KR20220124990A - A Sensor Fault-Tolerant Accident Diagnosis System - Google Patents

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KR20220124990A
KR20220124990A KR1020210028827A KR20210028827A KR20220124990A KR 20220124990 A KR20220124990 A KR 20220124990A KR 1020210028827 A KR1020210028827 A KR 1020210028827A KR 20210028827 A KR20210028827 A KR 20210028827A KR 20220124990 A KR20220124990 A KR 20220124990A
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이승준
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울산과학기술원
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

Emergency situations in nuclear power plants involve automatic shutdown of a reactor, placing a heavy workload on plant operators under stressful conditions. Diagnosis of an incident that has occurred is an essential sequence for optimal incident outcome mitigation. However, incident identification results are also an important source of error, as the incident identification results determine the workflow linked to all subsequent operations. To support nuclear power plant accident identification, recent recurrent neural network (RNN)-based approaches have shown excellent performance. However, despite these achievements, the robustness of RNN models is not promising as it has been shown that incorrect inputs degrade the performance of RNNs more than other methods in some applications. In this embodiment, an accident diagnosis system that is tolerant of sensor failures was developed based on the existing RNN model and tested with expected sensor failures. After receiving and processing sensor defect information, an accident is diagnosed using a GRU algorithm.

Description

센서 결함에 강인한 사고 진단 시스템{A Sensor Fault-Tolerant Accident Diagnosis System}A Sensor Fault-Tolerant Accident Diagnosis System {A Sensor Fault-Tolerant Accident Diagnosis System}

본 기술은 센서 결함에 강인한 사고 진단 시스템과 관련된다.The present technology relates to an accident diagnosis system that is robust against sensor faults.

안전이 중요한 시스템에서 이상 징후에 대한 즉각적인 대응은 관련 결과를 최소화하는 데 중요한 요소이다. 원자력 발전소(NPP)에서 핵분열 에너지를 생성하는 핵연료는 원자력 사고 후 방사성 물질이 대량 방출되는 경우 대중에게 위협이 될 수 있다. 부품 고장 및 외부 위협 측면에서 플랜트 안전 및 안정성을 유지하기 위해 다양한 시스템을 준비해야 한다. 예상되는 사고에 대비하여 NPP에는 임계값을 초과하는 프로세스 매개 변수 또는 발전소 운전원의 수동 작업에 의해 구동되는 여러 안전 시스템이 있다. 비상 상황에 대한 대응은 순차적 작업을 포함하는 특정 절차를 따른다. 사고 증상에 따라 사고를 완화하는 방법을 알기 위해 정확한 사고 유형을 지정하여 사고 진단을 실시한다. 따라서 사고 진단은 필수 완화 작업이 포함된 특정 최적 복구 절차(ORP)를 결정하기 때문에 중요하다. 사고 진단 절차는 일련의 증상 확인을 기반으로 사고를 식별하기 위한 직관적인 논리를 제공하지만 비상 상황의 초기 단계가 사고 결과에 영향을 미칠 수 있기 때문에 발전소 운전원에게는 까다로운 작업이 될 수 있다. 이와 관련하여 잘못된 진단은 잘못된 최적 복구 절차(ORP, optimal recovery procedure)를 선택하게 하여 여러 사람의 실수를 초래할 수 있다.In safety-critical systems, prompt response to anomalies is an important factor in minimizing the associated consequences. Nuclear fuels that generate fission energy in nuclear power plants (NPPs) can pose a threat to the public if large amounts of radioactive material are released after a nuclear accident. Various systems must be prepared to maintain plant safety and stability in terms of component failure and external threats. In preparation for anticipated accidents, the NPP has several safety systems driven by process parameters exceeding thresholds or manual actions by plant operators. Responses to emergencies follow specific procedures that include sequential actions. In order to know how to alleviate the accident according to the symptoms of the accident, the accident diagnosis is carried out by specifying the exact accident type. Incident diagnosis is therefore important because it determines the specific optimal recovery procedure (ORP) with the necessary mitigation actions. Although the accident diagnosis procedure provides intuitive logic for identifying an accident based on a series of symptom identifications, it can be a daunting task for plant operators because the early stages of an emergency can affect the outcome of an accident. In this regard, an incorrect diagnosis may lead to the selection of an incorrect optimal recovery procedure (ORP), which may lead to human error.

플랜트 상태는 구성 요소에 연결된 수많은 센서를 통해 모니터링 되며 센서 값은 발전소 운전원의 상태 인식과 자동 안전 시스템 작동의 원인을 위한 기본 요소로 작동한다. 이와 관련하여 센서의 잘못된 정보는 작업자를 혼란스럽게 하고 잘못된 판단으로 이어질 수 있다. 실제로 센서 고장으로 인한 오진은 쓰리마일 섬(TMI-2) 및 후쿠시마 사고와 같은 심각한 사고의 열화 요인의 일종으로 논의되었다. 특히 TMI-2 사고는 다음과 같이 센서 결함로 인해 심각한 오진 오류가 발생한 경우를 나타낸다. 파일럿 작동식 릴리프 밸브(PORV, pilot-operated relief valves)라고도 하는 전자기 릴리프 밸브가 실수로 열린 상태로 고정되었다. 그러나 관련 표시기는 밸브가 닫힌 상태임을 나타냈다. 이 오류로 인해 작업자는 상황을 잘못 인식하고 원자로 노심을 냉각시키기 위해 자동으로 작동되는 안전 주입 시스템을 꺼서 큰 재난을 불러일으켰다.Plant health is monitored through numerous sensors connected to the components, and the sensor values act as the basis for the plant operators' status awareness and the cause of automatic safety system operation. In this regard, misinformation from the sensor can confuse the operator and lead to erroneous judgment. In fact, misdiagnosis due to sensor failure has been discussed as a kind of deterioration factor in serious accidents such as the Three Mile Island (TMI-2) and Fukushima accidents. In particular, the TMI-2 accident represents a case where a serious misdiagnosis error occurred due to a sensor defect as follows. Electromagnetic relief valves, also known as pilot-operated relief valves (PORVs), were accidentally locked open. However, the relevant indicator indicated that the valve was closed. The error caused the operator to misunderstand the situation and turn off an automatically activated safety injection system to cool the reactor core, causing catastrophe.

기존 진단 절차나 개발된 진단 모델에서는 사고 시퀀스 중 센서 고장에 대한 대책이 논의되지 않았다. 이러한 맥락에서 센서 장애로 인한 진단 실패에 대한 고려가 부족한 현재 진단 모델은 센서 결함에 취약해 보이다. 원자력 분야의 센서 결함에 관한 관련 종래 연구의 대부분의 목표는 정상 작동이며, 이는 사고를 포함한 일시적인 상황이 아직 연구되지 않았다. In the existing diagnostic procedures or developed diagnostic models, countermeasures for sensor failure during an accident sequence were not discussed. In this context, the current diagnostic model, which lacks consideration of diagnostic failure due to sensor failure, seems vulnerable to sensor failure. Most of the related prior studies on sensor faults in the nuclear field are aimed at normal operation, which has not yet been studied in transient situations, including accidents.

본 실시예에 의한 원자로 사고 진단 방법은 원자로 트립(trip) 발생을 검출하는 단계; 센서 결함 발생 여부를 확인하는 단계; 센서 결함 정보를 전달받아 이를 처리한 뒤 GRU 알고리즘을 이용하여 사고를 진단하는 단계 및 진단 결과를 출력하는 단계를 포함한다.A nuclear reactor accident diagnosis method according to the present embodiment includes the steps of detecting occurrence of a reactor trip; checking whether a sensor defect has occurred; After receiving the sensor defect information, processing it, and diagnosing the accident using the GRU algorithm, and outputting the diagnosis result.

본 실시예의 장단기 메모리, GRU를 포함한 데이터 기반 방법들은 한국원자력연구원에서 개발된 CNS(Compact nuclear simulator)를 활용하여 생산된 설계 기반 사고 데이터를 활용하여 학습 및 시험을 수행한다.The data-based methods including the short-term memory and GRU of this embodiment perform learning and testing using design-based accident data produced using a compact nuclear simulator (CNS) developed by the Korea Atomic Energy Research Institute.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서, 일 예로, 센서 결함 발생 여부를 확인하는 단계는, 장단기 메모리(Long short-term memory)에 의해 출력되는 일관성 지수(consistency index) 값이 0.7 이상 큰 경우에 센서 값이 정상인 것으로 파악하고, 일관성 지수(consistency index) 값이 0.7 미만인 경우에 센서에 결함이 있는 것으로 파악한다.In the reactor accident diagnosis method of this embodiment, as an example, the step of determining whether a sensor defect occurs is a sensor value when a consistency index value output by a long short-term memory is greater than 0.7 is considered normal, and when the consistency index value is less than 0.7, the sensor is determined to be defective.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서 일 예로, GRU 알고리즘을 이용하여 사고를 진단하는 단계는, GRU 알고리즘과 결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하는 알고리즘을 이용하여 수행한다.In the nuclear reactor accident diagnosis method of this embodiment, as an example, the step of diagnosing the accident using the GRU algorithm is performed by using the GRU algorithm and an algorithm for substituting the data of the sensor in which the defect has occurred.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서 일 예로, 결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하는 알고리즘은, KNN(K-nearest neighbours) 알고리즘, MICE 알고리즘 및 Missforess 알고리즘 중 어느 하나를 포함한다.In the reactor accident diagnosis method of the present embodiment, as an example, an algorithm for replacing data of a sensor having a defect includes any one of a K-nearest neighbors (KNN) algorithm, a MICE algorithm, and a Missforess algorithm.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서 일 예로, KNN알고리즘은, 결함이 있는 센서의 데이터와 가까운 K 개의 파라미터의 평균을 결함이 있는 센서의 데이터로 대치한다.In the reactor accident diagnosis method of this embodiment, as an example, the KNN algorithm replaces the average of K parameters close to the data of the defective sensor with the data of the defective sensor.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서, 일 예로, MICE 알고리즘은, 누락된 데이터에 대해 자리 표시자(place holder)로 단순 대치하는 단계와, 누락된 데이터가 가장 큰 변수가 누락된 데이터로 반환되는 단계와, 변수가 다른 변수에서 회귀되는 과정 및 결과가 수렴될 때까지 회귀를 반복하여 수행한다.In the reactor accident diagnosis method of the present embodiment, as an example, the MICE algorithm includes the steps of simply replacing the missing data with a place holder, and returning the missing data as the variable with the largest missing data. And, the process of regressing the variable from another variable and the regression are repeatedly performed until the result converges.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서, 일 예로,Missforest 알고리즘은, 복수의 의사 결정 트리를 구성하는 단계와, 의사 결정 트리를 통합하여 평균 회귀를 생성하여 반복 랜덤 포레스트 회귀를 수행하는 단계를 포함한다.In the reactor accident diagnosis method of this embodiment, as an example, the Missforest algorithm includes constructing a plurality of decision trees, integrating the decision trees to generate a mean regression, and performing iterative random forest regression.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서, 일 예로, GRU 알고리즘을 이용하여 사고를 진단하는 단계는, GRU 알고리즘으로 결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하지 않고 수행한다.In the nuclear reactor accident diagnosis method of this embodiment, as an example, the step of diagnosing the accident using the GRU algorithm is performed without replacing the data of the sensor in which the defect occurs with the GRU algorithm.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서, 일 예로,GRU 알고리즘으로 결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하지 않고 사고를 진단하는 단계는, GRUD(GRU-Decay) 알고리즘을 이용하여 수행한다.In the nuclear reactor accident diagnosis method of this embodiment, for example, the step of diagnosing the accident without replacing the data of the sensor having the defect with the GRU algorithm is performed using the GRUD (GRU-Decay) algorithm.

본 실시예의 원자로 사고 진단 방법에서, 일 예로, GRUD 알고리즘은, 수학식 In the reactor accident diagnosis method of this embodiment, for example, the GRUD algorithm is

Figure pat00001
Figure pat00001

로 표현된다.is expressed as

본 실시예에 의하면 센서 결함에 강인한 사고 진단 시스템이 제공된다는 장점이 제공된다.According to the present embodiment, an advantage is provided that an accident diagnosis system robust to sensor failure is provided.

도 1은 증상 기반 비상 운영 절차(EOP) 패키지를 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예의 센서 결함에 강인한 사고 진단 시스템의 전체적 프레임워크를 도시한 도면이다.
도 3은 시계열 다변량 입력의 GRU(gated recurrent unit) 기반 사고 분석 알고리즘과 SoftMax 출력을 도시한다.
도 4는 정상 데이터 세트와 오류가 주입된 데이터 세트로부터 센서 상태를 식별한 결과를 예시한 도면이다.
도 5는 드리프트 오류와 고착 오류를 예시한 도면이다.
도 6은 현재 입력이 없는 경우에 GRUD 방식의 예를 도시한 도면이다.
도 7은 정상 데이터 세트로부터 사고 진단 성공 경향과 결함이 주입된 결과로부터 진단 실패 경향을 예시한 도면이다.
도 8은 대치 결과를 비교한 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 진단 결과의 정확성을 예시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating a symptom-based emergency operating procedure (EOP) package.
2 is a diagram illustrating the overall framework of the accident diagnosis system robust to sensor defects according to the present embodiment.
3 shows a gated recurrent unit (GRU) based thought analysis algorithm of a time series multivariate input and a SoftMax output.
4 is a diagram illustrating a result of identifying a sensor state from a normal data set and an error-injected data set.
5 is a diagram illustrating a drift error and a sticking error.
6 is a diagram illustrating an example of a GRUD method when there is no current input.
7 is a diagram illustrating an accident diagnosis success tendency from a normal data set and a diagnosis failure tendency from a result of injecting a defect.
8 is a diagram illustrating a comparison result of substitution results.
9 is a diagram illustrating the accuracy of a diagnosis result.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. NPP에서는 다양한 규모의 이상 징후에 대해 여러 운영 절차가 준비되어 있다. 개별 구성품 오작동 또는 노심 무결성에 대한 잠재적 위협에 대한 대응으로 경보 대응 절차(alarm response procedures) 또는 비정상 작동 절차(abnormal operating procedures)가 수행된다. 이러한 종류의 빈번한 사고를 예상되는 운영 발생(anticipated operational occurrences)이라고 한다. 예상되는 운영 발생을 초과하는 더 심각한 편차는 "사고(accident)"로 정의된다. 사고 상황에서 원자로 보호 시스템이 사전 정의된 설정 값의 편차를 감지하면 원자로가 자동으로 트립(trip)된다. 설계 기준 사고는 방사선 영향이 전혀 없거나 배제 영역 외부에 영향을 미치지 않는다. 장착된 안전 기능으로 사고를 완전히 완화할 수 있기 때문이다. 특정 사고 상황을 비상 상황(emergency situations)이라고 하며 비상 운영 절차(EOP, emergency operating procedures)를 수행해야 한다. EOP는 코어 손상을 방지하는 데 초점을 맞춘 절차 지침을 제공한다. 파손 위치 또는 특정 급수원의 손실에 따라 달라지는 사고 유형에 따라 최적 대응은 완전히 다르다. 따라서 사고의 진단은 적절한 완화 작업을 준비하는 데 필수적이다.Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. In the NPP, several operating procedures are in place for anomalies of various scales. Alarm response procedures or abnormal operating procedures are implemented in response to individual component malfunctions or potential threats to core integrity. Frequent accidents of this kind are called anticipated operational occurrences. A more severe deviation beyond the expected operational occurrence is defined as an “accident”. In the event of an accident, the reactor will trip automatically when the reactor protection system detects a deviation from the predefined setpoint. Design-based incidents have no or no radiation effects outside the exclusion zone. This is because the installed safety features can completely mitigate accidents. Certain accident situations are called emergency situations and require emergency operating procedures (EOP) to be implemented. EOP provides procedural guidance focused on preventing core damage. Depending on the type of incident, which depends on the location of the failure or loss of a particular water supply, the optimal response is completely different. Diagnosis of the incident is therefore essential to prepare for appropriate mitigation actions.

진단 작업에는 발전소 운전원의 다양한 기타 작업이 포함된다. 오류는 글로벌 오진, 국부 오진 및 슬립(slip)의 세 가지 유형으로 분류할 수 있다. 글로벌 오진(global misdiagnosis)이란 부적절한 대응 절차의 선택으로 인한 오류를 말한다. 국부 오진(local misdiagnosis)이란 고의적인 부적절한 조치로 인한 오류를 말하며, 관련 절차 및 정보를 잘못 이해하여 발생할 수 있다. 슬립(slip)은 작업을 수행할 때 의도하지 않고 부적절한 성능으로 인해 발생하는 오류이다. 이러한 분류에 따르면 발전소 운전원의 오진에는 잘못된 ORP 선택 뿐만 아니라 절차 작업이나 관련 정보에 대한 잘못된 이해와 같은 소규모 오진도 포함된다. 두 유형 모두 인적 오류의 가능한 후보이지만, 글로벌 오진은 사고를 완화하기 위한 수많은 작업을 포함하기 때문에 더 심각한 결과를 초래할 수 있다.Diagnostic tasks include a variety of other tasks for plant operators. Errors can be classified into three types: global false positives, local false positives, and slips. Global misdiagnosis refers to errors resulting from the selection of inappropriate response procedures. Local misdiagnosis refers to errors due to intentional or improper measures, and may result from misunderstanding of relevant procedures and information. A slip is an error that occurs unintentionally and due to improper performance when performing a task. According to this classification, misdiagnosis of plant operators includes misdiagnosis such as incorrect ORP selection as well as misunderstanding of procedural work or related information. Both types are possible candidates for human error, but global misdiagnosis can have more serious consequences as it involves numerous actions to mitigate the incident.

비상 상황은 실제로 거의 발생하지 않기 때문에 발전소 운전원에게 익숙하지 않다. 따라서 EOP를 수행하는 것은 복잡하고 스트레스가 많은 작업이다. 운전원은 수많은 경보로 둘러싸여 있는 동안 최적의 대응을 알기 위해 사고 유형을 지정해야 한다. 적절한 사고 진단을 위해서는 다양한 사고 증상을 확인하기 위한 적절한 상황 인식이 필수적이다. 운전원을 표준화된 방식으로 안내하기 위해 진단 절차는 증상에서 사고 유형을 지정하는 조건부 논리(combinational logic)를 제공한다. 도 1은 EOP 패키지의 진단 흐름을 보여주며, EOP 패키지는 사고에 대한 조기 대응, 진단 절차 및 특정 사고에 따른 적절한 ORP를 포함한다. 이러한 구조는 센서 결함으로 인한 잘못된 프로세스 매개 변수에 취약하다. 절차 내에서 한 번의 잘못된 전환이 진단 실패를 불러올 수 있으며, 그로부터 최적의 대응을 막을 뿐만 아니라 불필요한 작업, 심지어는 유해한 조치를 수행하게 할 수 있다. 원전에서 견고하고 정확한 사고 진단 성능을 보장하는 것은 안전한 운영을 위해 필수적이다.Emergencies are unfamiliar to plant operators because they rarely occur in practice. Therefore, performing EOP is a complex and stressful task. Operators must specify the type of incident to know the best response while surrounded by numerous alarms. For proper accident diagnosis, proper situational awareness to identify various accident symptoms is essential. To guide the operator in a standardized manner, the diagnostic procedure provides a combinational logic that specifies the type of accident from the symptoms. 1 shows the diagnostic flow of the EOP package, the EOP package includes an early response to an incident, a diagnostic procedure, and an appropriate ORP according to a specific incident. These structures are susceptible to incorrect process parameters due to sensor faults. One erroneous transition within a procedure can lead to diagnostic failures, preventing an optimal response from it, as well as unnecessary work, or even harmful actions. Ensuring robust and accurate accident diagnosis performance in nuclear power plants is essential for safe operation.

결함에 강인한 사고 진단 시스템 Fault-tolerant accident diagnosis system 프레임워크framework

도 2는 본 실시예의 센서 결함에 강인한 사고 진단 시스템의 전체적 프레임워크를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 시스템은 도 2로 예시된 것과 같이 센서 결함 감지 시스템과 센서 결함에 강인한 완화 시스템(sensor fault-tolerant mitigation system)의 두 하위 시스템을 포함한다. 센서 결함 모니터링은 원자로 트립시 시작되는 시스템의 선두로 수행된다(3.2). 센서 결함이 없는 경우 사고 진단 시스템은 사고를 진단(3.1)하여 사고를 식별하기 위한 출력을 생성한다. 센서 결함 감지 시스템이 센서 결함를 감지하면 오류 정보가 센서 결함에 강인한 완화 시스템(3.3)으로 전송되며, 여기서 데이터 대치 방법을 통해 오류가 있는 센서 데이터를 대체하거나 그 영향을 약화시킨다. 마지막으로 결함에 강인한 사고 진단 결과가 생성된다.2 is a diagram illustrating the overall framework of the accident diagnosis system robust to sensor defects according to the present embodiment. Referring to FIG. 2 , the system according to this embodiment includes two subsystems, as illustrated in FIG. 2 , a sensor fault detection system and a sensor fault-tolerant mitigation system. Sensor fault monitoring is performed at the head of the system initiated upon a reactor trip (3.2). In the absence of sensor faults, the incident diagnosis system diagnoses the incident (3.1) and generates an output to identify the incident. When the sensor fault detection system detects a sensor fault, the fault information is sent to the sensor fault-tolerant mitigation system 3.3, where it replaces or attenuates the impact of faulty sensor data through a data replacement method. Finally, fault-tolerant accident diagnosis results are generated.

GRU를gru 이용하는 사고 진단 알고리즘 Accident diagnosis algorithm used

본 실시예는 RNN 기반 알고리즘을 이용한 비상 상황 사고 진단 모델을 제안한다. RNN은 장단기 메모리 네트워크 또는 GRU(gated recurrent unit)와 같은 고급 모델을 사용하여 사고 또는 비정상 데이터를 분류한다. GRU는 두 개의 메인 게이트 기능, 즉 리셋 게이트(

Figure pat00002
)와 업데이트 게이트(
Figure pat00003
)를 포함한다. 리셋 게이트는 시그모이드 함수를 사용하여 이전 상태(
Figure pat00004
)를 어느 정도 반영해야 하는지 결정하고 업데이트 게이트는 이전 상태와 입력 데이터에서 현재 상태를 업데이트하는 방법을 결정한다. 후보 함수(
Figure pat00005
)와 이전 상태는 현재 은닉 상태(
Figure pat00006
)를 결정하기 위해 업데이트 게이트에 의해 변조된다. 결정된 숨김 상태는 다음 GRU 셀로 전송되거나 출력으로 종료된다. 게이트 함수, 은닉 상태 및 후보 함수는 아래의 수학식 1과 같다.This embodiment proposes an emergency accident diagnosis model using an RNN-based algorithm. RNNs use advanced models such as long and short-term memory networks or gated recurrent units (GRUs) to classify accidental or anomalous data. The GRU has two main gate functions: a reset gate (
Figure pat00002
) and update gates (
Figure pat00003
) is included. The reset gate uses a sigmoid function to set the previous state (
Figure pat00004
) should be reflected, and the update gate determines how to update the current state from the previous state and the input data. candidate function (
Figure pat00005
) and the previous state are the current hidden state (
Figure pat00006
) is modulated by the update gate to determine The determined hidden state is transmitted to the next GRU cell or terminated with an output. The gate function, the hidden state, and the candidate function are expressed in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서

Figure pat00008
,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
는 각각 업데이트 게이트, 후보 게이트 및 리셋 게이트이고 W, U는 가중치가 적용된 벡터이고 x, h는 각각 입력 및 숨김 상태이다. ⊙는 요소 별 곱셈(element-wise multiplication)이다. here
Figure pat00008
,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
are update gates, candidate gates and reset gates, respectively, W and U are weighted vectors, and x and h are input and hidden states, respectively. ⊙ is element-wise multiplication.

도 3은 GRU 기반 사고 진단 알고리즘을 도시한다. GRU는 원전 사고 상황 시계열 데이터를 입력으로 받아 매시간 스텝마다 정답인 사고 레이블에 대하여 학습한다. 학습은 위 수학식 1에 따라 입력값을 처리하여 정답인 사고 레이블을 출력하도록 역전파(Back propagation)에 의해 가중치(weight) 및 바이어스(bias) 값을 조정하는 방식으로 진행된다. 계산된 은닉상태는 직접 출력값을 결정하거나 시간 축에 따라 전달된다. 3 shows a GRU-based accident diagnosis algorithm. GRU receives time series data of nuclear accident situation as input and learns about the accident label, which is the correct answer at every step of the time. Learning proceeds by adjusting the weight and bias values by back propagation to process the input value according to Equation 1 above and output the correct thinking label. The calculated hidden state directly determines the output value or is transmitted along the time axis.

본 실시예의 시스템의 경우 GRU 기반 사고 진단 알고리즘을 구축하여 잘못된 입력으로 인한 성능 저하를 테스트하여 진단 성능을 확인하였다. 이 알고리즘에는 64 개의 노드가 있는 하나의 숨겨진 계층이 있으며 훈련을 위해 Adam 최적화 프로그램을 적용하였다. 히든 레이어와 노드의 수를 포함한 하이퍼 매개 변수는 충분한 진단 성능을 달성하도록 결정되었다. 출력 결과는 확률 분포로 정규화된 출력을 생성하는 SoftMax 함수로 생성된다. SoftMax 정규화 식은 아래의 수학식 2와 같다.In the case of the system of this embodiment, a GRU-based accident diagnosis algorithm was built and the performance degradation due to an incorrect input was tested to confirm the diagnosis performance. This algorithm has one hidden layer with 64 nodes and Adam optimizer is applied for training. Hyperparameters including the number of hidden layers and nodes were determined to achieve sufficient diagnostic performance. The output result is generated by a SoftMax function that produces an output normalized to a probability distribution. The SoftMax regularization expression is as Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

GRU의 기능은 셀 간의 연결과 상황 정보를 전달하는 순방향 전파로 인해 사고 진단에 적합하다. 그러나 RNN은 높은 성능을 가짐에도 불구하고 센서의 데이터 값의 누락과 함께 견고성(robustness)의 문제가 있을 수 있다. 따라서, 센서 결함에 대하여 RNN 모델의 견고성을 확보하기 위하여 가능한 조치를 준비해야 한다.The function of the GRU is suitable for accident diagnosis due to the forward propagation of the connection between cells and the forward propagation of situation information. However, although RNN has high performance, there may be a problem of robustness along with omission of data values of sensors. Therefore, it is necessary to prepare possible measures to secure the robustness of the RNN model against sensor defects.

센서 결함 감지 시스템Sensor Fault Detection System

긴급 상황에서 센서 결함을 설명하기 위해 여러 시계열 다변량 데이터가 있는 RNN의 주목할 만한 성능을 활용하는 센서 결함 감지 시스템이 제시된다. RNN의 일종인 장단기 메모리(LSTM)을 활용한 해당 시스템은 정상 사고 데이터 및 센서 결함 주입 사고 데이터에 대하여 대상 센서의 일관성 지수(consistency index)를 수치화하여 이를 장단기 메모리에 학습시킨다. 일관성 지수는 현재 센서가 표시하는 수치와 실제값의 상대적 거리를 수치화하여 제곱연산한다. 일관성 지수의 계산식은 수학식 3과 같으며,

Figure pat00012
는 측정값,
Figure pat00013
는 실제값,
Figure pat00014
는 상대 오차,
Figure pat00015
는 계산된 일관성 지수를 의미한다. 학습된 장단기 메모리는 발전소 변수를 입력으로 받아 특정 센서의 일관성 지수를 초마다 출력한다. 도 4는 센서 상태 식별의 예를 도시하며, 도 4(a)는 정상 데이타 테스트 결과, (b)는 오류가 주입된 테스트 결과이다. 감지 시스템의 출력은 센서 상태에 대한 수치적으로 정규화된 인덱스인 일관성 지수의 형태로 생성된다. A sensor fault detection system is presented that utilizes the remarkable performance of RNNs with multiple time-series multivariate data to account for sensor faults in emergency situations. The system using long-term memory (LSTM), a type of RNN, quantifies the consistency index of the target sensor with respect to normal accident data and sensor fault injection accident data, and learns it in the long-term memory. The coherence index is calculated by squaring the relative distance between the value currently displayed by the sensor and the actual value. The formula for calculating the consistency index is as Equation 3,
Figure pat00012
is the measured value,
Figure pat00013
is the actual value,
Figure pat00014
is the relative error,
Figure pat00015
is the calculated consistency index. The learned long-term memory receives power plant variables as input and outputs the consistency index of a specific sensor every second. Fig. 4 shows an example of sensor state identification, Fig. 4 (a) is a normal data test result, (b) is a test result in which an error is injected. The output of the sensing system is generated in the form of a consistency index, which is a numerically normalized index of the sensor state.

일관성 지수는 도 4(a)와 같이 정상 상태에서 약 1로 유지되고 센서 신호 편차의 정도에 따라 감소한다. 경험적 테스트 결과에서 검출 속도와 불확도를 모두 고려한 오류 임계값인 일관성 지수 기준은 값은 0.7이다. 일관성 인덱스로부터 아래의 수학식 4의 (6)식을 연산하여 마스킹 입력을 구할 수 있으며, 마스킹 입력과 함께 센서 결함 정보를 도출할 수 있다. 여기서 '1'은 센서 값이 정상적으로 관측됨을 의미하고 '0'은 데이터가 누락되었음을 의미한다. The consistency index is maintained at about 1 in a steady state as shown in FIG. 4(a) and decreases according to the degree of sensor signal deviation. In the empirical test results, the standard of the consistency index, which is the error threshold that considers both the detection speed and the uncertainty, has a value of 0.7. A masking input can be obtained by calculating Equation (6) of Equation 4 below from the consistency index, and sensor defect information can be derived together with the masking input. Here, '1' means that the sensor value is normally observed, and '0' means that data is missing.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00016
Figure pat00016

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00017
Figure pat00017

센서 결함 모드는 인간 오류와의 연결 및 전형성을 고려하여 선택되었다. 드리프트 및 고착 오류(drift and stuck errors)를 사고 데이터에 주입하고 일관성을 평가하였다. 본 실시예에서 진단 알고리즘의 성능 저하를 확인하기 위해 센서 결함를 구현하였다. 두 방향(상향, 하향)의 2 배 및 10 배 변화율의 드리프트 오류와 0 점에서 고착 오류가 사고 데이터에 주입된다. The sensor failure mode was chosen considering its connectivity and typicality with human error. Drift and stuck errors were injected into the incident data and consistency was assessed. In this embodiment, a sensor defect is implemented to check the performance degradation of the diagnostic algorithm. Drift errors of 2x and 10x rates of change in both directions (up and down) and a sticking error at zero point are injected into the accident data.

도 5(a)는 드리프트 오류, 도 5(b)는 0 고착 오류를 예시한 도면이다. 도 5는 100 초에서 발생한 드리프트 및 고착 오류의 경우를 보여준다. 도 5의 예시에서, 모든 오류 주입은 데이터의 1 초에 추가되었다..Fig. 5(a) is a diagram illustrating a drift error, and Fig. 5(b) is a diagram illustrating a zero stuck error. 5 shows the case of drift and sticking errors occurring at 100 sec. In the example of Figure 5, all error injections were added to 1 second of data.

오류에 강인한 사고 진단 시스템Error-tolerant accident diagnosis system

센서 결함 감지 모델의 결과로부터 사고시 센서 상태를 지속적으로 사용할 수 있는 정보로 모니터링 할 수 있다. 센서 결함이 발생하는 경우, 결함이 있는 센서에서 본질적으로 신뢰할 수 없는 수신 데이터를 제거해야한다. 그러나 GRU를 기반으로 한 사고 진단 알고리즘은 GRU 구조가 각 입력이 상호 연결을 통해 모든 기능과 출력에 영향을 미치도록 지정하기 때문에 빈 입력을 허용할 수 없다. 따라서 누락된 데이터에 의한 영향을 완화하려면 누락된 값을 추정하거나 수정된 RNN 구조를 적용해야한다. 누락된 데이터를 추정값으로 대체하는 과정인 대치 방법을 적용하고 GRU 모델을 변환하여 내결함성 사고 진단 시스템을 구축하였다.From the result of the sensor fault detection model, it is possible to monitor the sensor status in the event of an accident as information that can be used continuously. In the event of a sensor failure, the inherently unreliable incoming data must be removed from the defective sensor. However, an accident diagnosis algorithm based on GRU cannot tolerate empty inputs because the GRU structure specifies that each input affects all functions and outputs through interconnection. Therefore, to mitigate the effect of missing data, it is necessary to estimate the missing values or apply a modified RNN structure. A fault-tolerant accident diagnosis system was constructed by applying the imputation method, a process of replacing missing data with estimated values, and transforming the GRU model.

첫째, 이동 창 대치(moving window imputation) 또는 마지막 관찰 전방 이동 대치(last observed carried forward imputation)를 포함하여 시계열 데이터에 대한 간단한 대치 방법을 고려하였으나, 이러한 방법은 결함이 발생한 센서가 결함이 발생한 후 지속적으로 편차 데이터를 생성하기 때문에 본 실시예의 경우에는 부적절하다. 즉, 간단한 접근 방식은 다변량 시계열 데이터의 특성을 반영할 수 없다. 사고 유형에 따른 다양한 사고 증상을 반영하기 위해서는 대치 모델에 하나 이상의 통계 모델이 포함되어야 한다. 일반적인 사용 및 성능을 고려하여 세 가지 대치 방법을 비교하여 센서 결함 데이터를 대체한다.First, we considered simple imputation methods for time series data, including moving window imputation or last observed carried forward imputation. This is inappropriate in the case of this embodiment because deviation data is generated by In other words, a simple approach cannot reflect the characteristics of multivariate time series data. At least one statistical model should be included in the imputation model to reflect the various accident symptoms according to the accident type. Considering typical usage and performance, the three imputation methods are compared to replace the sensor fault data.

K-Nearest Neighbors(KNN)K-Nearest Neighbors (KNN)

KNN(K-nearest neighbours)은 단일 계산만 수행되는 단일 대치 방법이다. KNN 대치의 기본 원리는 여러 이웃의 평균 계산을 통한 추정이다. K 파라미터 설정을 기반으로 가장 가까운 데이터는 맨해튼 거리, 유클리드 거리, 상관 거리를 포함한 특정 거리 계산으로 그룹화된다. 누락된 데이터는 최인접 이웃의 가중 평균으로 대체된다. 본 실시예에서는 유클리드 거리 기반 KNN 방법을 사용하여 데이터를 대치하였다.KNN (K-nearest neighbors) is a single imputation method in which only a single computation is performed. The basic principle of KNN imputation is estimation by calculating the average of several neighbors. Based on the K parameter settings, the closest data are grouped into specific distance calculations including Manhattan distance, Euclidean distance, and correlation distance. Missing data is replaced with a weighted average of the nearest neighbors. In this embodiment, data is substituted using the Euclidean distance-based KNN method.

MICE(Multivariate Imputation with Chained Equations)Multivariate Imputation with Chained Equations (MICE)

단일 대치 방법의 한계를 극복하기 위해 여러 대치 방법이 등장하였다. 다중 대치 과정은 다음과 같다. (1) 모든 누락된 데이터에 대해 자리 표시자(place holder)로 단순 대치(예: 평균)가 수행된다. (2) 누락된 부분이 가장 큰 변수가 누락된 데이터로 반환된다.(3) 변수가 다른 변수에서 회귀된다.(4) 결과가 수렴될 때까지 회귀가 반복된다. 회귀 모델에는 일반적으로 선형, 로지스틱 및 포아송 회귀가 포함된다. 특정 회귀 모델과 수렴 기준은 MICE 소프트웨어 패키지마다 다르다. 본 실시예에 의한 모델에서는 수렴 기준이 Δ < 0.1 인 선형 회귀를 적용하였다(즉, 이전 대치 값에서 새 대치 값의 상대적 변화가 0.1 미만 임).Several imputation methods have emerged to overcome the limitations of single imputation methods. The multiple imputation process is as follows. (1) A simple imputation (eg averaging) is performed with placeholders for all missing data. (2) The variable with the largest missing part is returned as missing data. (3) The variable is regressed from another variable. (4) The regression is repeated until the results converge. Regression models generally include linear, logistic, and Poisson regression. Specific regression models and convergence criteria are different for each MICE software package. In the model according to this example, linear regression with a convergence criterion of Δ < 0.1 was applied (ie, the relative change of the new imputation value from the old imputation value was less than 0.1).

MissforestMiss Forest

누락된 섹션이 포함된 빅 데이터를 처리하기 위해 제안된 Missforest 대치 방법은 범주 및 숫자 데이터 모두에 적용할 수 있는 다중 대치 수단이다. MICE와 유사한 대치 과정을 가지고 있지만 회귀 방법이 다르다. Missforest는 훈련에서 수많은 의사 결정 트리를 구성하고 여러 의사 결정 트리를 통합하여 평균 회귀를 생성하는 반복 랜덤 포레스트 회귀를 수행한다. Missforest의 계산 시간은 입력, 트리 수 및 반복 횟수로 제어 할 수 있다.The Missforest imputation method proposed to deal with big data with missing sections is a multiple imputation method applicable to both categorical and numeric data. It has a similar imputation process to MICE, but the regression method is different. Missforest performs iterative random forest regression, which constructs numerous decision trees from training and integrates multiple decision trees to produce a mean regression. The computation time of Missforest can be controlled by the number of inputs, the number of trees, and the number of iterations.

GRUD(GRU-Decay)GRUD (GRU-Decay)

누락된 데이터 자체를 교체하는 것 외에도 RNN의 구조를 수정하여 누락된 데이터를 활용할 수도 있다. 구조적으로 RNN은 모든 시계열 데이터에 동일한 매개 변수를 포함하므로 입력 데이터는 훈련된 모델의 데이터 차원 수와 일치해야한다. 모든 변수 및 척도에 대해 실수로 데이터 손실이 발생할 수 있으므로 기존 RNN 모델은 입력이 누락되면 출력을 만들 수 없다. 섹션이 누락된 다변수 시계열 데이터를 활용하기 위해 GRUD 모델이 제안되었다.In addition to replacing the missing data itself, it is also possible to utilize the missing data by modifying the structure of the RNN. Structurally, RNNs contain the same parameters for all time series data, so the input data must match the number of data dimensions of the trained model. Existing RNN models cannot produce an output if the input is missing, as accidental data loss can occur for all variables and scales. A GRUD model was proposed to utilize multivariate time series data with missing sections.

GRUD 모델은 누락된 데이터의 영향을 줄이기 위해 기본 GRU 구조에 대치 및 가중치 감쇄 메커니즘을 추가한다. 감쇄항(γ)은 누락된 데이터의 감소를 나타내며 훈련에서 결정된다. 감쇄항이 γ인 감쇄 메커니즘은 다음의 수학식 5와 같다.The GRUD model adds imputation and weight decay mechanisms to the underlying GRU structure to reduce the impact of missing data. The attenuation term (γ) represents the reduction in missing data and is determined in training. The attenuation mechanism in which the attenuation term is γ is expressed in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00018
Figure pat00018

여기서 γt는 감쇄항이고 m은 데이터의 누락된 상태를 보여주는 마스킹이다. 감쇄항은 수학식 5의 식(7)에서와 같이 훈련된 가중치와 변수의 바이어스를 가진 지수화된 음의 정류기에 의해 결정된다. 입력 및 은닉 상태는 수학식 5의 (8)식 및 (9)식 에서와 같이 수정된 입력 및 은닉 상태로 시간이 지남에 따라 감쇄항만큼 감소한다.where γ t is the attenuation term and m is the masking showing the missing state of the data. The attenuation term is determined by an exponentialized negative rectifier with trained weights and variable bias as in Equation (7) of Equation 5. The input and hidden states are modified input and hidden states as in Equations (8) and (9) of Equation 5, and decrease by the decay term over time.

도 6은 입력이 누락된 GRUD의 구조를 보여준다. 현재 입력 xt는 사용할 수 없으므로

Figure pat00019
로 대체된다. 이 값은 마지막으로 관찰된 값에서 감쇄항 γxt가 있는 매개 변수의 평균값으로 감쇠된다. 은닉 상태
Figure pat00020
은 감쇠율 γht로 감쇠하며, 이는 출력 생성시 입력의 영향이 축소됨을 의미한다. 이것은 사고 진단 분류를 위한 시스템과 같이 실제 작업을 수행하는 RNN 모델에서 GRUD와 대치 로직을 결합하는 것과 같은 통합 모델 설계에 유리하다. 센서 결함 완화 시스템에서 누락된 데이터를 나타내는 필수 마스킹 입력 (수학식 4의 (6)식 참조)은 상술한 바와 같이 결함 모니터링 시스템에서 제공될 수 있다. 6 shows the structure of a GRUD in which an input is omitted. Since the current input x t is not available
Figure pat00019
is replaced by This value is attenuated from the last observed value to the average of the parameters with the decay term γ xt . stash
Figure pat00020
is attenuated with the attenuation factor γ ht , which means that the influence of the input on generating the output is reduced. This is advantageous for integrated model design, such as combining GRUD and substitution logic in RNN models that perform real tasks, such as systems for accident diagnosis classification. The required masking input (refer to Equation (6) of Equation 4) representing missing data in the sensor fault mitigation system may be provided by the fault monitoring system as described above.

위의 네 가지 접근 방식을 사용하여 두 가지 내결함성 진단 구조를 개발하였다. 첫 번째 구조는 누락된 데이터를 회귀 기반 대치 방법(KNN, MICE 또는 Missforest)으로 대체하고 GRU로 진단하는 방법이다. 두 번째 구조는 누락된 부분이 있는 데이터를 GRUD에 입력하는 구조이다. 첫 번째 구조의 세 가지 방법은 아래에서 비교된다. Using the above four approaches, two fault-tolerant diagnostic constructs were developed. The first structure is a method of replacing missing data with a regression-based imputation method (KNN, MICE or Missforest) and diagnosing it with GRU. The second structure is to input data with missing parts to GRUD. The three methods of the first structure are compared below.

4. 센서 결함에 강인한 시스템의 실험 결과4. Experimental results of a system resistant to sensor faults

원자력 사고 데이터는 웨스팅 하우스 940 MWe 가압 수로의 소형 핵 시뮬레이터(CNS)에서 소형 규모로 생성되었다. 채용된 CNS는 한국 원자력 연구원(KAERI)에서 개발하였다. 이 시뮬레이터는 원자력 분야에서 여러 데이터 기반 기계 학습 응용 프로그램의 소스로 사용되었다. CNS는 자세한 오작동 옵션을 사용하여 비상 또는 사고 데이터를 생성할 수 있다. 모든 사고 현상을 모의 실험할 수 없는 이론적 가정을 가진 단순화된 1 차원 모델이지만 단시간에 대량의 데이터를 생성할 수 있다. CNS가 생성한 2217 개의 공정 매개 변수 중 EOP의 기존 진단 절차를 기반으로 여기에서 41 개의 매개 변수를 선택하고 특정 사고 증상을 나타내는 매개 변수를 포함하였다. 데이터 수집 기간은 IAEA 안전 보고서의 권장 사고 진단 시간 제한을 참조하여 900 초로 설정되었다.Nuclear accident data were generated on a small scale on a compact nuclear simulator (CNS) at the Westinghouse 940 MWe pressurized waterway. The adopted CNS was developed by the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI). This simulator has been used as a source for several data-driven machine learning applications in the nuclear sector. The CNS can generate emergency or accident data with detailed malfunction options. It is a simplified one-dimensional model with theoretical assumptions that cannot simulate all accident phenomena, but can generate large amounts of data in a short time. Among the 2217 process parameters generated by the CNS, 41 parameters were selected here based on the existing diagnostic procedure of EOP and parameters representing specific accident symptoms were included. The data collection period was set to 900 seconds, referring to the recommended incident diagnosis time limit in the IAEA safety report.

선택된 모든 파라미터들은 원자로 트립 및 다양한 안전 시스템의 작동과 함께 비상 상황에서 비선형적이고 불안정한 변화를 보여준다. 또한 데이터에는 기화로 인해 발생하는 진동과 같은 예상치 못한 현상 등의 세부적인 오작동 옵션과 다른 다양한 사고 증상이 포함되어 있다. 표 1은 관련 데이터 세트 수와 함께 시뮬레이션된 사고를 나열한다.All selected parameters show non-linear and unstable changes in emergency situations with reactor trips and operation of various safety systems. The data also includes detailed malfunction options, such as unexpected phenomena such as vibrations caused by vaporization, as well as various other accident symptoms. Table 1 lists the simulated incidents along with the number of relevant data sets.

Figure pat00021
Figure pat00021

5 개의 광범위한 원전 사고 범주에서 9 개의 상세한 사고 시퀀스 데이터를 추출하여 다양한 사고 특징을 생성하는 심각도(severity) 또는 파손 위치(break location)로 나뉘어진 1850 데이터를 추출하였다. 냉각수 손실 사고(LOCA) 데이터는 기준에서 파손 크기(break size)에 따라 소 / 중 LOCA와 대형 LOCA로 구분되었으며, 다른 LOCA 유형과는 다른 증상으로 파일럿 작동 릴리프 밸브(PORV) LOCA가 추가되었다. 주 스팀 라인 브레이크라고도하는 과잉 스팀 요구 이벤트(ESDE)는 각각 매우 다른 증상을 나타내므로 내부 및 외부 격리로 분리되었다. 일반적인 스퓨리어스 원자로 트립 사고로 원자로 냉각재 펌프(RCP) 고장과 원자로 보호 시스템(RPS) 고장이 선정되었다. 데이터 중 453 개의 테스트 세트가 무작위로 선택되었고 나머지 1397 개는 훈련 및 검증에 사용되었다.By extracting 9 detailed accident sequence data from 5 broad nuclear accident categories, 1850 data were extracted, divided by severity or break location, generating various accident characteristics. The coolant loss accident (LOCA) data was divided into small / medium LOCA and large LOCA according to the break size in the standard, and a pilot operated relief valve (PORV) LOCA was added as a symptom different from other LOCA types. Excess Steam Demand Events (ESDEs), also known as main steam line breaks, have been separated into internal and external isolation as each exhibits very different symptoms. Reactor coolant pump (RCP) failure and reactor protection system (RPS) failure were selected as common spurious reactor trip accidents. Of the data, 453 test sets were randomly selected and the remaining 1397 were used for training and validation.

진단 알고리즘 훈련 전에는 신경망 모델의 효율적인 훈련을 위해 모든 데이터 세트 중에서 수집된 최대 및 최소 변수 데이터를 기반으로 모든 훈련 및 테스트 데이터에 대해 최소-최대 정규화를 수행하였다.Before training the diagnostic algorithm, min-maximal normalization was performed on all training and test data based on the maximum and minimum variable data collected among all datasets for efficient training of the neural network model.

사고 진단 알고리즘 테스트 결과Accident Diagnosis Algorithm Test Results

GRU 모델 말단의 SoftMax 기능은 수치적으로 정규화된 출력을 생성하지만 상태를 식별하기 위한 정확한 기준은 없다. 사고의 유형과 규모에 따라 다양한 증상이 있지만 많은 연구에서 RNN을 통해 사고를 성공적으로 식별할 수 있음이 밝혀졌다. 진단 알고리즘의 안정성과 견고성을 평가하려면 실제 사고 라벨의 지속적으로 높은 출력을 생성해야 한다. 이러한 이유로 진단 알고리즘의 철저한 평가를 위한 간단한 기준을 설정하였다. 사고 발생 후 증상이 나타날 수 있는 충분한 시간이 필요하다. 본 실시예에서 사고 진단의 성공 기준은 실제 SoftMax 출력이 200 초에서 시뮬레이션 종료(900 초)까지 최대값을 유지할 때로 가정한다.The SoftMax function at the end of the GRU model produces a numerically normalized output, but there is no exact criterion for identifying the state. Although there are different symptoms depending on the type and scale of the accident, many studies have shown that RNNs can successfully identify accidents. To evaluate the stability and robustness of a diagnostic algorithm, it is necessary to generate a consistently high output of real accident labels. For this reason, a simple criterion for the thorough evaluation of the diagnostic algorithm was established. Sufficient time is required for symptoms to appear after an accident. In this embodiment, it is assumed that the success criterion of the accident diagnosis is when the actual SoftMax output maintains the maximum value from 200 seconds to the end of the simulation (900 seconds).

주입된 센서 결함을 테스트하기 전에 GRU로 구성된 진단 알고리즘을 처음에 평가해야한다. GRU 모델의 테스트 결과는 결함없는 데이터가 있는 453 개의 테스트 세트 중 사고 유형을 분류할 수 있도록 표 2에 설명되어 있다. 경계값 근처에서 파손 크기가 있는 S / MLOCA 및 LLOCA 테스트 데이터에서 불안정한 경향이 관찰되었다. 그럼에도 불구하고 출력은 모든 시간 순서에서 올바른 진단을 유지하였다. 다음으로 진단 알고리즘의 성능 저하를 5 개의 선택된 센서 결함 모드로 분석하여 각 센서에 대해 총 2265 개의 테스트 데이터를 제공하였다. 센서 결함 데이터는 사고 유형에 따라 다양한 트렌드가 있고 진단 절차 순서에 큰 영향을 미치는 7 가지 공정 파라미터를 대상으로 생성되었다. 본 실시예에서는 단일 센서 결함만 가정한다. 표 2에서 볼 수 있듯이 센서 결함는 특정 오류 주입 센서에 따라 열화 정도가 달라 진단 성능을 현저히 저하시킨다. 이 매개 변수는 증기 발생기 튜브 파열(SGTR)을 다른 사고와 구별하는 데 중요한 요소이기 때문에 2 차 방사선 센서 결함에서 가장 큰 성능 저하가 발생하였다. 도 7은 정상 데이터에서 SGTR을 성공적으로 식별하고 2 차 방사선 센서 결함로 인한 진단 실패를 보여준다.Before testing the injected sensor fault, the diagnostic algorithm composed of the GRU should be initially evaluated. The test results of the GRU model are described in Table 2 to classify the accident types among the 453 test sets with defect-free data. An instability trend was observed in the S/MLOCA and LLOCA test data with fracture sizes near the threshold. Nevertheless, the output maintained a correct diagnosis in all time sequences. Next, the degradation of the diagnostic algorithm was analyzed with five selected sensor failure modes, providing a total of 2265 test data for each sensor. The sensor fault data were generated for seven process parameters, which have different trends depending on the type of accident and have a significant impact on the diagnostic procedure sequence. In this embodiment, only a single sensor failure is assumed. As can be seen in Table 2, sensor faults significantly degrade diagnostic performance because the degree of degradation varies depending on the specific fault-injected sensor. Because this parameter is an important factor in differentiating steam generator tube rupture (SGTR) from other accidents, the greatest degradation occurred in secondary radiation sensor faults. Figure 7 shows the successful identification of SGTR in normal data and diagnostic failure due to secondary radiation sensor failure.

Figure pat00022
Figure pat00022

대치 모델의 성능 평가Evaluating the performance of imputation models

가장 정밀한 대치 모델을 선택하기 위해 섹션 3.3에 설명된 대치 방법들에 대하여 정확도를 측정하였다. 평균 대치도 KNN, MICE 및 Missforest의 세 대치 방법의 기본 방법이기 때문에 비교 연구에 포함되었다. 원래 값에서 재구성된 데이터의 오류는 시간에 따른 평균 형식으로 수집되었다. 빠른 대응이 필요한 사고 상황에서 중요한 요소이기 때문에 성능 비교를 위해 계산 시간도 수집되었다. 모델 매개 변수의 조정은 대치 정확도와 계산 시간 모두에 영향을 주지만 여기서 이러한 조정은 모델 성능의 주요 결정 요인이 아닙니다. 대치 모델에 대한 매개 변수(예 : KNN의 가장 가까운 이웃 수 또는 Missforest의 의사 결정 트리 수)는 계산 시간 20 초 미만에서 최고의 성능을 달성한 파일럿 테스트를 기반으로 고정되었다. 이 연구에서는 단일 센서 결함 만 가정 했으므로 MICE와 Missforest는 테스트에서 선형 및 무작위 포리스트 회귀의 단일 피팅을 처리한다. Accuracy was measured for the imputation methods described in section 3.3 to select the most precise imputation model. Mean imputation was also included in the comparative study because it is the default method for the three imputation methods of KNN, MICE, and Missforest. Errors in the data reconstructed from the original values were collected in a time-averaged format. Calculation time was also collected for performance comparison because it is an important factor in an accident situation that requires a quick response. Adjustment of model parameters affects both imputation accuracy and computation time, but these adjustments are not a major determinant of model performance here. The parameters for the imputation model (e.g., the number of nearest neighbors in KNN or the number of decision trees in Missforest) were fixed based on pilot tests that achieved the best performance in less than 20 seconds of computation time. Since only a single sensor fault was assumed in this study, MICE and Missforest deal with a single fit of linear and random forest regression in their tests.

NPP의 일부 공정 매개 변수에는 여러 0 값이 포함되어 있다(예 : 방사성 물질 누출없이 0으로 유지되는 특정 방사선 경보). 그러나 센서의 실제 값은 평균 절대 백분율 오류와 같은 오류 백분율 메트릭의 분모로 삽입되어야한다. 이 문제를 해결하기 위해 Armstrong은 대칭 평균 절대 백분율 오차(sMAPE) 메트릭을 제안했으며, 이는 아래의 수학식 6과 같이 정의된다.Some process parameters in the NPP contain multiple zero values (eg certain radiation alarms that remain zero without radioactive material leakage). However, the actual value of the sensor should be inserted as the denominator of the error percentage metric, such as mean absolute percentage error. To solve this problem, Armstrong proposed a symmetric mean absolute percentage error (sMAPE) metric, which is defined as Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00023
Figure pat00023

여기서 At는 시간 t에서 실제 측정된 값을 나타내고 Ft는 대치된 값을 나타낸다. sMAPE에는 비대칭 문제가 있지만 음수가 아닌 실제 데이터에서는 문제가 되지 않다. 여기에서 sMAPE를 사용한 평가를 수행하여 4 가지 모델(평균, KNN, MICE 및 Missforest) 중에서 최적의 대치 방법을 선택하였다. 각 방법에는 계산 시간과 대치 정확도를 결정하는 중요한 매개 변수가 있다. 대치 모델의 비교는 훈련 데이터 세트와 동일한 샘플 데이터에서 누락된 센서 변수의 회귀(regression)를 기반으로 수행되었다. 백분율 오류와 계산 시간은 각각 표 3과 4에 나열되어 있다. 5 개의 변수는 41 개의 플랜트 매개 변수 중에서 무작위로 선택되어 변수의 특징과 독립적인 방법의 재구성 성능을 비교하였다.where A t represents the actual measured value at time t and F t represents the imputed value. Although sMAPE has an asymmetry problem, it is not a problem for non-negative real data. Here, an evaluation using sMAPE was performed to select the optimal imputation method among four models (mean, KNN, MICE, and Missforest). Each method has important parameters that determine computation time and imputation accuracy. Comparison of imputation models was performed based on regression of missing sensor variables in the same sample data as the training data set. The percentage error and calculation time are listed in Tables 3 and 4, respectively. Five variables were randomly selected among 41 plant parameters to compare the characteristics of the variables and the reconstruction performance of the independent method.

Figure pat00024
Figure pat00024

Figure pat00025
Figure pat00025

전반적으로 Missforest는 가장 낮은 오류로 가장 안정적인 결과를 제공하였다. MICE는 사고에 관계없이 단순한 패턴의 변수(Var #4)에서 좋은 성능을 보여 주어 선형 회귀의 특징인 것으로 보인다. 그러나 상수 제로 데이터를 포함하는 Var #2 및 #3의 경우 도 8(d)와 같이 성능이 급격히 감소하였다. KNN은 Min 오차에서 좋은 성능을 보였지만 성능이 불안정하여 비정상적인 경향을 보였다. 앞서 언급했듯이 실제 원전 비상 상황에 대한 적용 가능성을 결정하는 중요한 요소인 계산 시간 측면에서 MICE는 평균 계산 시간이 5 초 미만, Missforest가 약 9 초, KNN이 약 17 초를 보였다. 이 구조에서 계산 시간은 분기 수에 따라 결정되기 때문에 Missforest는 변수 간의 다양한 계산 시간을 제시하였다. 따라서 Var #4와 같이 다양한 추세를 가진 센서 값의 회귀는 계산하는 데 더 오랜 시간이 필요하였다.Overall, Missforest provided the most stable results with the lowest errors. MICE seems to be a characteristic of linear regression, showing good performance on a simple pattern of variables (Var #4) regardless of the accident. However, in the case of Var #2 and #3 including constant zero data, the performance was rapidly decreased as shown in FIG. 8(d). KNN showed good performance at Min error, but showed an abnormal tendency due to unstable performance. As mentioned earlier, in terms of calculation time, which is an important factor determining applicability to actual nuclear emergency situations, the average calculation time for MICE was less than 5 seconds, Missforest about 9 seconds, and KNN about 17 seconds. In this structure, since the calculation time is determined by the number of branches, Missforest presented various calculation times between variables. Therefore, the regression of sensor values with various trends, such as Var #4, required a longer time to calculate.

결과에 따르면 Missforest 기반 대치 법은 평균 오류, 최대 피크 오류 및 저렴한 계산 시간 측면에서 테스트된 방법 중 최고의 성능을 보여주었다. 따라서 센서 결함에서 누락된 데이터를 대체하기 위한 신호 재구성을 위해 Missforest가 이 작업에서 대치 도구로 선택되었다.Results showed that the Missforest-based imputation method performed best among the methods tested in terms of mean error, maximum peak error, and low computation time. Therefore, Missforest was chosen as the replacement tool in this work for signal reconstruction to replace missing data in sensor defects.

결함 완화 결과Defect Mitigation Results

Figure pat00026
Figure pat00026

센서 결함 완화 전략을 확인하기 위해 GRUD 및 Missforest 대치가 신뢰할 수 없는 센서 데이터에 적용되었다. 각 대치 방법은 7 개의 센서 결함가 포함된 테스트 세트로 테스트되었다. GRUD는 표 5와 같이 오류 상태에서 현저한 성능 회복을 보여주었다. 회복된 진단 정확도는 정확도 저하의 직접적인 영향을 받았다. 예를 들어 'Secondary RAD'에 대한 결함 데이터 중 가장 낮은 정확도는 완화된 결과에서 가장 낮은 복구 정확도와 연결된다. Missforest의 경우 모든 센서 결함가 복구되어 완전한 진단 정확도를 얻었다. 7 가지 센서 결함와 관련된 성능 저하 및 복구된 진단 정확도가 도 9로 도시되었다.GRUD and Missforest imputations were applied to unreliable sensor data to confirm the sensor fault mitigation strategy. Each imputation method was tested with a test set containing seven sensor defects. GRUD showed significant performance recovery under error conditions as shown in Table 5. The recovered diagnostic accuracy was directly affected by the decrease in accuracy. For example, the lowest accuracy among fault data for 'Secondary RAD' is associated with the lowest recovery accuracy in the mitigated results. For Missforest, all sensor faults were repaired, resulting in full diagnostic accuracy. The performance degradation and recovered diagnostic accuracy associated with 7 sensor faults are shown in FIG. 9 .

본 실시예에서, 먼저 GRU를 사용한 기본 진단 알고리즘이 준비된 453 테스트 데이터를 가정된 임계값으로 성공적으로 진단할 수 있음을 확인할 수 있다. 센서 결함 주입 후 진단 정확도는 평균 82.71%로 떨어졌다. 즉, 총 13,113 건의 테스트 데이터 중 2742 건의 실패 사례가 발생하였다. 첫 번째 결함에 대한 완화 전략으로 GRUD 기반 내결함성 전략을 적용하여 96.75 %의 현저한 정확도 회복을 달성했으며 총 3171 개의 테스트 데이터 중 103 개의 실패 사례가 관찰되었다. 두 번째 전략으로 Missforest는 완전한 진단 정확도 회복, 즉 3171 테스트 데이터 중 0 개 실패로 100 %를 달성하였다. 표 5는 최종 테스트 결과를 나열한다.In this embodiment, first, it can be confirmed that the basic diagnostic algorithm using the GRU can successfully diagnose the prepared 453 test data with the assumed threshold value. After implanting the sensor fault, the diagnostic accuracy dropped to an average of 82.71%. That is, out of a total of 13,113 test data, 2742 failure cases occurred. By applying the GRUD-based fault tolerance strategy as a mitigation strategy for the first fault, a remarkable recovery of 96.75% was achieved, and 103 failure cases were observed out of a total of 3171 test data. As a second strategy, Missforest achieved full diagnostic accuracy recovery, ie, 100% with zero failures of 3171 test data. Table 5 lists the final test results.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although it has been described with reference to the embodiment shown in the drawings in order to help the understanding of the present invention, this is an embodiment for implementation, it is merely an example, and various modifications and equivalents from those of ordinary skill in the art It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

3.1, 3.2, 3.3: 사고 진단 시스템의 각 단계3.1, 3.2, 3.3: Each stage of the accident diagnosis system

Claims (10)

원자로 트립(trip) 발생을 검출하는 단계;
센서 결함 발생 여부를 확인하는 단계;
상기 센서 결함에 대하여 GRU 알고리즘을 이용하여 사고를 진단하는 단계 및
상기 진단 결과를 출력하는 단계를 포함하는 원자로 사고 진단 방법.
detecting a reactor trip occurrence;
checking whether a sensor defect has occurred;
Diagnosing an accident using a GRU algorithm for the sensor defect; and
and outputting the diagnosis result.
제1항에 있어서,
상기 센서 결함 발생 여부를 확인하는 단계는,
일관성 지수(consistency index) 값이 0.7 이상 큰 경우에 센서 값이 정상인 것으로 파악하고,
상기 일관성 지수(consistency index) 값이 0.7 미만인 경우에 상기 센서에 결함이 있는 것으로 파악하는 원자로 사고 진단 방법.
According to claim 1,
The step of checking whether the sensor defect occurs,
If the consistency index value is greater than 0.7, it is determined that the sensor value is normal,
A reactor accident diagnosis method for determining that the sensor is defective when the consistency index value is less than 0.7.
제1항에 있어서,
상기 GRU 알고리즘을 이용하여 사고를 진단하는 단계는,
상기 GRU 알고리즘과 결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하는 알고리즘을 이용하여 수행하는 원자로 사고 진단 방법.
According to claim 1,
Diagnosing an accident using the GRU algorithm comprises:
A reactor accident diagnosis method performed by using the GRU algorithm and an algorithm for substituting data from a sensor in which a defect has occurred.
제3항에 있어서,
결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하는 알고리즘은,
KNN(K-nearest neighbours) 알고리즘, MICE 알고리즘 및 Missforess 알고리즘 중 어느 하나를 포함하는 원자로 사고 진단 방법.
4. The method of claim 3,
The algorithm that replaces the data of the defective sensor is,
A reactor accident diagnosis method comprising any one of a K-nearest neighbors (KNN) algorithm, a MICE algorithm, and a Missforess algorithm.
제4항에 있어서,
상기 KNN알고리즘은,
상기 결함이 있는 센서의 데이터와 가까운 K 개의 파라미터의 평균을 상기 결함이 있는 센서의 데이터로 대치하는 알고리즘인 원자로 사고 진단 방법.
5. The method of claim 4,
The KNN algorithm is
A reactor accident diagnosis method, which is an algorithm for replacing the average of K parameters close to the data of the defective sensor with the data of the defective sensor.
제4항에 있어서,
상기 MICE 알고리즘은,
누락된 데이터에 대해 자리 표시자(place holder)로 단순 대치하는 단계와, 상기 누락된 데이터가 가장 큰 변수가 누락된 데이터로 반환되는 단계와, 상기 변수가 다른 변수에서 회귀되는 과정 및 결과가 수렴될 때까지 회귀를 반복하여 수행하는 알고리즘인 원자로 사고 진단 방법.
5. The method of claim 4,
The MICE algorithm is
The steps of simply replacing the missing data with a place holder, the step of returning the variable having the largest missing data as the missing data, and the process and result of regressing the variable from the other variable are converged A method of diagnosing a nuclear accident, an algorithm that iterates through regression until
제1항에 있어서,
상기 Missforest 알고리즘은,
복수의 의사 결정 트리를 구성하는 단계와,
상기 의사 결정 트리를 통합하여 평균 회귀를 생성하여 반복 랜덤 포레스트 회귀를 수행하는 단계를 포함하는 알고리즘인 원자로 사고 진단 방법.
According to claim 1,
The Missforest algorithm is
constructing a plurality of decision trees; and
The method of diagnosing a nuclear accident, which is an algorithm comprising the step of integrating the decision tree to generate a mean regression and performing iterative random forest regression.
제1항에 있어서,
상기 GRU 알고리즘을 이용하여 사고를 진단하는 단계는,
상기 GRU 알고리즘으로 결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하지 않고 수행하는 원자로 사고 진단 방법.
According to claim 1,
Diagnosing an accident using the GRU algorithm comprises:
A method of diagnosing a nuclear accident that is performed without replacing the data of a defective sensor with the GRU algorithm.
제8항에 있어서,
상기 GRU 알고리즘으로 결함이 발생한 센서의 데이터를 대치하지 않고 상기 사고를 진단하는 단계는,
GRUD(GRU-Decay) 알고리즘을 이용하여 수행하는 원자로 사고 진단 방법.
9. The method of claim 8,
The step of diagnosing the accident without replacing the data of the sensor in which the defect has occurred with the GRU algorithm,
A nuclear accident diagnosis method performed using the GRUD (GRU-Decay) algorithm.
제9항에 있어서,
상기 GRUD 알고리즘은,
수학식
Figure pat00027

로 표현되는 원자로 사고 진단 방법.
(γt: 감쇄항, m: 마스킹,
Figure pat00028
는 각각 후보 게이트, W:가중치가 적용된 벡터, x, h는 각각 입력 및 숨김 상태, ⊙는 요소 별 곱셈(element-wise multiplication))
10. The method of claim 9,
The GRUD algorithm is
formula
Figure pat00027

A method of diagnosing a nuclear accident represented by .
(γt: attenuation term, m: masking,
Figure pat00028
where is a candidate gate, W: a weighted vector, x and h are input and hidden states, respectively, and ⊙ is element-wise multiplication)
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