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基于卷积长短期记忆网络和人工鲸鱼算法的核反应堆运行事件诊断方法研究

孙原理 宋志浩

孙原理, 宋志浩. 基于卷积长短期记忆网络和人工鲸鱼算法的核反应堆运行事件诊断方法研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(4): 185-190. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0185
引用本文: 孙原理, 宋志浩. 基于卷积长短期记忆网络和人工鲸鱼算法的核反应堆运行事件诊断方法研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(4): 185-190. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0185
Sun Yuanli, Song Zhihao. Research on Diagnosis Method of Operational Events of Nuclear Reactor Based on Convolutional Long Short-term Memory Network and Artificial Whale Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(4): 185-190. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0185
Citation: Sun Yuanli, Song Zhihao. Research on Diagnosis Method of Operational Events of Nuclear Reactor Based on Convolutional Long Short-term Memory Network and Artificial Whale Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(4): 185-190. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0185

基于卷积长短期记忆网络和人工鲸鱼算法的核反应堆运行事件诊断方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0185
详细信息
    作者简介:

    孙原理(1983—),男,高级工程师,现主要从事核动力装置运行支持技术研究,E-mail: syl850122@126.com

  • 中图分类号: TL364+.4;TM734

Research on Diagnosis Method of Operational Events of Nuclear Reactor Based on Convolutional Long Short-term Memory Network and Artificial Whale Algorithm

  • 摘要: 当核电厂发生异常后应及时诊断原因,以避免对运行人员和周围环境造成严重后果。本文利用卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)网络可更好地提取数据的局部特征和记忆时间序列信息的特征,研究基于卷积长短期记忆(CLSTM)网络和人工鲸鱼算法的核反应堆运行事件诊断技术。通过核电厂反应堆模拟机仿真实验对本文所述方法进行测试,最终测试准确率为99.91%,证明了本文所述研究方法的有效性。相关研究成果可作为核电厂运行事件的一种诊断方法,有利于提高运行事件诊断的智能化和信息化水平,为核电厂的少人值守甚至无人值守提供技术基础,提高公众对核电厂的认识与信赖。

     

  • 图  1  基于CLSTM网络进行运行事件诊断流程图

    Figure  1.  Flow Chart of Operational Event Diagnosis Based on CLSTM Network

    图  2  运行事件诊断算法的基本流程图

    Figure  2.  Basic Flow Chart of Operational Event Diagnosis Algorithm       

    图  3  故障后控制棒的变化情况

    Figure  3.  Change of Control Rod after Failure

    图  4  核功率的仿真值和参考值

    Figure  4.  Simulation Value and Reference Value of Nuclear Power      

    图  5  人工鲸鱼群的全局最优解和平均适应度

    Figure  5.  Global Optimal Solution and Average Fitness of Artificial Whale Optimization

    图  6  CLSTM最优结构的训练和测试准确率

    Figure  6.  Training and Testing Accuracy of CLSTM Optimal Structure       

    图  7  CLSTM最优结构训练与测试的交叉熵损失

    Figure  7.  Cross Entropy Loss of CLSTM Optimal Structure Training and Testing

    表  1  稳态运行核电厂设计值与模拟机仿真值的对比

    Table  1.   Comparison Table of Steady-State Operating Nuclear Power Plant Design Values and Simulator Simulation Values

    参数设计值仿真值误差/%
    稳压器压力/MPa15.4015.440.23
    稳压器水位/m7.5987.590.12
    稳压器波动管温度/℃345.09344.860.06
    主冷却剂流量/(kg·s−1)4923.064923.970.02
    压力容器出口温度/℃326.70327.010.10
    压力容器入口温度/℃292.58293.980.10
    压力容器水位/m12.0212.010.08
    SG给水流量/(kg·s−1)532.72530.210.47
    SG蒸汽产量/(kg·s−1)526.30526.530.04
    SG出口蒸汽压力/MPa6.706.720.30
    SG出口蒸汽温度/℃285.8285.60.07
      SG—蒸汽发生器
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    表  2  CLSTM的最优网络结构

    Table  2.   Optimal Network Structure of CLSTM

    第1层卷积卷积核的数量34
    卷积核的尺寸2
    Dropout的比例0.148
    第2层卷积卷积核的数量203
    卷积核的尺寸5
    Dropout的比例0.367
    第3层卷积卷积核的数量234
    卷积核的尺寸5
    Dropout的比例0.495
    第4层卷积卷积核的数量85
    卷积核的尺寸2
    Dropout的比例0.1
    第1层CLSTM网络LSTM网络堆叠数量187
    Dropout的比例0.436
    第2层CLSTM网络LSTM网络堆叠数量102
    Dropout的比例0.275
    第3层CLSTM网络LSTM网络堆叠数量105
    Dropout的比例0.354
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    表  3  不同运行事件诊断模型的准确率和技术指标

    Table  3.   Accuracy and Technical Indexes of Different Operational Event Diagnosis Models

    结合人工鲸鱼算
    法的诊断模型
    FCNCNNGRULSTMCLSTM
    训练准确率0.76430.94120.98080.98860.9946
    测试准确率0.80750.96260.99690.99870.9991
    训练损失误差0.50860.17380.06560.03980.0226
    测试损失误差0.39350.14030.01480.00840.0028
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    表  4  不同优化算法下的诊断准确率

    Table  4.   Diagnosis Accuracy under Different Optimization Algorithms

    参数寻优算法最佳准确率/%平均准确率/%
    遗传算法94.8694.22
    基本粒子群算法93.9193.68
    增强粒子群算法95.7195.12
    人工鲸鱼算法98.8696.67
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-24
  • 修回日期:  2021-07-20
  • 刊出日期:  2022-08-04

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