автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка и применение корреляционных методов в задачах технической диагностики

• / у , / //" ) ' ^ и'

Министерство общего и профессионального образования Обнинский Институт Атомной Энергетики

На нравах рукописи УДК 519.23.5:519.24

Цыкуиова Светлана Юрьевна

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ МЕТОДОВ В ЗАДАЧАХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность: 05.13.16- применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.А.Острейковский

Научный консультант кандидат ф.-м. наук, доцент Е.И.Островский

Обнинск, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................................4

Глава 1. Анализ литературы и постановка задачи

1.1. Основные определения, классификация, анализ задач и методов диагностирования оборудования ЯЭУ............................................................10

1.2. Состояние проблемы обнаружения разладки случайного процесса изменения ВПО......................................................................................................20

1.2.1. Основные понятия и определения......................................................20

1.2.2. Основные признаки, различающие постановку задачи о разладке и методы ее решения..................................................................................21

1.2.3. Краткий обзор и анализ методов..................... ....................................25

1.3. Постановка задач исследования.......................................................................30

Выводы по главе 1............................................:.......................................................31

Глава 2. Разработка корреляционного метода оценивания технического состояния оборудования АЭС по его выходным параметрам

2.1. Описание корреляционного метода обнаружения разладки стационарного

случайного процесса...............................................................................32

2.1.1. Формулировка критерия обнаружения разладки.............. .......................32

2.1.2. Определение оптимальной величины шага сканирования......... ................33

2.2. Получение асимптотик вероятности Р(и) выхода за границу доверительного интервала.......................................................................34

2.2.1. Основные положения и методы, используемые при вычислении оценок и асимптотически точных значений вероятности Р(ч)..........................34

2.2.2. Вычисление асимптотики вероятности Р(и) при фиксированном времени наблюдения Б^сош! за гауссовским процессом изменения ВПО.......................40

2.2.3. Вычисление асимптотики вероятности Р(и) при фиксированном времени наблюдения 8=сош1 за пегауссовским процессом изменения ВПО.....................51

2.2.4. Вычисление асимптотики вероятности Р(и) в общем случае (при S-»oo) для гауссовского процесса изменения ВПО.........................................................55

2.2.5. Вычисление асимптотики вероятности Р(и) при S—>оо для негауссовского процесса изменения ВПО...............................................................62

2.2.6. Вычисление асимптотики вероятности Р(и) в многомерном

случае............................................ .............................................................................83

2:3. Исследование состоятельности критерия обнаружения разладки в случае появления тренда выходного параметра оборудования ЯЭУ............................88

2.3.1. Постановка задачи.................................... ........................................................88

2.3.2. Получение выражений для ошибок первого и второго рода.......... ..............89

Выводы по главе II..................................................................................................95

Глава 3. Применение корреляционных методов в диагностировании оборудования АЭС

3.1. Краткое описание объекта исследования................................................97

3.2. Методика оценивания технического состояния оборудования ГЦН первого энергоблока КАЭС.................................................................................99

3.2.1. Исходные данные............................ ..............................................99

3.2.2. Методика оценивания состояния оборудования............ .....................102

3.2.3. Результаты анализа технического состояния оборудования ГЦН энергоблока ВВЭР-1000 КАЭС.........................................................108

3.2.4. Заключение и рекомендации по применению корреляционного метода...........................................................................................—111

3.3. Корреляционный метод оценки времени наблюдения за параметром....... 112

Выводы по главе III................................................................................114

Заключение........................;.........................................................................115

Список литературы.....................................................................................118

Приложения.................................................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Научно-технический прогресс приводит к появлению всё более сложных конструктивно и чрезвычайно опасных для обслуживающего персонала и окружающей среды уникальных систем (летательные аппараты, ядерные энергетические установки, химические комплексы и др.). В связи с печально известными авариями, произошедшими несколько лет назад в нашей стране'и зарубежом, особое внимание в настоящий момент уделяется вопросу безопасности функционирования атомных электростанций (АЭС). Вследствие этог о был разработан специальный документ, утвержденный ГОСАТОМ ЭНЕРГОНАДЗОРОМ от 6 июня 1989 года, в котором изложены принципы обеспечения безопасности АЭС. Это "Общие положения по обеспечению безопасности АЭС ((ОПБ-88) ННАЭ П-011-89 )", которые были введены в действие 1 июля 1990 года. На основании этого документа проводятся всевозможные мероприятия и меры по обеспечению безопасности АЭС и на сегодняшний день. Основные критерии и принципы, изложенные в данном документе представлены на рисунке 1.

В связи с тяжёлым экономическим положением России, которое коснулось всех отраслей народного хозяйства, в том числе и отрасли атомной энергетики, в настоящее время основные усилия направлены на «обеспечение безопасности АЭС в условиях уже реализованных технических решений» (т.е. на обеспечение безопасности уже дейс твующих АЭС).

По этому поводу в ОПБ-88 обязательной к выполнению является «система технических и организационных мер по тщательной, методичной диагностике и прогнозированию состояния оборудования».

К настоящему времени разработано и применяется множество методов диагностирования и прогнозирования состояния оборудования. Все они предназначены для решения основных задач диагностики, которые в ГОСТ20911-89 определены как следующие:

■ контроль технического состояния оборудования;

■ контроль функционирования оборудования;

■ поиск места и причин отказа (неисправности) оборудования;

Рис. 1. Основные критерии и принципы по обеспечению безопасности.

Г)

• прогнозирование технического состояния оборудования. '

При контроле технического состояния проводится проверка соответствия значений параметров оборудования требованиям технической документации и определение одного из видов технического состояния (исправное, работоспособное, отказ,...) в зависимости от значений параметров в данный момент времени.

Проверка исправности наиболее полно выясняет техническое состояние объекта и поэтому наиболее сложна. Работоспособность объекта определяется во всех режимах и при всех допустимых сигналах. Недостатком проверки исправности и работоспособности является то, что они не могут выполняться непрерывно в процессе работы-оборудования ЯЭУ.

Контроль функционирования представляет собой интерес потому, что он может выполняться непрерывно в процессе работы оборудования АЭС.

Пристального внимания заслуживает задача ранней диагностики по результатам оперативного технологического контроля выходных параметров оборудования как при контроле технического состояния, контроле правильности функционирования, так и при прогнозировании работоспособности оборудования АЭС. Под ранней диагностикой подразумевается задача идентификации аномалии состояния оборудования (или аномалии функционирования), когда его технологические параметры находятся в эксплуатационных пределах. В этом случае общей и необходимой для всех трех задач является проблема обнаружения так называемой «разладки» (изменение определенных свойств и характеристик) случайного процесса изменения выходных параметров оборудования.

При анализе проблемы обнаружения разладки случайного процесса возникает задача оценки фактора времени, т.е. какова должна быть длительность наблюдения за случайным процессом изменения выходных параметров (ВП), чтобы вычислять его характеристики с заданной точностью и доверительной вероятностью. Своевременное выявление наличия аномалий позволит повысить эффективность работы оборудования и обеспечить необходимый уровень безопасности его эксплуатации.

Все вышесказанное определяет актуальность и практическую значимость представляемой работы.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка и исследование методов, использующих новый подход к решению одной из задач диагностики и апробирование соответствующих методик при идентификации аномалий состояния оборудования в случае, когда значения его выходных параметров находятся в эксплуатационных пределах.

Цель исследования определила необходимость рассмотрения следующих задач:

• вычисление асимптотики вероятности выброса Р(и) разностного корреляционного нестационарного гауссовского процесса за границы доверительного интервала в случае, когда время измерения его ковариационной функции является фиксированной величиной (8=сот0;

• вычисление асимптотики вероятности выброса Р(и) разностного корреляционного нестационарного гауссовского процесса в общем случае, когда Б—>оо;

• вычисление асимптотики вероя тности Р(н) в многомерном случае (т.е. при наблюдении одновременно за несколькими параме трами);

• исследование критерия разладки случайного процесса изменения ВГТО при появлении тренда математического ожидания;

• разработка модели оценки фактора времени при контроле работоспособности оборудования.

Объектом приложения методов является оборудование ГЦН первого энергоблока Калининской АЭС с ВВЭР-1000, оборудование реактора БН-350. Исходной информацией явились данные оперативного технологического контроля выходных параметров оборудования ВВЭР-1000 и БН-350.

Теоретической и методической основой исследования и разработки являются асимптотические методы корреляционной теории случайных процессов и методы математической статистики.

При решении поставленных задач использовались параметрические и непараметрические методы проверки статистических гипотез, методы вычисления асимптотики одномерных и многомерных интегралов, свойства асимптотических

разложений устойчивых распределений.

Для реализации разработанных методик был разработан комплекс программ, с помощью которого производились все необходимые расчеты на IBM PC.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.

В первой главе изложены основные понятия и определения, используемые в работе, в соответствии с ГОСТ20911-89;-предложена классификация современных методов, принципов и задач диагностирования оборудования ЯЭУ; проведена классификация видов разладки случайных процессов и методов ее обнаружения; приведены существующие оценки вероятности выхода нестационарного гауссовского случайного процесса за установленную границу. На основе проведенного анализа литературы была сформулированы задачи исследования.

Во второй главе описан корреляционный метод и сформулирован критерий обнаружения разладки стационарного случайного процесса изменения ВП оборудования; кратко изложены основные положения и асимптотические методы, используемых для решения поставленных в первой главе задач; приведены вычисления точных асимптотик вероятности выброса нестационарного гауссовского процесса при различных временах наблюдения за его ковариационной функцией; доказана состоятельность критерия обнаружения разладки при появлении тренда случайного процесса и возможность его применения для обнаружения нестационарности по математическому ожиданию.

В третьей главе представлены методики и алгоритмы, реализующие разработанный корреляционный метод для анализа технического состояния оборудования ГЦН первого энергоблока Калининской АЭС, проведен анализ полученных результатов.

В заключении работы обобщаются результаты исследования, формулируются выводы и рекомендации по их практическому применению.

Список используемой Литературы состоит из 109 наименований.

В диссертации изложены и обоснованы следующие положения, выносимые автором на защиту:

• корреляционный метод и критерий обнаружения разладки случайного процесса изменения ВПО АЭС;

• асимптотики вероятности выброса случайного разностного

нестационарного гауссовского процесса при различных временах наблюдения за

*

параметром и для различных видов случайного процесса изменения этого параметра (гауссовского и негауссовского);

• асимптотики вероятности выброса случайного разностного нестационарного гауссовского процесса в многомерном случае; I

• модель оценки фактора времени при мониторинге технического состояния оборудования АЭС;

• методика анализа технического состояния оборудования ГЦН энергоблока КАЭС;

• результаты расчетов, необходимые для анализа состояния оборудования и оценивания параметров работоспособности с заданной точностью.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены асимптотически точные значения для вероятности выброса Р(и) нестационарного гауссовского случайного процесса за границу доверительного интервала, построенного для корреляционной функции стационарного случайного процесса изменения ВПО; получена асимптотика вероятности Р(о) для многомерного случая; предложен критерий обнаружения разладки стационарного случайного процесса изменения ВП оборудования, исследована и доказана возможность применения этого критерия в случае появления нестационарности случайного процесса изменения ВПО по математическому ожиданию; предложена модель оценки фактора времени при вычислении параметров работоспособности оборудования.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные методы доведены до методик, позволяющих обеспечить обоснованность выводов о техническом состоянии исследуемого оборудования в виде конкретных оценок и рекомендации.

Автор выносит сердечную благодарность своему консультанту д.т.н., доценту Островскому Е.И. за большую помощь в разработке научных основ диссертационной работы.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Обзор задач и методов диагностирования оборудования ЯЭУ

В период эксплуатации сложных технических систем, к которым относятся ЯЭУ, основной целью исследования систем является определение технического состояния элементов системы и системы в целом.

В соответствии с ГОСТ 20911-89 [24] определение технического состояния объектов носит название диагностирования.

Объект или его составные части, подвергаемые диагностированию называется объектом технического диагностирования.

Состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект называется техническим состоянием объекта.

В зависимости от исследуемого объекта и различных признаков классификаций все многообразие методов диагностирования можно разделить на следующие группы (табл. 1) [59]:

Таблица 1

Признак классификации Метод диагностирования

Вид диагностирования пп и 1 и Тестовый, функциональный

Природа контролируемых параметров Физический, параметрический

Временные характеристики контролируемых параметров Динамический, статический

Цели диагностирования Обнаружение неисправности, локализация неисправности, проверка правильности функционирования

Различают два вида технического диагностирования: тестовое и функциональное.

Тестовое техническое диагностирование - диагностирование, при котором на объект от системы контроля подаются специальные тестовые воздействия. При тестовом диагностировании обьект диагностирования (ОД) обычно не используется по прямому назначению, а работает только в целях его контроля.

Функциональное техническое диагностирование осуществляется в процессе непосредственного использования объекта контроля по назначению, когда на него поступают только рабочие воздействия, предусмотренные алгоритмом функционирования объекта и, поэтому, разрабатываются для контроля функционирования (КФ) оборудования, представляющей наибольший интерес. Анализ известных методов КФ позволяет выделить два основных подхода к контролю за техническим состоянием оборудования: в пространстве параметров и в пространстве сигналов (табл. 2) [59].

Таблица 2

Признак классификации Метод диагностирования

В пространстве параметров Словари дефектов Распознавание отказов Идентификация

В пространстве сигналов Анализ характеристик сигналов Ха�