Разработка и применение методов обнаружения изменения свойств и прогнозирования временных рядов в задачах диагностирования АЭС

4.1. Разработка программы анализа и обработки данных системы ПУЗК 76.

4.1.1. Постановка задачи.77.

4.1.2. Описание системы контроля и исходных данных.79.

4.1.3. Сглаживание результатов контроля.82.

4.1.4. Определение и предсказание порогов выявления дефектов. 84.

4.1.5. Определение координат дефектов.87.

4.1.6. Программа «УЗК-Аналитик» .90.

4.1.7. База данных результатов УЗК.90.

4.1.8.

Заключение

.103.

4.2. Анализ и обработка данных системы УЗК технологических каналов 104.

4.2.1. Постановка задачи.105.

4.2.2. Объекты и средства контроля .107.

4.2.3. Описание исходных данных .110.

4.2.4. Построение двухмерных цвето-яркостных диаграмм. 111.

4.2.5. Метод автоматического приведения данных к одной координате .116.

4.2.6. Программна «УЗК-Визуализатор» .119.

4.2.7.

Заключение

.121.

Выводы к главе 4 .122.

Заключение

.123.

Литература

.124.

Актуальность работы. Развитие атомной энергетики в значительной степени определяется решением проблем обеспечения безопасности и экономической эффективности при эксплуатации АЭС. Наряду с другими мерами, на решение этих проблем направлены разработка и внедрение систем и средств компьютерной поддержки оператора технической диагностики АЭС. Они в обязательном порядке закладываются в проекты новых блоков АЭС, а блоки, находящиеся в эксплуатации, дооснащаются ими. Требования к системам оперативной диагностики и системам неразрушающего контроля по быстродействию и вычислительным возможностям постоянно растут, увеличивается их сложность.

Современные системы диагностирования АЭС должны непрерывно выполнять в режиме реального времени наблюдение и анализ сотен сигналов (временных рядов). Часто задача ставится так, что необходимо контролировать эти потоки данных в совокупности, причем учитывая не только текущие значения, но и предысторию данных. Наряду с вычислением индивидуальных статистических характеристик каждого сигнала, необходимым становится также анализ их взаимных корреляций, в том числе с учетом запаздывания. Традиционные подходы с ростом числа сигналов и частоты поступления данных упираются в технические ограничения по памяти и быстродействию системы и не позволяют проводить обработку в режиме реального времени. Поэтому задачи, связанные с разработкой и применением методов и алгоритмов обработки и анализа информации, повышающие эффективность функционирования и управления сложными системами, к которым относятся ядерные энергетические установки, являются актуальными.

Обнаружение изменения свойств временных рядов (обнаружение разладки) и прогнозирование процессов относятся к классическим задачам технической диагностики. Традиционно используемыми методами для решения таких задач являются различные типы контрольных карт, корреляционный и спектральный анализ, авторегрессия и экспоненциальное сглаживание. Вместе с тем, сложность реальных процессов, их нелинейность и нестационарность, статистическая зависимость сигнала и помех, негауссовское распределение шумов, приводят к необходимости разработки новых методов и алгоритмов анализа данных.

В последние годы перспективными направлениями признаны нейронные сети различного типа, факторный и кластерный анализ сигналов, методы, основанные на использовании нечетких множеств [1]. Эти методы допускают как раздельное, так и совместное применение. Результаты анализа независимых компонент или вейвлет анализа, например, могут использоваться как обобщенные признаки при обучении нейронной сети. Отдельной и важной проблемой является разработка специализированных баз данных временных рядов, позволяющих эффективно работать в реальном времени с большим объемом динамической информации. Для решения этой задачи активно развивается технология обработки потоков данных, которая может дать значительные преимущества при применении к задачам управления и диагностики АЭС.

В настоящее время ведущими научно-конструкторскими институтами разрабатываются системы контроля течи трубопроводов АЭС, которые являются штатными, стационарными системами диагностирования и уже закладываются при проектировании АЭС. Эти системы должны быть автоматическими и работающими в режиме реального времени. Чтобы повысить эффективность работы таких систем, необходимо использовать современные подходы к анализу данных. Например, основной и важной проблемой является выявление источников акустических помех и построение математических моделей, по которым можно спрогнозировать поведение временных рядов и устранить такие помехи.

Другой задачей является разработка алгоритмов и программного обеспечения для анализа, принятия решений и обработки накопленной информации применительно к задачам неразрушающего контроля оборудования АЭС. В настоящее время для обнаружения дефектов в сварных соединениях трубопроводов АЭС широко используются переносные ультразвуковые системы контроля.

Проблемой является расшифровка результатов контроля, которая требует привлечение высоко квалифицированных специалистов сторонних организаций. Внедрение на АЭС автоматических систем позволит проводить контроль полностью силами штатного персонала лаборатории контроля металлов, снизить стоимость проведения контроля и повысить его оперативность.

Цель диссертации — разработка и применение методов и алгоритмов обработки и анализа временных рядов, исследовании системных связей и закономерностей функционирования оборудования реакторной установки, направленных на подавление шумов и выделение полезного диагностического сигнала, повышении эффективности управления, контроля и диагностики в системах акустического контроля течи и ультразвукового контроля сварных соединений.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Исследование эффективности совместного применения методов интеллектуального анализа данных и технологии обработки потоков данных для решения задач диагностики и принятия решений в процессе управления и эксплуатации АЭС.

• Исследование системных связей и закономерностей функционирования реакторной установки путем анализа сигналов систем акустического контроля течи и ультразвукового контроля оборудования АЭС с использованием современных методов обработки временных рядов.

• Разработка методов и алгоритмов визуализации, трансформации и анализа данных и их программная реализация в составе соответствующих систем контроля и диагностики оборудования АЭС.

Научная новизна работы.

• Впервые предложено и обосновано применение методов анализа потоков данных, включая сжатие данных на основе ортогональных преобразований и кластерный анализ сигналов, в задачах обработки больших объемов временных рядов в режиме реального времени в системах контроля оборудования АЭС.

• Впервые применены методы кластерного и факторного анализа для нахождения и интерпретации источников акустических шумов реакторной установки и их системных связей. Разработана математическая модель для предсказания акустических шумов, которая позволяет минимизировать их влияние на выявление течи трубопроводов.

• Выявлены зависимости порогов обнаружения дефектов от характеристик шумов сигнала. Впервые применен метод кумулятивных сумм для вычисления длины дефекта. Разработан алгоритм голосования для фильтрации ложных тревог.

• Разработаны методики нахождения координат и размеров дефектов и визуализации результатов контроля в виде двухмерных цвето-яркостных диаграмм.

Практическая ценность работы.

• Разработаны алгоритмы эффективного выявления течи и фильтрации ложных срабатываний для системы оперативной диагностики, выявлены и интерпретированы источники шумов, построены математические модели поведения акустических шумов при работе реактора на мощности. Полученные результаты используются в системе диагностики, работающей на Калининской АЭС.

• Разработан программный комплекс «УЗК-Аналитик"для автоматизированного анализа результатов ультразвукового контроля системой ПУЗК. Разработана база данных, в которой содержатся результаты контроля сварных соединений ДУ-300 трубопроводов АЭС с реакторами типа РБМК. Результаты используются на Смоленской и Курской АЭС.

• Разработан программный комплекс «УЗК-Визуализатор 2D"для визуализации, трансформации и анализа результатов УЗК сварного соединения приварки обоймы и основного металла наставки верхнего тракта ТК реактора РБМК-1000. Результаты используются на Курской АЭС.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Обоснование применения методов анализа потоков данных, включая сжатие данных на основе ортогональных преобразований и кластерный анализ, в задачах обработки больших объемов временных рядов систем контроля АЭС в режиме реального времени.

2. Результаты анализа данных и алгоритмы обработки сигналов системы акустического контроля течи реактора ВВЭР-1000, включая математическую модель для описания низкочастотных помех на основе метода группового учета аргументов, определение источников шумов и их системных связей методами кластерного и факторного анализа.

3. Результаты анализа и алгоритмы обработки данных УЗК сварных соединений трубопроводов АЭС, включая алгоритмы сглаживания, предсказания порогов, определения длины дефекта и минимизации ложных срабатываний, системы «УЗК-Аналитик"и «Визуализатор 2D», база данных УЗК сварных соединений и результаты анализа накопленной информации.

Достоверность научных положений. В ходе разработки все результаты проверялись на большом числе независимых выборок данных, полученных в процессе проведения измерений и контроля непосредственно на реакторных установках. Разработанные методы и алгоритмы показали свою работоспособность при применении на Курской, Смоленской и Калининской АЭС.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на семи международных конференциях:

1. VIII Международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров».- Обнинск: ИАТЭ, 2003;

2. X Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,—М.: МЭИ, 2004 г;

3. Международной выставке-конференции «Неразрушающий контроль в промышленности».— М.: ЦМТ, 2004 г.;

4. VII международной конференции.

Мягкие вычисления и измерения SCM'2004″. —Санкт-Петербург: СПбГЭТУ, 2004 г.;

5. 7th International Conference on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies (PRIA-7−2004).- St. Petersburg: SPbETU, 2004;

6. IX Международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров». — Обнинск: ИАТЭ, 2005 г.;

7. X Международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров».— Обнинск: ИАТЭ, 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Скоморохов А. О., Белоусов П. А., Нахабов А. В. и др. Система автоматизированного анализа результатов ультразвукового контроля сварных соединений трубопроводов АЭС // Сборник статей. Под ред. Адамова Е.О.— М.: ГУП НИКИЭТ, 2004. с. 275 ISBN 5−98 706−004−4 — С. 154−155.

2. Скоморохов А. О., Белоусов П. А., Нахабов А. В. и др. Автоматическое выявление дефектов по результатам УЗК сварных соединений трубопроводов АЭС // Известия вузов. Ядерная энергетика. — 2005. — № 2. — С. 16—25.

3. Белоусов П. А., Скоморохов А. О. Разработка и применение методов обнаружения изменения свойств и прогнозирования временных рядов в задачах диагностирования АЭС // Известия вузов. Ядерная энергетика. — 2006. — № 3. С. 3−12.

4. Skomorokhov А. О., Belousov P. A., Nakhabov А. V. Cluster analysis of ultrasonic testing data // Pattern Recognition and Image Analysis — 2006 — Vol. 16, no. 1- Pp. 82−84.

5. Белоусов П. А., Скоморохов А. О., Морозов С. Кластерный анализ сигналов системы акустического контроля течи // Известия вузов. Ядерная энергетика. — 2006.-№ 4-С. 3−12.

6. Скоморохов А. О., Белоусов П. А., Нахабов А. В. и др. «УЗК-Аналитик" — программа для анализа результатов ультразвукового контроля сварных соединений трубопроводов АЭС // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 006 610 877. Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 1 марта 2006 г.

7. Скоморохов А. О., Белоусов П. А., Нахабов А. В. и др. «База данных УЗК" — база данных по результатам ультразвукового контроля сварных соединений трубопроводов АЭС // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 006 612 043. Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 15 июня 2006 г.

8. Белоусов П. А. «УЗК-Визуализатор 2D" — программа для анализа и обработки данных УЗК сварного соединения приварки обоймы и основного металла наставки верхнего тракта технологического канала реактора РБМК-1000 // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 006 612 042. Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 15 июня 2006 г.

9. Морозов С. А., Ковтун С. Н., Белоусов П. А. и др. Основные источники фоновых акустических шумов главного циркуляционного контура реакторной установки ВВЭР-1000 // Атомная Энергия — 2007. Т. 103 вып. 3, № 207 — С. 161−166.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в решении задач, изложенных в диссертации, разработал методики, алгоритмы и программы автоматической обработки данных. По материалам, изложенным в диссертации, получены 3 авторских свидетельства на разработанные программы для ЭВМ и 3 акта о внедрении на Курской АЭС.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, куда входит 60 рисунков и список использованной литературы, включающий в себя 96 наименований, в том числе 17 работ автора.

Выводы к главе 4.

• Разработана база данных результатов ультразвукового контроля, которая содержит информацию о исходных результатах контроля и экспертных заключениях, накопленную с 2002 года со Смоленской и Курской АЭС.

• Проведен анализ результатов УЗК трубопроводов ДУ-300. Используя полученные результаты, разработаны алгоритмы для автоматической обработки данных и реализованы в программном комплексе «УЗК-Аналитик».

• Проведен анализ результатов УЗК сварного соединения приварки обоймы и основного металла наставки верхнего тракта ТК реактора РБМК-1000. Разработаны алгоритмы для автоматической обработки данных и реализованы в программном комплексе «УЗК-Визуализатор 2D».

• На все программные продукты были получены свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ [92−94] и получены акты о внедрении на Курской АЭС.

Заключение

.

Получен новый подход к разработке алгоритмов анализа и обработки временных рядов для систем технической диагностики АЭС с использованием технологии обработки потоков данных. Разработаны алгоритмы, которые позволяют увеличить скорость проведения корреляционного, кластерного, спектрального анализа, а также вычисления простых статистик, показана эффективность применения этих алгоритмов на практике.

Выявлены и интерпретированы источники акустических фоновых шумов, найдены их системные связи, построены математические модели поведения акустических шумов при работе реактора на мощности. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для более эффективного выявления течи и фильтрации ложных срабатываний системы на основе метода группового учета аргументов. Полученные результаты используются в системе диагностирования течи, работающей на Калининской АЭС.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для автоматизированного анализа результатов ультразвукового контроля системой ПУЗК, а также база данных, в которой содержатся результаты контроля сварных соединений ДУ-300 трубопроводов АЭС с реакторами типа РБМК. Программный комплекс «УЗК-Аналитик"и база данных используются на Смоленской и Курской АЭС.

Разработаны методики визуализации результатов контроля в виде двухмерных цвето-яркостных диаграмм и нахождения координат и размеров дефектов. С их использованием создан программный комплекс для анализа результатов УЗК сварного соединения приварки обоймы и основного металла наставки верхнего тракта ТК реактора РБМК-1000 «УЗК-Визуализатор 2D», который используется на Курской АЭС.