JP2502206B2 - 実験装置の運転支援方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加速器や核融合実験装置
等の大型実験装置の運転を支援する方法及びその装置に
係り、特に、その実験時の放電条件等の動作条件を求め
るのに好適な運転支援方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合実験装置や加速器等の大型実験装
置は、入力に対して出力がどうなるか分からないため、
目的の出力が得られる「最適入力値」を、試行錯誤を繰
り返すことで即ち入力値を少しずつ変更し実験を繰り返
すことで、求めることになる。例えば核融合実験装置で
は、実験計画とその目的に応じて動作条件つまり放電条
件を作成し、計測データ（出力）に応じて放電条件を変
更し次の実験を行う必要がある。大型実験装置の場合、
１回の実験で設定しなければならない入力パラメータは
多数に渡り、また１回の実験で得られる計測データのデ
ータ量は１００メガバイトにも達するため、過去の計測
データを参照して次の実験の動作条件を決めるのは容易
なことではない。

【０００３】核融合実験装置で実験を行う場合、プラズ
マ物理量を規定し、どんな実験をするかを表す実験条件
と、その実験条件を得るために核融合実験装置の各機器
を起動するための放電条件とを決める必要がある。実験
条件は、過去の実験データの実験解析や理論解析等から
実験に先立って予め決め、その実験条件に基づき放電条
件を決める。図８は、従来の放電条件作成操作（放電条
件の作成，変更，参照等を行う操作）の手順を示すフロ
ーチャートである。以下、この手順を順に説明する。

【０００４】（イ）許容範囲テーブルを設定する。許容
範囲とは、設備レベルの放電条件の中の数値設定項目に
対し、運転管理上または保守管理上の設定許容範囲を制
限するものである。

【０００５】（ロ）放電条件作成画面の編集を行う。放
電条件の作成作業または放電実行中の一部変更作業を円
滑に行うために、放電条件作成画面上の条件項目の配
列，ページ割付等を任意に編集し、画面をレイアウトす
る。

【０００６】（ハ）放電条件転送操作を行う。放電シー
ケンスの進行とは独立な操作を可能とするため夫々の目
的を持った放電条件ファイルを作り、既存ファイル中か
ら１つの放電条件を選択しこれを前記の放電条件ファイ
ルに転送する。

【０００７】（ニ）放電条件作成，変更操作では、上記
の転送先のファイルＦWA上で、放電条件の作成，変更を
行う。

【０００８】（ホ）プレプログラム作成操作では、制御
量を、所定の制御周期のピッチ時系列に展開した放電条
件にする。

【０００９】（ヘ）放電条件合理性検査の操作では、放
電条件の設定状態，設定内容の合理性を判断する。

【００１０】核融合実験装置で放電を実行する場合、以
上の放電条件作成操作を経て放電条件を設定する。

【００１１】尚、従来技術に関連するものとして、「Ｊ
Ｔ−６０放電条件ハンドブック」日本原子力研究所（昭
和６２年６月発行）がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の臨界プラズマ試
験装置ＪＴ−６０（日本原子力研究所）でさえ、設定す
べき放電条件の項目数は数千項目にも及び、これら多数
の項目を設定するのに多大な時間を要している。ＪＴ−
６０の次期実験装置として計画されている核融合実験炉
（ＦＥＲ）では、設定すべき放電条件の項目数つまり実
験装置への入力データ量は更に増大し、しかも、放電継
続時間もＪＴ−６０の数秒から１０００秒へと増大し、
計測データつまり出力データ量も増大する。しかも、１
回の実験での放電開始から消滅までを１ショットとする
と、この１ショットの期間が１０００秒となるので、実
験成果を高めるために１ショット中に放電条件を変更し
て実験を継続するようなことが起こる可能性が高い。こ
のため、この放電条件の適切な設定を迅速に行えるよう
にすることが要点となるが、既存ファイル中の放電条件
を修正，変更して今回の実験で用いるという従来の方法
をそのまま踏襲する限り、膨大な過去の実験データから
１ショットに必要な複数の放電条件を１ショットの時間
中に作成することはできず、１ショット中に放電条件を
変更して実験を継続することは不可能である。

【００１３】本発明の目的は、迅速且つ容易に実験装置
の動作条件を決定することができ、実験効率を高めるこ
とのできる実験装置の運転支援方法及びその装置を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、データベー
スに蓄積されている過去の実験結果の膨大なデータを参
照して実験装置の今回実験時の動作条件を決定するに際
し、今回の実験で得ようとする実験結果に近似するデー
タを前記データベース中のデータから抽出し、この抽出
データが実験結果として得られる動作条件を計算機に推
定させ、推定させた動作条件にて実験装置が動作するか
否かを計算機シミュレーションにて確認し実験装置の今
回実験時の動作条件として決定することで、達成され
る。

【００１５】

【作用】動作条件を一つ一つオペレータが入力設定する
のではなく、計算機に設定させるので、迅速に設定が可
能となる。実験結果を過去の実験データと比較する場
合、実験結果がある程度予測されたデータである方が都
合がよい。そこで、計算機に動作条件を設定させるにあ
たり、予測した実験結果に近似するデータを過去の実験
データから抽出し、抽出データが実験結果として得られ
る動作条件を計算機に推定させて求める。また、計算機
に設定させた動作条件では実際に実験装置が動作しない
虞がある。そこで、本発明では、設定した動作条件で実
験装置が動作することを計算機シミュレーションにて確
認してから、実際の動作条件として決定する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。先ず、過去の実験データ群の中から、今回の実
験で得ようとするデータに近似するデータを抽出する。
例えば、物理量Ｘ（例えばプラズマ温度），Ｙ（例えば
プラズマ密度）の二次元座標上に過去の実験データ（既
存データ（Ｘi，Ｙi））をとり、また、この座標上に同
時に今回得ようとするデータ（Ｘs，Ｙs）を示す。既存
データ（Ｘi，Ｙi）と今回得ようとするデータ（Ｘs，
Ｙs）との距離Ｌiは、次式１で表される。

【００１７】

【数１】

【００１８】既存データ中から今回得ようとするデータ
に近似するデータを抽出する場合、次のいずれかの方法
により行う。

【００１９】（イ）Ｘi＝ＸsあるいはＹi＝Ｙsであるデ
ータを抽出する。

【００２０】（ロ）データ（Ｘs，Ｙs）を中心として半
径Ｌs（≧Ｌi）内にあるデータ群を抽出する。

【００２１】尚、今回得ようとするデータ（Ｘs，Ｙs）
に最も近い既存データ（Ｘo，Ｙo）は、Ｌiの最小値Ｌo
（Ｌo＝ｍｉｎＬi）から得られる。抽出されたデータ点
ｉには、そのデータを得るために使われた放電条件Ａが
対応する。放電条件Ａj（ｊ：ショット番号）は、ガス
パフ量Ｇj，加熱パワーＰj，変流器コイル電流ＩoHj等
の多変数を要素として持つため、次式２の様にベクトル
量で表示される。

【００２２】

【数２】

【００２３】この放電条件Ａjで得られるプラズマ物理
量（計測データ）をＢjとすると、この物理量Ｂjも、プ
ラズマ温度Ｔj，プラズマ密度ｎj，プラズマ電流Ｉpj等
の多変数を要素として持つため、次式３の様にベクトル
量で表示される。

【００２４】

【数３】

【００２５】図４は、プラズマ温度ＴをＸ軸にとり、プ
ラズマ密度ｎをＹ軸にとり、放電条件のパラメータの１
つである加熱パワーＰjをＺ軸にとった図である。ま
た、図５は、プラズマ温度ＴをＸ軸にとり、プラズマ密
度ｎをＹ軸にとり、放電条件のパラメータの１つである
ガスパフ量ＧjをＺ軸にとった図である。こられの図か
ら分かるように、放電条件Ａjと出力されるデータＢjと
の間には１対１の対応があり、Ａj＝Ａj（Ｂj）の関係
式で表すことができる。つまり、プラズマ物理量Ｂjを
決めると、放電条件Ａjが決まる。この関係式Ａj＝Ａj
（Ｂj）は、図４，図５に示す様な既存データ中の抽出
データ（黒点で示す。）のフィッティング式として求め
られる。

【００２６】フィッティング式を求めると、次にこのフ
ィッティング式を摂動展開（内外挿）して、放電条件を
求める。説明を簡単にするため、今仮に、放電条件のパ
ラメータは加熱パワーＰのみであり、その放電条件（Ａ
＝Ｐ）から得られるプラズマ物量はプラズマ温度Ｔのみ
とする。この仮定の基で、フィッティング式は、Ａ＝Ａ
（Ｔ）となる。１変数のみなので、Ｐ＝Ｐ（Ｔ）と書く
ことができる。図２は、フィッティング式を摂動展開し
て放電条件を求める方法の説明図である。図中のプラズ
マ温度Ｔ1のデータが今回の実験で得ようとするデータ
であり、プラズマ温度Ｔ0が、データＴ1に近似するデー
タとして既存データ中から抽出したデータである。この
データＴ0からフィッテング式Ｐ＝Ｐ（Ｔ）を求め、こ
のフィッティング式Ｐ＝Ｐ（Ｔ）からデータＴ1に対す
る放電条件（今の場合は加熱パワー）Ｐ1を求める。Ｐ1
を求める場合、フィッティング式Ｐ＝Ｐ（Ｔ）を前記の
近似データＴ0の回りで摂動展開すると、

【００２７】

【数４】

【００２８】となる。この数式４のＴの値としてＴ1を
代入することにより、Ｐ1は

【００２９】

【数５】

【００３０】として求まる。以上は、放電条件のパラメ
ータを１つにして説明したが、複数のパラメータがある
一般の場合の数式５に対応する式は次式６となる。

【００３１】

【数６】

【００３２】ここで、添字のkはベクトルＢjの各要素を
示し、数式６は次式７の様になる。

【００３３】

【数７】

【００３４】この数式７の右辺第３項までをとると、図
４における（Ｔ，ｎ）空間での曲面の微分に対応する。

【００３５】尚、放電条件の全てのパラメータを求める
必要はなく、数式６において∂Ａ／∂Ｂkの大きいもの
のみで、放電条件を求めることでもよい。以上のように
して求めた放電条件で実際に核融合実験装置を駆動して
も、プラズマが安定につかず無駄な時間を費やしてしま
うことがある。斯かる事態を事前に回避するため、本実
施例では、求めた放電条件で実際にプラズマが安定につ
くか否かを計算機シミュレーションにて確認してから、
実際に実験装置を駆動するときの放電条件とする。例え
ば、加熱入力パワーはパワーバランス方程式で確認し、
ポロイダルコイル電流は平衡解析コードでプラズマ平衡
配位が得られるか否かを調べる。

【００３６】図１は、上述した手順を示すフローチャー
トである。先ず、放電条件解析部にて、既存データ群中
から今回得ようとするデータに近いデータ群を抽出し、
抽出したデータ群を用いて作成した放電フィッティング
式から抽出したデータ群を得ることのできる放電条件を
内外挿にて求める（ステップ１）。次に、求めた放電条
件を予備放電条件として記憶装置に一時格納（ステップ
２）する。シミュレーション（ステップ３）では、パワ
ーバランス，平衡解析等にて、前記記憶装置の格納デー
タ（予備放電条件）にて放電が起きるか否かを確認す
る。放電が起きることが確認された場合には、この予備
放電条件を放電条件として、処理を終了する。予備放電
条件が妥当でなく放電が起きないことが確認された場合
には、この予備放電条件を破棄し、ステップ１に戻って
新たに放電条件の解析処理を行い、予備放電条件を求め
直す。ステップ１での解析処理において、数式６に示す
複数の微分係数の組み合せを用いれば、内外挿処理を精
度良く行うことができる。また、既存データからの内外
挿に実験条件の中で放電条件に対して感度の高いものの
みを用いると、演算時間の短縮化が図られ、放電条件を
効率的に設定することが可能となる。また、今回得よう
とするデータを抽出する場合、数式１を用い距離Ｌi以
内のデータ群を抽出すると、抽出したデータに偏りがな
くなり、良好な放電条件を得ることが可能となる。

【００３７】図６は、本発明の別実例に係る処理手順を
示すフローチャートである。本実施例では、先ず、ステ
ップ５にて実験計画を設定する。この設定は、例えば、
図３に示す様なグラフを描画させるときの縦軸，横軸に
とるプラズマ物理量やショット番号等を入力することで
行う。次のステップ６では、計算機が図形表示処理を行
い、画面に図３の様な図が表示される。次の実験条件設
定処理７では、オペレータが画面に表示された図を見な
がら、今回得ようとするデータ領域及びデータ点数を、
例えばマウスやピックアップペン等を用いて入力する。
以下、図６の場合と同様のステップ１〜４を行い、放電
条件が設定される。今回得ようとするデータ点数がＭ個
の場合、このステップ１〜４をＭ回繰り返す。そして、
得られた放電条件は、ステップ８において、実験装置の
各構成機器のインタロックレベル（実験中に例えば電流
値が大きすぎて実験装置が壊れてしまう前にある設定値
に達したとき自動的に機械を止めてしまうためのインタ
ロックレベル）内に納まることを確認し、その後、得ら
れた放電条件での実験を実行する。放電条件が１０００
秒と長い場合には、Ｍ個のデータ点が１ショット中に得
られる。本実施例では、実験条件及び放電条件の設定を
オンラインで行い、短時間で効率的に実験が行えるとい
う効果がある。

【００３８】上述した実施例では、既存データ中から所
要データを抽出し、実験条件を設定したが、既存データ
から所要データを抽出できない新領域での実験条件を定
めることはできない。そこで、シミュレーション部から
本実験装置運転支援装置を起動するモードを設ける。こ
のモードでは、今回得ようとするデータ（Ｘs，Ｙs）の
回りに、指定したデータ点数分（Ｍ個）だけ等間隔にデ
ータ点を分配する。例えば、得ようとするデータ領域が
正方領域の場合、図７に示す様に、１辺がＭの１／２乗
の正方領域に区分けして各頂点にデータ点をとる。そし
て、このようにして得たデータを図１のステップ３にて
シミュレーションし、放電が起こるか否かを確認し、放
電条件の設定を行う。尚、図７に示す実施例では、図６
に示す各ステップ１つ１つに対応するアイコン１０を表
示し、運転支援を行うときのオペレータによる処理の容
易化を図っている。

【００３９】尚、上述した実施例は核融合実験装置につ
いて述べたものであるが、本発明は核融合実験装置に限
定されるものではなく、加速器等の大型実験装置一般に
適用できるものである。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、実験装置の実験条件の
設定を容易且つ迅速にできるので、実験装置の効率的な
運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る運転支援手順を示すフ
ローチャートである。

【図２】本発明の一実施例における内外挿（摂動展開）
の説明図である。

【図３】既存データから今回得ようとするデータの抽出
例の説明図である。

【図４】放電条件の１つである加熱入力パワーのプラズ
マ温度とプラズマ密度の依存性を示す三次元模式図であ
る。

【図５】放電条件の１つであるガスパフ量のプラズマ温
度とプラズマ密度の依存性を示す三次元模式図である。

【図６】本発明の別実施例に係る運転支援手順を示すフ
ローチャートである。

【図７】本発明の実施例における画面表示例を示す図で
ある。

【図８】従来の放電条件作成手順を示すフローチャート
である。

【符号の説明】

（Ｘs，Ｙs）…今回得ようとするデータ、（Ｘi，Ｙi）
…既存データ、Ｘ…プラズマ物理量、Ｙ…プラズマ物理
量、Ｔ0…既存データ中の今回得ようとするデータに近
いプラズマ温度データ、Ｔ1…今回得ようとするプラズ
マ温度、Ｐ1…求めようとする放電条件の１つである加
熱入力パワー、Ｐ＝Ｐ（Ｔ）…放電フィッティング式。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 健 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所 エネルギー研究所内 (72)発明者 福崎 孝治 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所 エネルギー研究所内

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 データベースに蓄積されている過去の実
   験結果の膨大なデータを参照して実験装置の今回実験時
   の動作条件を決定する運転支援方法において、今回の実
   験で得ようとする実験結果に近似するデータを前記デー
   タベース中のデータから抽出し、この抽出データが実験
   結果として得られる動作条件を計算機に推定させ、推定
   させた動作条件にて実験装置が動作するか否かを計算機
   シミュレーションにて確認し実験装置の今回実験時の動
   作条件として決定することを特徴とする実験装置の運転
   支援方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、抽出データから動作
   フィッティング式を作成し該動作フィッティング式を内
   外挿することで動作条件を推定することを特徴とする実
   験装置の運転支援方法。
3. 【請求項３】 実験装置の動作条件を決定する運転支援
   方法において、今回の実験で得ようとする実験結果に近
   似するデータを決定し、該データが得られる動作条件を
   動作フィッティング式から求め、求めた動作条件にて実
   験装置が動作するか否かをシミュレーションにて確認し
   てから実際の実験での動作条件とすることを特徴とする
   実験装置の運転支援方法。
4. 【請求項４】 データベースに蓄積されている過去の実
   験結果の膨大なデータを参照して実験装置の今回実験時
   の動作条件を決定する運転支援装置において、今回の実
   験で得ようとする実験結果に近似するデータを前記デー
   タベース中のデータから抽出する抽出手段と、今回の実
   験の動作条件を推定する推定手段であって前記抽出手段
   にて抽出したデータが実験結果として得られる動作条件
   を推定する推定手段と、該推定手段が求めた動作条件で
   実験装置が動作することを計算機シミュレーションにて
   確認してから前記動作条件を実験装置の今回の動作条件
   として決定するシミュレーション手段とを備えることを
   特徴とする実験装置の運転支援装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、抽出データから動作
   フィッティング式を作成し該動作フィッティング式を内
   外挿することで動作条件を推定する手段を備え得ること
   を特徴とする実験装置の運転支援装置。
6. 【請求項６】 実験装置の動作条件を決定する運転支援
   装置において、今回の実験で得ようとする実験結果に近
   似するデータを決定する手段と、該データが得られる動
   作条件を動作フィッティング式から求める手段と、求め
   た動作条件にて実験装置が動作するか否かをシミュレー
   ションにて確認する手段とを備えることを特徴とする実
   験装置の運転支援装置。