Введение к работе
Актуальность исследования. Опыт эксплуатации атомных электростанций (АЭС) выявил необходимость, а также широкие возможности совершенствования информационной поддержки оперативного и управляющего персонала. В связи с этим практический и научный интерес представляет совершенствование представления информации о технологическом процессе от штатных для ВВЭР-1000 (водо-водяной энергетический реактор) систем.
В отчете INSAG-3 МАГАТЭ (International Nuclear Safety Advisory Group (Международная консультативная группа по ядерной безопасности международного агентства по атомной энергии), концепция безопасности АЭС базируется на применении эшелонированной защиты. Согласно этой концепции основной смысл безопасной работы АЭС заключается в предупреждении неконтролируемого выхода радиоактивных продуктов за пределы барьеров безопасности. Эти барьеры обеспечивают защиту населения и окружающей среды от ущерба и каждый следующий барьер работает, даже если предыдущие барьеры полностью или частично повреждены. Перечислим эти защитные барьеры.
Топливная матрица.
Оболочки ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов).
Граница первого контура.
Защитная оболочка или контейнмент.
Состояние защитных барьеров контролируется работой различных систем АЭС. Каждый из барьеров выполняет свои функции независимо от остальных. На самом последнем уровне, уже за пределами защитной оболочки АЭС, информация о радиационной обстановке собирается в пределах зоны наблюдения АСКРО (автоматизированной системы контроля радиационной обстановки), радиус которой составляет 30 км.
Например, Ростовская АЭС оснащена рядом штатных систем, контролирующих технологический процесс. Среди них основные:
Информационно-вычислительная система "Комплекс - Титан 2" (ИВС);
система внутриреакторного контроля (СВРК);
автоматизированная система контроля нейтронного потока (АКНП);
автоматизированная система радиационного контроля (АКРБ);
автоматизированная система контроля радиационной обстановки (АСКРО).
Поскольку каждая из указанных систем обеспечивает контроль технологического процесса в разных областях (основное оборудование, состояние активной зоны, радиационная безопасность, радиационная обстановка и т.д.), для получения обобщенной информации с целью мониторинга безопасности АЭС особый интерес представляет:
Возможность объединения информации, характеризующей состояние энергоблока от различных штатных для ВВЭР-1000 систем (ИВС, СВРК, АКНП, АСКРО) и её представление с помощью современных средств визуализации.
Создание архива технологической информации от основных штатных систем и инструмента анализа событий на энергоблоке.
Использование вычислительной сети АЭС в качестве основы для передачи технологической информации.
- Возможность создания мобильных рабочих мест для обеспечения контроля над состоянием энергоблока со стороны руководства АЭС.
Изложенное определяет разработку, создание и внедрение программно-технического комплекса мониторинга безопасности (ПТКМБ), обобщающего информацию о состоянии безопасности от разных систем АЭС и представляющего её в соответствии с принципами эшелонированной защиты, как актуальную задачу, направленную на обеспечение надежной и безопасной работы АЭС. Данная работа посвящена решению этой задачи.
Объектом исследования являются процессы развития программно-технического комплекса мониторинга безопасности Ростовской АЭС.
Целью работы является синтез оптимальной структуры развивающегося ПТКМБ. Для этой цели в работе должны быть решены следующие задачи:
Проведение анализа информационного пространства, описывающего технологические процессы АЭС;
Рассмотрение и критика существующих решений в области передачи и представления технологической информации АЭС;
Определение условий развития и критериев оптимальности развития сложной системы (ПТКМБ);
Получение графового представления структуры ПТКМБ на каждом из этапов развития;
Формирование уравнений развития ПТКМБ;
Детализация процессов передачи и представления данных в условиях обеспечения динамического стазиса ПТКМБ в виде системы уравнений преобразования информации;
Получение компонентов структурных уравнений преобразования информации, являющихся источниками погрешностей в работе ПТКМБ.
Методы исследования. Алгебраическая теория синтеза сложных систем, алгоритмические основы измерений, теория графов. Научная новизна работы:
Дано определение процесса развития программно-технического комплекса мониторинга безопасности АЭС как процесса присоединения к его исходной структуре новых структурных компонентов, отражающих аппаратные и алгоритмические изменения, отличающиеся возможностью неограниченного наращивания числа функциональных выходов.
Впервые синтезирована модель развития программно-технического комплекса на базе исходной структуры информационно-измерительной системы с помощью формализмов экстремальных множеств, неделимых графов и оценок информационного согласования, отличающаяся системным использованием критериев сложности функциональной представимости для выбора модулей модифицируемой структуры, устранения гамаков, то есть перемычек между графовыми путями, содержащими выбранные модули и информационной мерой согласования в последовательных ветвях графовых соединений выбранных модулей.
Впервые предложена методика оценки устойчивости развития структуры программно-технического комплекса при реализации новых функций и при изменении состава технических средств, основанная на теоремах оптимальности структурной и алгоритмической устойчивости.
Определены компоненты алгоритмической (методической) подсистемы программно-технического комплекса для оценки вклада каждого из них в полную ме-
тодическую погрешность информационно-измерительной системы, отличающиеся иерархической взаимосвязью, что позволяет понижать сложность компонентов и упрощать метрологический анализ в рамках нахождения значений погрешностей.
Достоверность результатов исследования подтверждена строгим аналитическим обоснованием полученных теоретических положений и хорошим соответствием экспериментально полученной информации расчетным данным.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенный метод проектирования сложной развивающейся информационной системы и критерии оценки оптимума процессов развития позволяют наращивать функциональные возможности реализованного на Ростовской АЭС ПТКМБ, а также обеспечивают возможность его применения на других АЭС, в том числе - с принципиально разными энергоблоками (например, Калининская, Нововоронежская АЭС).
По результатам включения информации от штатных для АЭС систем реализован вывод обобщенной информации в соответствии с концепцией эшелонированной защиты.
Создан программно-технический комплекс мониторинга безопасности как средство формализации и обобщения информации о состоянии барьеров безопасности на основе данных от разнородных систем Ростовской АЭС.
Разработаны оптимальные экранные формы представления обобщенных параметров безопасности с возможностью детализации и представления на удаленных АРМ и мобильных устройствах руководства Ростовской АЭС.
Благодаря ПТКМБ в процесс сопровождения эксплуатации Ростовской АЭС вовлечено большое число технических наблюдателей, экспертов и технологов.
Оптимальная структура и состав технических средств ПТКМБ позволяет рассматривать его как типовое решение для применения на других АЭС.
Результаты проведенных исследований внедрены на первом и втором энергоблоках Ростовской АЭС, используются во внутреннем и внешнем аварийных центрах Ростовской АЭС, в Кризисном Центре ОАО «Концерн Росэнергоатом» (КЦ РЭА), включены в эксплуатационную документацию. Разработанный ПТКМБ и результаты диссертационного исследования использовались во время комплексных противоава-рийных учений с группой оперативной помощи атомным станциям (КПУ-2008 с группой ОПАС) на Ростовской АЭС, в КЦ РЭА и в ЦТП - центрах технической поддержки.
Положения, выносимые на защиту:
Метод синтеза сложной информационно-измерительной системы в форме программно-технического комплекса, основанный на модификации алгоритмической подсистемы комплекса, позволяет развивать структуру путем неограниченного наращивания числа функциональных выходов измерительной системы с помощью композиции исходной программной подсистемы с модифицирующими модулями.
Модель процесса модификационного развития сложной информационно-измерительной системы, синтезированная с помощью экстремальных множеств, позволяет формализовать структуры исходной подсистемы и модифицирующих компонент и содержит операции присоединения, что дает возможность совершать преобразования модели на основе критериев развития.
Критерии процесса развития структуры сложной информационно-измерительной системы, учитывающие функциональные, структурные и информационные особенности изменений, которые возникают при композиционной модификации, позволяют оптимизировать процесс развития за счет выбора разбиения модифи-
пирующей подсистемы на модули, однородные по сложности функциональной представимости; распределения образованных модулей на неделимой структуре и согласования распределенных модулей по информационным критериям.
4. Условие структурной устойчивости (S-устойчивости), алгоритмической устойчивости (А-устойчивости) и информационной устойчивости (1-устойчивости), основанные на теоремах о структурной и алгоритмической устойчивости развития и определении меры информационной согласованности позволяют использовать критерии оптимального развития в рамках модификации сложной информационно-измерительной системы с целью синтеза оптимальной структуры развивающейся системы.
Соответствие паспорту научной специальности Диссертационная работа по объекту исследования, по методам решения поставленных задач и по полученным результатам соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении), а именно пункту 1-«Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем», пункту 2-«Новые методы и технические средства контроля и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем», пункту 6-«Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».
Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Межрегиональной научно-практической конференции «Молодые ученые России - теплоэнергетике» (Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 22-23 мая 2003г), на Международном Молодежном Ядерном Конгрессе в Торонто (IYNC-2004, Oral Presentation, Toronto, Canada (12 мая 2004г.), на Четвертой Международной Научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». (Москва, ВНИИАЭС, 16,17 июня 2004г.), на VII Международной научно-практической конференции «Безопасность ядерной энергетики», посвященной десятилетию пуска первого энергоблока Ростовской АЭС (Волгодонск, ВИТИ НИЯУ МИФИ, 22-23 сентября 2011г.), а также на научных семинарах кафедры ВТ ВолгГТУ.
Личный вклад автора. Аналитическое исследование процессов создания и развития сложной информационно-измерительной системы проводилось автором на основе обширного практического опыта, полученного с 2001 по 2011 год при создании и эксплуатации ПТКМБ на Ростовской АЭС. С 2008 года - в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем Ю.П. Мухой. Кроме того, непосредственный личный вклад автора в работу состоит в следующем:
Подготовлено решение ОАО «Концерн Росэнергоатом» о внедрении ПТКМБ в КЦ РЭА.
Подготовлены данные о переходных процессах по время нарушения в работе э/б №1 Ростовской АЭС 07.11.2003.
Координация работ по модернизации ИВС энергоблока №1 в части передачи информации в ПТКМБ.
Разработаны алгоритмы определения в ПТКМБ обобщенных показателей безопасности АЭС.
Подготовлено отраслевое решение по реализации системы передачи и представления данных 2 энергоблока Ростовской АЭС.
Обеспечено представление в ПТКМБ данных об аварии, моделируемой на полномасштабном тренажере (ПМТ), для проведения комплексных противоаварий-ных учений КПУ-2008 с группой ОПАС.
Публикации. По результатам данной работы имеется восемь публикаций (четыре из списка ВАК), список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка используемых источников из 109 наименований, 184 страниц текста , 22 иллюстраций , 17 таблиц.
