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基于XGBoost的高中子注量率区域堆内构件螺栓可靠性评估方法

王文晖 万安平 邓朝俊 龚志鹏 张宏亮 叶洋涵 王鹏飞 刘璨贤 李乐章

王文晖, 万安平, 邓朝俊, 龚志鹏, 张宏亮, 叶洋涵, 王鹏飞, 刘璨贤, 李乐章. 基于XGBoost的高中子注量率区域堆内构件螺栓可靠性评估方法[J]. 核动力工程, 2022, 43(5): 154-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0154
引用本文: 王文晖, 万安平, 邓朝俊, 龚志鹏, 张宏亮, 叶洋涵, 王鹏飞, 刘璨贤, 李乐章. 基于XGBoost的高中子注量率区域堆内构件螺栓可靠性评估方法[J]. 核动力工程, 2022, 43(5): 154-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0154
Wang Wenhui, Wan Anping, Deng Chaojun, Gong Zhipeng, Zhang Hongliang, Ye Yanghan, Wang Pengfei, Liu Canxian, Li Yuezhang. Reliability Evaluation Method of Bolts of Reactor Internals in High-neutron-fluence-rate Region Based on XGBoost[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(5): 154-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0154
Citation: Wang Wenhui, Wan Anping, Deng Chaojun, Gong Zhipeng, Zhang Hongliang, Ye Yanghan, Wang Pengfei, Liu Canxian, Li Yuezhang. Reliability Evaluation Method of Bolts of Reactor Internals in High-neutron-fluence-rate Region Based on XGBoost[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(5): 154-162. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0154

基于XGBoost的高中子注量率区域堆内构件螺栓可靠性评估方法

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0154
基金项目: 核反应堆系统设计技术重点实验室运行基金(6142A070206);国家自然科学基金项目(51705455);浙大城市学院科研培育基金资助课题(J-202113);四川省应用基础研究计划项目(2019YJ0681);浙江省教育厅教师专业发展项目(FX2021111)
详细信息
    作者简介:

    王文晖(1997—),男,硕士研究生,现主要从事基于人工智能的核反应堆堆内构件可靠性分析研究,E-mail: 2630859135@qq.com

    通讯作者:

    邓朝俊,E-mail: scudcj@163.com

  • 中图分类号: TL38+7

Reliability Evaluation Method of Bolts of Reactor Internals in High-neutron-fluence-rate Region Based on XGBoost

  • 摘要: 堆内构件螺栓长期处于高温高压以及高辐射环境,连接围板与成形板的螺栓存在辐照促应力腐蚀开裂(IASCC)现象。为提前预测螺栓在应力腐蚀环境下的剩余寿命,减少核电厂的备件库存,本文采用 XGBoost预测堆内构件螺栓在高辐照环境下的剩余寿命。首先,对压水堆高中子注量率区域的全周期剩余寿命演化数据进行分析处理,获得相关性模型;然后,提出基于数据驱动的XGBoost预测螺栓剩余寿命,该方法具有较强的泛化性与较高的准确率,可以很好地评估高中子注量率区域螺栓的可靠性;最后,以35000个样本作为训练集、15000个样本作为测试集,与国际原子能机构(IAEA)经验公式计算值比较,结果表明,XGBoost 预测准确率高达99.93%,优于多元线性回归方法和AdaBoost(使用线性损失函数/使用平方损失函数/使用指数损失函数)方法。

     

  • 图  1  堆内构件螺栓空间结构

    Figure  1.  Space Structure of Bolts of Reactor Internals

    图  2  不确定性参数的概率分布

    Figure  2.  Probability Distribution of Uncertainty Parameters

    图  3  XGBoost流程图

    Figure  3.  XGBoost Flowchart

    图  4  节点总数与准确率关系折线图

    Figure  4.  Line Chart of Relationship between Total Number of Nodes and Accuracy Rate

    图  5  最大深度与准确率关系折线图

    Figure  5.  Line Chart of Relationship between Max. Depth and Accuracy Rate

    图  6  学习率与准确率关系折线图

    Figure  6.  Line Chart of Relationship between Learning Rate and Accuracy Rate

    图  7  XGBoost第60次建树部分图

    图中参数均为无量纲,下同

    Figure  7.  Part of XGBoost's 60th Tree Building

    图  8  XGBoost第100次建树部分图

    Figure  8.  Part of XGBoost's 100th Tree Building

    图  9  XGBoost第500次建树部分图

    Figure  9.  Part of XGBoost's 500th Tree Building

    表  1  5000次Monte Carlo直接抽样的概率分布

    Table  1.   Probability Distribution of 5000 Times of Monte Carlo Direct Sampling

    参数名分布类型均值标准差
    中子注量率/( cm−2·h−1)正态分布1.75×10161.75×1014
    压力/(N·mm−2)正态分布70.50.705
    屈服强度/(N·mm−2)正态分布2052.05
    温度/K正态分布603.156.0315
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    表  2  节点总数与对应准确率

    Table  2.   Total Number of Nodes and Corresponding Accuracy Rate

    节点总数1020304050
    准确率 0.2626 0.315648 0.3305 0.5801 0.7211
    节点总数 100 200 300 400 450
    准确率 0.9500 0.9977 0.9997 0.9998 0.9998
    节点总数 500 550 600 650 800
    准确率 0.9998 0.9998 0.9998 0.9998 0.9998
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    表  3  最大深度与对应准确率

    Table  3.   Max. Depth and Corresponding Accuracy Rate

    最大深度24681012
    准确率0.99720.99910.99960.99970.99970.9998
    最大深度1416182022
    准确率0.99980.99980.99980.99980.9998
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    表  4  学习率与对应准确率

    Table  4.   Learning Rate and Corresponding Accuracy Rate

    学习率0.010.020.030.040.05
    准确率0.99330.99980.99980.99980.9998
    学习率0.060.070.080.090.10
    准确率0.99980.99980.99980.99980.9997
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    表  5  XGBoost部分实际值、部分预测值、部分单条数据准确率和整体平均准确率

    Table  5.   Partial Actual Value, Partial Predicted Value, Partial Single Data Accuracy Rate and Overall Average Accuracy Rate of XGBoost

    数据序号实际值/h预测值/h单条数据准确率
    5828316402316188.20.9993
    44461329493329831.90.9990
    22862307950307488.10.9985
    14027315234315204.70.9999
    46918325307325410.70.9996
    36567306354306382.70.9999
    ……………………
    49509308087307971.00.9996
    15229307001307363.50.9988
    39413304068304297.10.9992
    39241306424306139.30.9991
    33567305332305093.50.9992
    整体平均准确率0.9993
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    表  6  XGBoost与其他模型的对比

    Table  6.   Comparison of XGBoost with Other Models

    模型RMSE整体平均准确率
    XGBoost100.570.9993
    AdaBoost(使用线性损失函数)672.930.9761
    AdaBoost(使用平方损失函数)605.460.9760
    AdaBoost(使用指数损失函数)688.020.9760
    多元线性回归146.700.9370
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  • [1] 杨武. 辐照促进应力腐蚀破裂研究的进展[J]. 材料保护,1994, 27(2): 1-4.
    [2] ISHIHARA T. Corrosion failures and related research subjects in light water reactor power plants[J]. Zairyo-to-Kankyo, 1990, 39(11): 621-629.
    [3] 赵和安. 我国核电发展及其与紧固件的关系[J]. 兵器装备工程学报,2018, 39(4): 131-137. doi: 10.11809/bqzbgcxb2018.04.028
    [4] 段远刚,赵晓刚,喻济兵. 压水堆堆内构件寿命管理中的关键问题[J]. 核动力工程,2003, 24(5): 401-404. doi: 10.3969/j.issn.0258-0926.2003.05.001
    [5] 谢航,葛亮,蔡家藩. 核电站堆内构件围板螺栓的超声检测[J]. 无损检测,2020, 42(10): 49-51. doi: 10.11973/wsjc202010010
    [6] 段远刚,许斌,唐传宝. 围板连接螺栓的辐照促进应力腐蚀裂纹研究[J]. 核动力工程,2007, 28(2): 62-65. doi: 10.3969/j.issn.0258-0926.2007.02.014
    [7] 邓平,孙晨,彭群家,等. 堆芯结构材料辐照促进应力腐蚀开裂研究现状[J]. 中国腐蚀与防护学报,2015, 35(6): 479-487.
    [8] 李守彬,孔晨光,范岩成. 核电厂围板螺栓裂纹的失效分析与超声检测[J]. 无损检测,2019, 41(1): 58-60. doi: 10.11973/wsjc201901014
    [9] WAS G S. Role of irradiation in stress corrosion cracking[M]//SICKAFUS K E, KOTOMIN E A, UBERUAGA B P. Radiation Effects in Solids. Dordrecht: Springer, 2007: 421-447.
    [10] 刘增瑞,徐杰,辛正高. “华龙一号”核反应堆围板和成形板组件的安装[J]. 装备机械,2018, 2(3): 16-21. doi: 10.3969/j.issn.1662-0555.2018.03.004
    [11] 张振声,孙立斌,王海涛. HTR石墨堆内构件应力评价概率论和确定论方法比较[J]. 核动力工程,2011, 32(S1): 57-60.
    [12] PHAM X T T, HO T H. Using boosting algorithms to predict bank failure: an untold story[J]. International Review of Economics & Finance, 2021, 76: 40-54.
    [13] ZHU M L. Construction of quantization strategy based on random forest and XGBoost[C]//Proceedings of 2020 Conference on Artificial Intelligence and Healthcare. Taiyuan: ACM, 2020: 5-9.
    [14] LI C, CHEN Z Y, LIU J B, et al. Power load forecasting based on the combined model of LSTM and XGBoost[C]//Proceedings of 2019 the International Conference on Pattern Recognition and Artificial Intelligence. Wenzhou: ACM, 2019: 46-51.
    [15] CHEN T Q, GUESTRIN C. XGBoost: a scalable tree boosting system[C]//Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. San Francisco: ACM, 2016: 785-794.
    [16] CHOI H S, KIM S, OH J E, et al. XGBoost-based instantaneous drowsiness detection framework using multitaper spectral information of electroencephalography[C]//Proceedings of 2018 ACM International Conference on Bioinformatics, Computational Biology, and Health Informatics. Washington: ACM, 2018: 111-121.
    [17] ZHANG D, CHEN H D, ZULFIQAR H, et al. Developing and applying machine learning-based methods in special function protein identification[J]. Computational and Mathematical Methods in Medicine, 2021, 2021: 6664362.
    [18] 陈梅. 秦山核电库存控制探讨[J]. 企业技术开发,2015, 34(24): 170,172.
    [19] International Atomic Energy Agency. Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety: PWR vessel internals: 2007 update[R]. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2007.
    [20] CHEN W, LEI X X, CHAKRABORTTY R, et al. Evaluation of different boosting ensemble machine learning models and novel deep learning and boosting framework for head-cut gully erosion susceptibility[J]. Journal of Environmental Management, 2021, 284: 112015. doi: 10.1016/j.jenvman.2021.112015
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-03
  • 修回日期:  2022-03-22
  • 刊出日期:  2022-10-12

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