指标所占的比重为:
式中,pik为标准化后各指标所占比重,为标准化后指标i的指标值;
步骤2)求取第i项指标的信息熵ei,即:
式中,pik为标准化后各指标所占比重,m为指标i的指标值个数;
根据ei求得各个指标的差异系数gi,即:
gi=1-ei (11)
式中,ei为第i项指标的信息熵;
步骤3)求得各指标权重,即:
式中,gi为第i项指标的差异系数。
所述加权关联度为:
式中,wi为指标权重,Kj(vi)为指标i在j等级上的关联度,Kj为评价目标的关联度。
所述确定核电站安全运行状况等级并进行综合评价的方法为:
根据最大关联度准则,Kj(vi)=maxKj(vi),j=1,2,…,m,认定指标ci的评价等级为j;其中,Kj(vi)为指标i在j等级上的关联度。
本发明的有益效果在于:
本发明在对核电站整体运行状况进行综合评价的同时,实现了对安全运行状况各指标的分类评价。在评价过程中以实测数据为基础,克服了模糊综合评价模型的主观性,评价结果更实际可靠。同时,本发明构建的物元可拓模型不仅能得到目标层和准则层指标的综合评价等级和评价结果,还能对指标层的多个指标进行分类评价,对各个指标进行改进以提高核电站整体安全运行状况。此外,采用熵值法确定指标权重。以历年指标实测量值为基础,克服了层次分析法中判断矩阵确定的随意性,得到的指标权值更科学准确。
附图说明
附图1为基于熵值法和物元可拓模型的核电站安全运行评价方法框图;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为基于熵值法和物元可拓模型的核电站安全运行评价方法框图,如图1所示,包括以下步骤:
步骤一:构建物元可拓模型,具体方法如下所述:
1)建立核电站安全运行状况指标体系,并根据建立的指标体系以及相应的指标值确定待测物元、经典域和节域;
2):以物元理论和可拓集合为理论依据,根据确定的待测物元、经典域和节域建立待测物元矩阵R0、经典域物元矩阵Rj和节域物元矩阵Rp;
3):将确定的待测物元、经典域和节域通过关联函数转化求得关联度;
步骤二:基于熵值法确定指标权重;
步骤三:将各指标关联度与熵值法确定的指标权重相结合,得到加权关联度;
步骤四:根据最大关联度准则确定核电站安全运行状况等级并进行综合评价。
进一步的,所述物元可拓模型是基于物元理论、可拓集合、关联函数及关联度,定量地对各个指标进行评价,系统地反映综合评价结果的一种方法。构建物元可拓模型是以物元理论和可拓集合为理论依据,以物元为基元描述矛盾问题,以物元变化为解决矛盾的手段,通过建立关联函数求得关联度以对事物质变和量变的过程进行描述。其中,物元是指描述事物的基元,包含事物、特征和特征值3个要素。可拓集合是指通过建立关联函数定量地描述论域中元素性质的程度及可变性的集合论。本发明中通过确定待测物元、经典域和节域,以建立待测物元矩阵R0、经典域物元矩阵Rj和节域物元矩阵Rp。其中,待测物元矩阵R0为:
式中,N为待评事物,Ci为第i个评价指标,其中,i=1,2,…,n;vi为第i个评价指标Ci对应的取值,其中,i=1,2,…,n;
经典域物元矩阵Rj为:
式中,Nj表示目标事物N的第j个评价等级,其中,j=1,2,…,m;ci为目标事物N的第i个评价指标,其中,i=1,2,…,n;(aji,bji)表示等级j中指标i的取值范围。
节域物元矩阵Rp为:
式中,Np表示事物的全体评价等级;ci为Np的第i个评价指标,其中,i=1,2,…,n;(api,bpi)表示第i个评价指标在Np上所取的量值的取值范围。
进一步的,所述关联函数是表示物元的量值取值为实轴上一点时,物元符合要求的范围程度。关联函数是事物量变的转化工具,能将定性的问题定量表示。其表达式为:
其中,
|Vji|=(bji-aji)|Vji|=(bji-aji) (7)
式中ρ(vi,Vji)表示各指标量值vi到经典域区间Vji的距离,aji和bji分别为经典域区间Vji的两个端点;ρ(vi,Vpi)表示指标量值vi到节域区间Vpi的距离,api和bpi分别为节域区间Vpi的两个端点;计算结果Kj(vi)即为关联度,根据最大关联度准则:
Kj(vi)=maxKj(vi),j=1,2,…,m
由此可认定指标ci的评价等级为j,继而实现对各个指标的评价分析。
进一步的,所述利用熵值法确定指标权重相比于利用层次分析法确定指标权重,其优点在于,熵值法在确定指标权重的过程中能够有效地避免其评价结果受主观影响而产生的偏差。而在信息论中,熵值越大,无序性越强,信息的有效性越小,指标权重也越小;相反,熵值越小,有序性越强,信息的有效性越大,指标权重也越大。因此,使用熵值法确定指标权重所得评价结果更科学有效。本发明利用熵值法确定指标权重的方法如下所述:
步骤1)获得实测数据,并对实测数据进行标准化处理;
设指标i(i=1,2,…,n)有k(k=1,2,…,m)个指标值,令
式中,xik为实测指标值,为指标i各指标值的均值,Sk为标准差,xik *为标准化后指标i的指标值;
标准化后各指标所占的比重为:
式中,pik为标准化后各指标所占比重,xik *为标准化后指标i的指标值;
步骤2)求取第i项指标的信息熵ei,即:
根据ei求得各个指标的差异系数gi,即:
gi=1-ei (11)
步骤3)求得各指标权重,即:
进一步的,所述加权关联度为:
式中,wi为指标权重,Kj(vi)为指标i在j等级上的关联度,Kj为评价目标的关联度。
实施例1
本发明以某发电机组为例构建核电安全运行指标体系,根据2006年实测数据对1号机组的安全运行状况进行评价分析。
(1)指标体系的构建
如表1所示的核电站安全运行指标体系,该指标体系包括目标层、准则层和指标层,其中,目标层为核电站安全运行状况,准则层指标有4个,即运行性能、职业照射、放射性排出流和运行事件,指标层包括机组能力因子、机组负荷因子、人均有效剂量、集体有效剂量、惰性气体排放量、卤素和气溶胶、氚、其余核素、0级运行事件、1级运行事件。
表1核电站安全运行指标体系
(2)确定经典域、节域和待评物元
根据表2所示的核电站1号机组2002~2006年运行状态指标值,确定经典域、节域和待评物元。
表2核电站1号机组2002~2006年运行状态指标值
对于指标ci={c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8,c9,c10},将每个指标从2002年到2006年的指标量值划分4个等级,即Nj={A,B,C,D}(A,B,C,D分别代表优、良、一般和差),并针对各个指标确定每个等级的经典域,其经典物元矩阵为:
每个指标的节域区间包含4个等级所有的指标量值,以此确定节域物元矩阵为:
以对2006年核电站1号机组的安全运行状况进行评价为例,取2006年各指标的实测数据以确定待评物元矩阵:
(3)确定指标关联度
经计算该核电站安全运行状态各等级关联度如表3所示。由表3可以看出,机组能力因子和机组负荷因子评价等级较低。机组能力因子为一定时期内可用发电量占同一时期内额定发电量的比例,机组负荷因子为一定时期内机组实际发电量占同一时期内额定发电量的比例。在2006年世界核电运营者协会(WANO)公布的性能中,压水堆核电机组能力因子中值为87.12%,先进值为91.19%,该核电站1号机组的能力因子为80.32%,与中值存在一定的差距,因此机组能力因子指标的评价结果为差。此外,人均有效剂量和氚排放量评价结果为一般,其余6个指标的评价均为良好以上。根据熵值法求得2006年核电站1号机组安全各运行指标的权重值如表4所示:
表3核电站安全运行状态各等级关联度
表4核电站1号机组安全运行指标权重值
表5为核电站1号机组安全运行状况加权关联度,如表5所示,将分类关联度与指标权重值结合可得到准则层指标的最大加权关联度和目标层的综合关联度。由表5可知,准则层指标中放射性排出流的排放未超过国家标准限值,评价结果很好;事件发生率很低,运行事件评价结果优秀。综合来看,该核电站1号机组最大综合加权关联度为-0.2153,等级为B,评价结果为良好。本发明采用物元可拓模型对核电站安全运行状态进行量化分析,最终得到所属评价等级,该评价方法对全国范围内其他核电站同样适用,针对不同核电站可对指标进行适当修正,建立具有待评核电站特色的安全运行指标体系,以保证评价结果的真实可靠性。
表5核电站1号机组安全运行状况加权关联度
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:构建物元可拓模型,具体方法如下所述:
1)建立核电站安全运行状况指标体系,并根据建立的指标体系以及相应的指标值确定待测物元、经典域和节域;
2)以物元理论和可拓集合为理论依据,根据确定的待测物元、经典域和节域建立待测物元矩阵R0、经典域物元矩阵Rj和节域物元矩阵Rp;
3)将确定的待测物元、经典域和节域通过关联函数转化求得关联度;
步骤二:基于熵值法确定指标权重;
步骤三:将各指标关联度与熵值法确定的指标权重相结合,得到加权关联度;
步骤四:根据最大关联度准则确定核电站安全运行状况等级并进行综合评价。
2.根据权利要求1所述一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,所述待测物元矩阵R0的计算公式如下:
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式中,N为待评事物,Ci,i=1,2,…,n为第i个评价指标;vi,i=1,2,…,n为第i个评价指标Ci对应的取值。
3.根据权利要求1所述一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,所述经典域物元矩阵Rj的计算公式如下:
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式中,Nj,j=1,2,…,m表示目标事物N的第j个评价等级;ci,i=1,2,…,n为目标事物N的第i个评价指标;(aji,bji)表示等级j中指标i的取值范围。
4.根据权利要求1所述一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,所述节域物元矩阵Rp的计算公式如下:
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</mrow>
</mrow>
式中,Np表示事物的全体评价等级;ci,i=1,2,…,n为Np的第i个评价指标;(api,bpi)表示第i个评价指标在Np上所取的量值的取值范围。
5.根据权利要求1所述一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,所述关联函数为:
<mrow>
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|Vji|=(bji-aji) (7)
式中ρ(vi,Vji)表示各指标量值vi到经典域区间Vji的距离,aji和bji分别为经典域区间Vji的两个端点;ρ(vi,Vpi)表示指标量值vi到节域区间Vpi的距离,api和bpi分别为节域区间Vpi的两个端点。
6.根据权利要求1所述一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,所述基于熵值法确定指标权重的方法包括:
步骤1)获得实测数据,并对实测数据进行标准化处理;
设指标i有k个指标值,其中,i=1,2,…,n,k=1,2,…,m,令:
<mrow>
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</mrow>
式中,xik为实测指标值,为指标i各指标值的均值,Sk为标准差,xik *为标准化后指标i的指标值;
标准化后各指标所占的比重为:
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>9</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,pik为标准化后各指标所占比重,xik *为标准化后指标i的指标值;
步骤2)求取第i项指标的信息熵ei,即:
<mrow>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,pik为标准化后各指标所占比重,m为指标i的指标值个数;
根据ei求得各个指标的差异系数gi,即:
gi=1-ei (11)
式中,ei为第i项指标的信息熵;
步骤3)求得各指标权重,即:
<mrow>
<msub>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>12</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,gi为第i项指标的差异系数。
7.根据权利要求1所述一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,所述加权关联度为:
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>13</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,wi为指标权重,Kj(vi)为指标i在j等级上的关联度,Kj为评价目标的关联度。
8.根据权利要求1所述一种基于熵值法和物元可拓法的核电站安全运行评价方法,其特征在于,所述确定核电站安全运行状况等级并进行综合评价的方法为:
根据最大关联度准则,Kj(vi)=maxKj(vi),j=1,2,…,m,认定指标ci的评价等级为j;其中,Kj(vi)为指标i在j等级上的关联度。
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