基于数据挖掘的非能动系统功能可靠性评估方法研究
发布时间：2021-11-21 06:09
针对多维不确定性参数及小概率的功能失效问题,提出一种基于数据挖掘的功能可靠性分析方法。该方法将自举抽样响应面拟合模型及最优化线抽样技术相结合,进而高效获得非能动系统的功能可靠性。以西安脉冲堆为例,结合中破口失水事故,考虑输入参数及模型的不确定性,对其进行功能可靠性评价。结果表明,该自举抽样响应面模型具有较高的拟合度;最优化线性抽样技术具有很高的计算效率,同时又能保证很好的计算精度。因此,本研究的评价方法对非能动系统隐式非线性的功能失效分析具有很强的适应性。
【文章来源】：核动力工程. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
RELAP5计算节点图
中，n为不确定参数个数；g(X)=A-y(X)为功能函数，g(X)<0表示系统处于安全状态，g(X)>0表示系统处于失效状态，g(X)=0表示系统处于临界状态；A为失效准则；y(X)为热工水力学程序；fX(X)为变量X的联合概率密度函数。2功能可靠性分析方法2.1BRS拟合法非能动系统物理过程由热工水力学程序模拟，其功能函数是隐式的，可以通过构建失效RS的方法近似表达隐式功能函数。若用RS法直接求解，需要运行热工水力程序k(2n+1)次，当迭代次数k较大时，计算耗时[11]。为减少计算次数，采用BRS法构造功能函数。BRS法流程如图1所示。具体步骤如下：（1）样本点确定。本研究样本点分为2部分：①通过在不确定性参数区间内采用拉丁超立方法抽取M组输入向量，代入RELAP5程序计算相应输出向量；②在失效域附近采用重要密度函数进行抽样，抽取N组条件样本点，并由RELAP5程序计算相应输出量。（2）BRS功能函数系数计算。采用自举抽样从步骤（1）获得的样本点中产生t组自举样本作为输入样本，并由RELAP5程序计算相应输出量。利用最小二乘法计算出每组BRS功能函数系数，并计算均方根误差，以均方根误差最小为目标函数，确定BRS功能函数系数。（3）功能失效概率估算。从不确定性参数的分布中进行重要方向最优化线抽样模拟，代入步骤（2）的功能函数中，获得系统输出响应的累积分布函数，统计计算得到系统功能失效概率。BRS法可在失效域附近获得更多的失效样本点，通过数据挖掘的方式增加失效样本点数目，提高RS模型的拟合精度。BRS法需要运行热工水力学程序的次数比RS法少，以较小的计算代价完成热工水力学模型的快速模拟。图1响应面拟合方法流程图Fig.1FlowchartofResponseSurfaceFittingMethod2.2重要方向最优化线抽样法线?
82核动力工程Vol.41.No.2.2020图3燃料芯体最高温度对比关系图Fig.3CorrelationofFuelPeakTemperatureaRS法bBRS法图4RS法与BRS法To,max的预测结果对比Fig.4CorrelationbetweenRSandBRSPredictionforFuelPeakTemperature为便于比较，本研究同时采用了DMCS、AMCS和ISMCS等方法进行计算。图5为4种不同方法BRS模型计算的To,max概率密度函数和累积分布函数。由图5可见，To,max近似服从正态分布；ILS法抽样5000次的计算结果与DMCS法抽样1×105次的基准值吻合较好，但样本数却小很多，约为DMCS法样本数的1/20。不同方法计算的失效概率值（Pf）、单位变异系数（Δ）、相对误差（ξ）和计算时间（tcom）分别列于表2。由表2可见，DMCS法存在抽样效率低，计算耗时的缺点，在抽样数105次时才能达到误差要求；AMCS法和ISMCS法都属于重a概率密度函数b累积分布函数图5不同方法计算的To,max的概率密度函数和累积分布函数Fig.5EmpiricalPDFsandCDFsforFuelPeakTemperaturewithDifferentMethods表2不同计算方法的计算结果Table2ResultsofDifferentCalculationMethods计算方法NTPfΔξ/%tcom/hDMCS+BRS1×1053.583×10-317.2401325.8AMCS+BRS5×1053.175×10-310.6711.31747.4ISMCS+BRS2×1043.257×10-34.199.02393.3ILS+BRS5×1033.487×10-31.712.59242.8要抽样的蒙特卡洛方法，但对于非线性程度较高的热工水力过程，计算精度略差；ILS法的计算结果与基准值相近，具有较高的计算效率同时保持良好的计算精度。3.5不确定性参数灵敏度分析参考文献[15]计算不确定性参数归一化无量纲灵敏度系数，结果见表3?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于响应面拟合方法中国铅基研究实验堆非能动余热排出系统可靠性分析[J]. 潘晓磊,王家群,胡丽琴,汪建业,汪进. 核技术. 2016(05)
[2]The CDF and its sensitivity analysis of stochastic structure with stochastic excitation by advanced stratified line sampling[J]. SONG ShuFang,LU ZhenZhou,ZHANG WeiWeiNational Key Laboratory of Aerodynamic Design and Research,Northwestern Polytechnical University,YE ZhengYin. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2013(08)
[3]西安脉冲反应堆超设计基准事故动态特性分析[J]. 朱磊,陈立新,赵柱民,江新标,屠荆. 原子能科学技术. 2012(S2)
本文编号：3508934
【文章来源】：核动力工程. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
RELAP5计算节点图
中，n为不确定参数个数；g(X)=A-y(X)为功能函数，g(X)<0表示系统处于安全状态，g(X)>0表示系统处于失效状态，g(X)=0表示系统处于临界状态；A为失效准则；y(X)为热工水力学程序；fX(X)为变量X的联合概率密度函数。2功能可靠性分析方法2.1BRS拟合法非能动系统物理过程由热工水力学程序模拟，其功能函数是隐式的，可以通过构建失效RS的方法近似表达隐式功能函数。若用RS法直接求解，需要运行热工水力程序k(2n+1)次，当迭代次数k较大时，计算耗时[11]。为减少计算次数，采用BRS法构造功能函数。BRS法流程如图1所示。具体步骤如下：（1）样本点确定。本研究样本点分为2部分：①通过在不确定性参数区间内采用拉丁超立方法抽取M组输入向量，代入RELAP5程序计算相应输出向量；②在失效域附近采用重要密度函数进行抽样，抽取N组条件样本点，并由RELAP5程序计算相应输出量。（2）BRS功能函数系数计算。采用自举抽样从步骤（1）获得的样本点中产生t组自举样本作为输入样本，并由RELAP5程序计算相应输出量。利用最小二乘法计算出每组BRS功能函数系数，并计算均方根误差，以均方根误差最小为目标函数，确定BRS功能函数系数。（3）功能失效概率估算。从不确定性参数的分布中进行重要方向最优化线抽样模拟，代入步骤（2）的功能函数中，获得系统输出响应的累积分布函数，统计计算得到系统功能失效概率。BRS法可在失效域附近获得更多的失效样本点，通过数据挖掘的方式增加失效样本点数目，提高RS模型的拟合精度。BRS法需要运行热工水力学程序的次数比RS法少，以较小的计算代价完成热工水力学模型的快速模拟。图1响应面拟合方法流程图Fig.1FlowchartofResponseSurfaceFittingMethod2.2重要方向最优化线抽样法线?
82核动力工程Vol.41.No.2.2020图3燃料芯体最高温度对比关系图Fig.3CorrelationofFuelPeakTemperatureaRS法bBRS法图4RS法与BRS法To,max的预测结果对比Fig.4CorrelationbetweenRSandBRSPredictionforFuelPeakTemperature为便于比较，本研究同时采用了DMCS、AMCS和ISMCS等方法进行计算。图5为4种不同方法BRS模型计算的To,max概率密度函数和累积分布函数。由图5可见，To,max近似服从正态分布；ILS法抽样5000次的计算结果与DMCS法抽样1×105次的基准值吻合较好，但样本数却小很多，约为DMCS法样本数的1/20。不同方法计算的失效概率值（Pf）、单位变异系数（Δ）、相对误差（ξ）和计算时间（tcom）分别列于表2。由表2可见，DMCS法存在抽样效率低，计算耗时的缺点，在抽样数105次时才能达到误差要求；AMCS法和ISMCS法都属于重a概率密度函数b累积分布函数图5不同方法计算的To,max的概率密度函数和累积分布函数Fig.5EmpiricalPDFsandCDFsforFuelPeakTemperaturewithDifferentMethods表2不同计算方法的计算结果Table2ResultsofDifferentCalculationMethods计算方法NTPfΔξ/%tcom/hDMCS+BRS1×1053.583×10-317.2401325.8AMCS+BRS5×1053.175×10-310.6711.31747.4ISMCS+BRS2×1043.257×10-34.199.02393.3ILS+BRS5×1033.487×10-31.712.59242.8要抽样的蒙特卡洛方法，但对于非线性程度较高的热工水力过程，计算精度略差；ILS法的计算结果与基准值相近，具有较高的计算效率同时保持良好的计算精度。3.5不确定性参数灵敏度分析参考文献[15]计算不确定性参数归一化无量纲灵敏度系数，结果见表3?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于响应面拟合方法中国铅基研究实验堆非能动余热排出系统可靠性分析[J]. 潘晓磊,王家群,胡丽琴,汪建业,汪进. 核技术. 2016(05)
[2]The CDF and its sensitivity analysis of stochastic structure with stochastic excitation by advanced stratified line sampling[J]. SONG ShuFang,LU ZhenZhou,ZHANG WeiWeiNational Key Laboratory of Aerodynamic Design and Research,Northwestern Polytechnical University,YE ZhengYin. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2013(08)
[3]西安脉冲反应堆超设计基准事故动态特性分析[J]. 朱磊,陈立新,赵柱民,江新标,屠荆. 原子能科学技术. 2012(S2)
本文编号：3508934
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