CN116257218B - 一种统计分析软件与核能程序的接口设计方法及集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种统计分析软件与核能程序的接口设计方法及集成系统，通过统计分析软件对不确定性输入参数进行抽样得到抽样数据样本；将抽样后的参数样本值替换核能程序输入文件中指定的相应参数值生成的多组具有不同计算工况条件的核能专业程序，传输到核能程序进行自动化批量运行得到多组计算结果文件，读取其中的输出参数值，进行数据后处理；配置主窗口和子窗口类的界面属性和功能实现；对主界面和子界面各功能区域分布的设定，实现不同功能模块的构建；对配置好的界面属性及功能模块进行封装，建立不确定性量化分析集成系统。本发明提供的方法为开发自主化的不确定性分析计算平台提供技术支撑，同时也为核能系统分析程序的验证提供方法指导。

Description

一种统计分析软件与核能程序的接口设计方法及集成系统

技术领域

本发明属于核反应堆工程软件开发领域，更具体地，涉及一种统计分析软件与核能程序的接口设计方法及集成系统。

背景技术

“最佳估算+不确定分析”(BEPU)方法近年来已发展为一种重要的核安全分析方法。相对于传统的保守性分析方法，BEPU方法采用最佳估算程序进行更加准确的接近现实的计算，能够在保证安全的前提下带来更多的经济效益。而按照核安全法规要求，不确定性量化计算是最佳估算程序验证的必要环节。不确定性量化分析能够合理地衡量计算结果与真实情况之间的差距。目前，国际上发展出了多种不确定性分析的方法，并研发了多种具备不确定性分析功能的软件，如DAKOTA统计软件等。DAKOTA具备参数探索、模型校准、实验设计、最优化研究和不确定性量化等功能，其中不确定性量化功能可以为核反应堆专业的数值模拟软件验证中的抽样和敏感性分析提供高效可靠的技术手段，进一步挖掘反应堆设计裕量。

对于核工程领域的最佳估算程序(如RELAP5、TRACE、MELCOR等)，以下简称核能专业程序，其计算结果的不确定性量化分析，通常需要结合统计分析软件和核能专业程序，开展大量的抽样计算和复杂的数据传递，往往需要人为的繁杂操作和数据处理工作，并耗费大量的计算资源。因而十分有必要开展核能专业程序与统计分析软件之间的耦合接口设计，实现一体化高效的不确定性计算工作流，同时建立可视化的不确定性量化分析集成系统，便于用户通过简捷操作即可实现高效的不确定性量化和验证分析。从而为我国开发自主化的不确定性分析平台提供技术支撑，同时也能够为我国自主研发的核反应堆系统程序的验证提供方法指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种统计分析软件与核能程序的接口设计方法及集成系统，通过统计分析软件与核能专业程序的耦合接口设计实现一体化的不确定性计算工作流，包括抽样样本获取、接口前处理、程序批量化运行和接口后处理；同时，基于Qt框架将所搭建的接口设计工作流进行串联封装，建立可视化的不确定性量化分析集成系统，便于用户开展高效的不确定性量化计算和敏感性分析。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

第一方面，提供了一种统计分析软件与核能专业程序的接口设计方法，包括以下步骤：

S101：抽样样本获取：确定不确定性输入参数及其统计分布信息，利用统计分析软件进行抽样得到不确定性输入参数的抽样样本数据；

S102：接口前处理：利用抽样样本数据对核能专业程序输入卡中的相应参数进行抽样替换，生成多组具有不同计算工况条件的核能专业程序输入文件；

S103：程序批量化运行：将抽样替换后的多个输入卡文件传输到核能专业程序的可执行文件中进行自动化批量运行，得到多组计算结果文件；

S104：接口后处理：读取计算结果文件中的输出参数值，进行数据后处理，如进行敏感性系数的计算等。

进一步的，所述抽样样本获取具体为：根据所选取的不确定性输入参数及其分布和范围，在统计分析软件的输入文件中，输入所需的各种设置，例如抽样方法、抽样次数、抽样参数的名称、抽样参数上下限值、抽样所用驱动程序、抽样结果文件名等；利用统计分析软件所提供的外部接口，将输入文件导入软件进行抽样计算，得到抽样结果文件。

进一步的，所述接口前处理具体为：针对选定的不确定性输入参数，抽样结果文件将以表格的形式给出所有参数的抽样样本值；将抽样结果文件中的不确定性输入参数的抽样样本值与核能专业程序输入卡中对应参数的参数值进行替换；每个样本组合对应一个新的输入卡，从而得到多个具有不同计算工况条件的新输入卡。

进一步的，所述程序批量化运行具体为：通过编写批量化并行的命令行语句的方式，实现将每个输入卡文件传输到核能专业程序的可执行文件中进行自动化批量运行，进而计算得到多组计算结果。在计算之前，需要在命令行中对输入文件名称以及输出文件名称进行适当修改，以满足对不同输入卡文件运行结果文件之间的区分。此外，以用户自定义命令行的方式提供了对不同系统程序进行耦合的拓展功能。该步骤基于每个文件夹下的输入(.in)文件进行计算，并在对应文件夹目录下生成输出结果(.out)文件和重启(.rst)文件。

进一步的，所述接口后处理具体为：通过程序批量化传播计算得到输出结果之后，对计算结果数据进行统计后处理，以满足后续安全分析和程序验证的需求。通常需要对结果数据的后处理包括获取所关心参数的最大/最小值、计算方差和标准差，以及计算敏感性系数等。其中，通过计算敏感性系数的大小是开展敏感性分析的重要环节，可用于评估输入参数对输出参数的影响程度大小。

第二方面，提供了一种统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成系统，包括：

界面属性配置单元，用于对主窗口和子窗口类的界面属性进行配置，并实现主窗口和子窗口的相应功能。其中，主窗口类用于定义主界面的属性及功能实现，包括统计分析软件和核能专业程序输入文件的选择、各数据文件的管理、程序批量化运行得到输出计算结果等。子窗口类用于定义子界面的属性及功能实现，包括参数抽样信息的设定、核能程序输入卡中抽样参数的替换、输出响应参数的指定等。

功能模块构建单元，用于对主界面和子界面各功能区域分布的设定，实现不同功能模块的构建。对于主窗口界面，包括四个区域：区域一是核能专业程序输入卡显示区域，区域二是统计分析软件输入文件显示区域，区域三是自定义命令行输入区域，区域四是计算信息(错误信息)显示区域；对于子窗口一界面，包括抽样方法设置、抽样分布信息和抽样参数替换三个界面区域；对于子窗口二界面，显示区域主要实现所关注的输出响应参数的指定，并计算输出结果的最大值和最小值。

集成系统封装单元，用于建立主窗口类和子窗口类之间的交互关系，并建立界面属性及功能与所搭建的功能模块区域分布之间的联系；按照不确定性分析计算的一般流程步骤，对上述所配置好的界面属性以及功能模块进行封装，实现一体化高效计算的工作流，进而建立统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成系统。

第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够实现一体化的不确定性计算工作流，包括抽样样本获取、接口前处理、程序批量化运行和接口后处理，不需要人为手动繁杂操作，能够开展自动化批量运行，大大提高计算效率；

2、本发明建立的不确定性量化分析集成系统，具备抽样参数自定义、基准算例计算、多组不同工况的不确定性计算以及敏感性系数计算等功能，方便用户进行不同需求的计算；

3、本发明提供的集成系统界面简洁清晰，便于用户快速掌握和便捷操作；

4、本发明提供的接口设计方法和集成系统可适用于多种不同类型的核能专业程序与统计分析软件的耦合计算，具备良好的应用普适性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的整体流程图；

图2是本发明实施例中统计分析软件与核能专业程序接口设计的执行流程图；

图3是本发明实施例中不确定性量化分析集成系统建立的执行流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例1-2和附图1-3，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：一种统计分析软件与核能专业程序的接口设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：为了保证在不确定性分析计算中，方便用户在掌握现有信息(如不确定性参数的选取及其统计分布)的基础上得到抽样数据，在模型层中实现抽样样本获取。所述抽样样本获取包括在统计分析软件的输入文件中输入所需的各种设置，如抽样方法、抽样次数、抽样参数的名称、抽样参数上下限值、抽样所用驱动程序、抽样结果文件名等；将设置好的抽样输入文件导入统计分析软件，进而运行统计软件进行抽样计算，得到抽样结果文件。

S102：为了建立核能专业程序与统计分析软件之间的数据传递关系，结合核能专业程序输入卡的原始信息以及统计分析软件所获取的参数抽样样本，在模型层中实现接口前处理。所述接口前处理包括将抽样结果文件中的不确定性输入参数的抽样样本值与核能专业程序输入卡中对应参数的参数值进行替换；每个样本组合对应一个新的输入卡，从而生成多组具有不同计算工况条件的核能专业程序输入文件。

S103：为了同时开展多组核能专业程序输入文件的自动化计算，在模型层中实现程序批量化运行。所述程序批量化运行包括通过编写批量化并行的命令行语句的方式，实现将每个输入卡文件传输到核能专业程序可执行文件中进行自动化批量运行，进而计算得到多组计算结果。注意在计算之前，需要在命令行中对输入文件名称以及输出文件名称进行适当修改，以满足对不同输入卡文件运行结果文件之间的区分。此外，以用户自定义命令行的方式提供了对不同系统程序进行耦合的拓展功能。

S104：为了在通过程序批量化传播计算得到输出结果之后，对计算结果数据进行统计处理分析，在模型层中实现接口后处理。所述接口后处理包括读取计算结果文件中的输出参数值，并整理成所需的数据格式；为了满足核安全分析和程序验证的需求，通常需要对结果数据的后处理包括获取所关心参数(即待分析的输出参数)的最大/最小值、计算方差和标准差，以及计算敏感性系数等。其中，通过计算敏感性系数的大小是开展敏感性分析的重要环节，可用于评估输入参数对输出参数的影响程度大小。

如图2所示，统计分析软件与核能专业程序的接口设计方法的执行流程包括：抽样样本获取、接口前处理、程序批量化运行、接口后处理。具体为：

第一步，结合用户所掌握的信息资料，选取不确定性输入参数，在统计分析软件输入文件中，设定不确定性输入参数的标识符及其分布范围。

第二步，判断抽样参数的标识符及数值范围是否合理，如果不合理，则出现报错信息并返回修改。

第三步：当参数判断满足合理要求时，通过统计分析软件进行抽样，获取抽样数据样本。

第四步，当得到抽样数据样本后，定位用户设定的核能程序输入卡中原始数据的位置，将抽样值与其进行替换，生成新的核能程序输入卡。此输入卡将生成于工作目录下名为ResultN的文件夹下，其中N代表第N次抽样计算。

第五步，将抽样替换后得到的多个具有不同工况条件的新输入卡文件，导入传输到核能专业程序中。

第六步，通过编写批量化并行的命令行语句的方式，实现程序自动化批量运行，将输出计算结果保存于输入卡同一路径下，即ResultN文件夹中。

第七步，对于计算得到的输出结果文件，设定所关注的输出响应参数，如包壳峰值温度、堆芯最小液位等。

第八步，根据所设定的输出响应参数信息，包括部件卡号、输出参数名称以及选择其最大或最小值，将特定输出参数值导出至结果文件中，并计算得到输出响应参数与输入不确定性参数之间的敏感性系数。在得到结果文件后，整个流程结束。

下面以一个具体的例子对本发明提供的方法进行说明。

选取不确定性输入参数包括系统温度和压力等，待分析的输出参数为包壳峰值温度或堆芯最小液位，本发明提供的方法为：

S101，抽样样本获取：通过统计分析软件对系统温度和压力等不确定性输入参数值进行抽样，得到多个系统温度的抽样参数值及系统压力的抽样参数值，将其进行随机组合得到多个样本组合，(T₁,P₁),(T₂,P₂),(T₃,P₃),……,(T_K,P_K)。

S102，接口前处理：依次将核能专业程序输入卡中的系统温度和压力的参数值设置为(T₁,P₁),(T₂,P₂),(T₃,P₃),……,(T_K,P_K)，得到多组具有不同计算工况条件的核能专业程序输入文件(即分别以(T₁,P₁),(T₂,P₂),(T₃,P₃),……,(T_K,P_K)作为计算工况条件)。

S103，程序批量化运行：将S102得到的多组具有不同计算工况条件的核能专业程序输入文件，传输到核能专业程序的可执行文件中进行自动化批量运行，得到多组计算结果文件；其中，可以理解的是，一个输入文件对应一个计算结果。

S104，数据后处理：从计算结果文件读取包壳峰值温度或堆芯最小液位的最大/最小值、计算方差和标准差，并分别计算包壳峰值温度或堆芯最小液位与系统温度和系统压力等输入参数之间的敏感性系数。

实施例2：一种统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成系统，如图3所示，具体包括：

第一步，定义主窗口类，用于主界面的属性配置及功能实现，包括统计分析软件和核能专业程序输入文件的选择、各数据文件的管理、程序批量化运行得到输出计算结果等。

第二步，定义子窗口类，用于子界面的属性配置及功能实现，包括参数抽样信息的设定、核能程序输入卡中抽样参数的替换、输出响应参数的指定等。

第三步，对主窗口界面的功能区域设定，包括四个区域：区域一是核能专业程序输入卡显示区域，区域二是统计分析软件输入文件显示区域，区域三是自定义命令行输入区域，区域四是计算信息(错误信息)显示区域。

第四步，对子窗口一界面的功能区域设定，包括抽样方法设置、抽样分布信息和抽样参数替换三个界面区域。

第五步，对子窗口二界面的功能区域设定，显示区域主要实现所关注的输出响应参数的指定，并计算输出结果的最大值和最小值。

第六步，建立主窗口类和子窗口类之间的交互关系，并建立界面属性及功能与所搭建的功能模块区域分布之间的联系。

第七步，按照不确定性分析计算的一般流程步骤，对上述所配置好的界面属性以及功能模块进行封装，实现一体化高效计算的工作流，进而建立统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成系统。

本发明实施例提供一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上述任一实施例所述的统计分析软件与核能专业程序的接口设计方法，或执行如上述实施例所述统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成方法。

本发明实施例提供一种计算服务器，所述服务器包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器执行所述机器可执行指令以实现如上述实施例所述统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种统计分析软件与核能专业程序的接口设计方法，其特征在于，包括：

S101，抽样样本获取：确定不确定性输入参数及其统计分布信息，采用统计分析软件对各不确定性输入参数的参数值进行抽样，得到各不确定性输入参数的多个抽样参数值，再将其进行随机组合，得到多个样本组合；

S102，接口前处理：分别采用各样本组合中的抽样参数值替换核能专业程序输入卡文件中相应参数的当前参数值，得到多组新的输入卡文件；

S103，程序批量化运行：将所述多组新的输入卡文件输入至核能专业程序的执行文件中进行自动化批量运行，得到多组计算结果；

S104，接口后处理：对所述多组计算结果中待分析的输出参数的参数值进行数据后处理；

利用统计分析软件提供的外部接口，将输入文件导入所述统计分析软件进行抽样计算，得到抽样数据；

其中，所述输入文件中设置了参数抽样信息；所述参数抽样信息包括：抽样方法、抽样次数、抽样参数的名称、抽样参数的上下限值、抽样所用的驱动程序、抽样结果文件名。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自动化批量运行之前，还包括：

在命令行中对输入卡文件名称以及输出文件名称进行修改，以区分不同输入卡文件的计算结果。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述核能专业程序基于每个文件夹下的输入卡文件进行计算，并在对应文件夹目录下生成计算结果文件和重启文件。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据后处理包括：计算待分析的输出参数与所述各不确定性输入参数之间的敏感性系数；

和/或，确定待分析的输出参数的最大值、最小值，计算其方差和标准差。

5.一种统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成系统，用于实现如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，包括：

界面属性配置单元，用于对主窗口类和子窗口类的界面属性进行配置；

其中，主窗口类用于定义主界面的属性及功能实现，包括：统计分析软件的输入文件的选择、核能专业程序输入卡文件的选择、各数据文件的管理、程序的批量化运行；子窗口类用于定义子界面的属性及功能实现，包括：参数抽样信息的设定、核能专业程序输入卡中抽样参数的替换、待分析的输出参数的指定；

功能模块构建单元，用于设定主窗口界面和子窗口界面各功能区域的分布，以构建不同的功能模块；

其中，主窗口界面包括核能专业程序输入卡显示区域、统计分析软件输入文件显示区域、自定义命令行输入区域、计算结果显示区域；第一子窗口界面包括抽样方法设置区域、抽样分布信息设置区域、抽样参数替换区域；第二子窗口界面，包括待分析的输出参数的指定区域、待分析的输出参数的最大、最小参数值显示区域；

集成系统封装单元，用于按照不确定性分析计算的流程步骤，对上述配置好的界面属性以及功能模块进行封装，以建立统计分析软件与核能专业程序的不确定性量化分析集成系统；

所述集成系统基于Qt框架搭建。

6.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任一项所述的方法。