核动力装置系统复杂、参数众多,为确保安全性运行,需要操纵员对各系统和关键设备进行有效的状态监测,一旦发生异常,操纵员需要进行警报分析,识别故障原因,以便及时采取措施缓解故障的影响,确保核动力装置安全运行。然而由多个系统耦合、协作完成规定功能的核动力装置,即使单一设备发生故障,其故障影响也会在系统内部和系统之间传递,从而引发大量警报事件发生。主控制室操纵员虽然训练有素,但在缺乏有效后援的情况下,通常难以在短时间内理清引发系统异常的警报事件之间的因果联系,难以区分主要警报(始发警报)和次要警报(继发警报),也难以判断出导致主要警报发生的根本原因。操纵员往往承受高度的工作负荷和心理压力,容易导致人因失误,危及核动力装置的安全运行。因此,设计与开发功能完善的故障诊断系统来辅助操纵员完成对核动力装置运行状态的在线监测、警报分析与故障诊断等任务,已成为当今核安全领域的研究热点问题。论文详细分析了故障诊断技术的国内外研究现状,结合核动力装置的安全性需求和主控制室操纵员的认知特点,采用专家系统方法来设计与开发故障诊断系统,在统一的技术平台体系下完成数据采集、状态监测、警报分析与故障诊断等功能,来辅助操纵员进行决策。论文的主要工作如下:(1)采用多层流模型(MFM)与领域图相结合的方法对专家系统知识库进行设计。首先使用多层流模型把复杂系统进行分解,从认知科学的角度出发,运用符号学方法从系统目标、功能和物理部件三个角度描述复杂系统。然后,多层流模型进一步与专家系统中的领域图相融合,把相关推理规则汇集在领域图的实例上,通过这种方式,知识表示较为简洁,便于知识库的修改及扩充。(2)事件传播、事件逻辑、推理计算原则对专家系统的推理均有影响,本文设计了专家系统的推理模块,由多层流模型构建的领域图作为推理机的输入,在专家系统中实现了基于多层流模型的推理。通过仿真分析来验证所建知识库模型及推理机设计的正确性,诊断结果合理,仿真结果与实际情况相符。(3)本文的前提条件是假设从传感器采集到的数据真实有效,即忽略了由于传感器故障导致数据的不确定性。在这一前提下,针对在建立通用故障模型中遇到的观测点环路建模和互斥事件问题,提出了观测点状态保护建模技术。通过仿真分析,观测点的状态在推理过程中得到了保护。(4)本文设计并开发了故障诊断专家系统,实现了实时数据采集、状态监测、警报分析与故障诊断功能。其中,状态监测单元与故障诊断单元是相互独立且关联的两个模块,它们通过触发规则连接,这种设计方式易于单个模块的修改。分别通过通用故障和典型故障的仿真分析,故障诊断结果与实际情况相符,通过验证得出所建故障模型正确。另外,本文设计了最小全局解识别方法,通过仿真分析,程序计算结果与推理机诊断结果相同,该方法提供了一种更加便捷的寻找故障原因的途径。最后,本文实现了故障诊断专家系统的检验,通过仿真分析,即使是部分事件被触发,故障诊断专家系统仍可以诊断其故障原因。综上所述,本文的创新点主要包括以下几点:(1)提出了基于多层流模型的专家系统知识库设计方法。便于知识获取、知识表示、知识库的修改及扩充;(2)利用专家系统实现了故障实时警报分析和故障诊断功能,提出了传感器状态正确条件下故障诊断方法,缩小了故障诊断范围;(3)采用了最小割集算法,用于识别系统异常状态的最小全局解。