大型集成概率安全分析软件系统的研究与发展

摘要

概率安全风险分析(PSA,Probabilistic Safety Assessment)方法是上世纪70年代以后发展起来的一种系统工程方法,在核能及其他高技术领域得到了广泛的应用。尤其在核电站设计、运行、维修、管理中起着必不可少的作用。目前国际核领域大型的PSA软件为数不多,20世纪80年代末以来,国内一些单位也进行了发展PSA软件的尝试,但都由于种种原因未形成规模,也未形成具有实用价值的产品。rn 当前中国正处于核电快速发展的时期,而自主化道路是中国核电发展的必然选择。核分析软件的自主化发展已引起业界广泛的关注,而目前我国核电站运行、设计或管理单位大多购买国外PSA软件(如RiskSpectrum等),由于体制、利益等方面的原因,国外公司不可能根据我国不同核电站需要及时改变其软件的功能,或专门为我国开发以PSA为核心的特殊应用软件(如Risk Monitor等),因此限制了我国核电站PSA应用研究,所以发展具有自主知识产权的国产PSA软件,不仅能满足中国快速发展核电的需求,也符合中国核电发展的长远利益。rn 核电站一般包括几十甚至几百个子系统及成千上万个部件的大型复杂系统,而PSA分析占用计算机资源和计算时间随模型复杂度的增长而呈量级的增长,所以要求PSA软件能在有限的计算机资源上快速分析这类系统是非常困难的。特别是一些算法如故障树分析和不确定性分析等仍处于不断研究和探索中,是国际PSA研究的热点和难点。rn 针对这种情况,中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所反应堆技术研究室与国内外多家单位合作组建了进行多学科交叉研究的FDS团队,其系统工程课题组长期从事PSA系列软件的研发工作,目前已开发了一套适用于大型复杂系统的概率安全分析软件系统-RiskA。rn 大型PSA软件发展涉及到很多难点,主要包括系统合理的架构设计、系统建模技术、故障树/事件树分析算法、数据库设计等方面。课题组对相关关键算法进行了深入研究及合理改进,得到一整套算法,主要包括:在传统的Faunet方法基础上增加了化简规则的化简算法;结合RiskA故障树分页式存储的数据结构,改进了线性模块化算法:根据ZBDD的结构及转换特点,建立了基于ZBDD的启发式排序算法;研究开发了一套完整的基于ZBDD并结合页式故障树存储结构改进的大型故障树最小割集分析的递归算法,包括'与'/'或'运算、模块展开、截断、布尔化简和故障树转换成ZBDD等系列算法;采用基于ZBDD的不展开模块直接利用最小割集计算顶事件概率的算法;针对不确定性分析,提出了一种新的抽样模拟方法;为较好地解决了概率截断对重要度计算误差问题,采用了自动概率截断和McFarm相结合的算法及事件树后果分析"三步法"等一系列算法。RiskA在综合研究目前已有PSA软件特点和发展趋势的基础上最大限度地考虑了国内实际应用需求和未来的功能扩展及版本升级。目前版本的主要功能有系统建模、故障树分析、事件树分析、不确定性分析、敏感性分析、重要度分析、数据管理与分析等。RiskA从设计到实现,从核心算法到用户界面等均按现代软件工程思想和统一标准自主开发,以保证总体结构合理、模块结构清晰以及数据结构紧凑等。组件式架构设计使用户可在此平台上定制个性化功能,也可根据实际需要进行二次开发。rn 目前RiskA已经发展到了较为成熟的阶段,对ITER聚变反应堆等多项实例的测试与成功应用表明了RiskA是一个有效的PSA分析工具。更高级版本也在不断的发展之中,扩展功能主要包括自动建树专家系统,核电站实时风险管理系统、维修计划优化、备件优化等。同时,RiskA所采用的故障树及事件树分析技术还可以应用到其他相关领域如可靠性分析,未来版本也拟新增可靠性分析相关功能,如FMEA分析、可靠性框图分析、可靠性优化等,使其具有良好的通用性,在其他领域得到更广泛的应用。