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 馮利法，未永飛，曹  強

 （國核電站運行服務(wù)技術(shù)公司，上海  200233）

摘要：核電站反應(yīng)堆控制棒組件在服役期間與導(dǎo)向架摩擦造成包殼管外表面磨損，對反應(yīng)堆的安全運行造成極大隱患，嚴(yán)重時甚至可能引起核安全事故。利用控制棒包殼管超聲和渦流檢測信息提取信號特征值對其磨損狀態(tài)進行評估，因單一特征信號反映的控制棒包殼管狀態(tài)信息存在局限性，采用模糊數(shù)據(jù)融合方法對超聲、渦流檢測特征信號進行融合，獲得更加全面、準(zhǔn)確的包殼管磨損狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，基于模糊數(shù)據(jù)融合的包殼管磨損狀態(tài)評估比單一傳感器對包殼管磨損狀態(tài)評估更為可靠。

關(guān)鍵詞：控制棒組件；包殼管磨損；模糊數(shù)據(jù)融合；狀態(tài)評估中圖分類號：TL43：TP274

 0引言

 核電站控制棒組件(Rod Cluster Control Assembly，以下簡稱RCCA)是通過吸收中子來控制核反應(yīng)堆反應(yīng)性的關(guān)鍵工具。隨著核電站運行時間的增加，控制棒包殼管長期與導(dǎo)向架摩擦而發(fā)生磨損。為準(zhǔn)確掌握控制棒包殼管的狀態(tài)及磨損增長的速度，以便及時更換影響反應(yīng)堆下一個燃料循環(huán)周期的RCCA，必須對RCCA進行檢測與評估。

 控制棒包殼管因管徑小壁厚�。ㄍ鈴綖�Φ9.7mm，壁厚為0.47 mm），處于高放射性的水下環(huán)境中，檢測難度高，目前主要通過超聲和渦流的檢測信號間接判斷其磨損的狀態(tài)。本文將模糊集理論與數(shù)據(jù)融合技術(shù)結(jié)合起來，應(yīng)用于控制棒磨損狀態(tài)的評估，對不同類型的信息進行處理，消除信息之間存在的冗余和矛盾，降低不確定性，從而更精確地估計包殼管的磨損狀態(tài)。

1  控制棒包殼磨損檢測系統(tǒng)組成

 控制棒包殼磨損檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)有超聲探頭8個(T1～T8)，兩個探頭間隔450，分別測量控制棒包殼管8個位置壁厚值；通過外穿過式渦流探頭測量控制棒包殼管磨損的截面積。該系統(tǒng)可測量表征磨損狀態(tài)的兩個特征參數(shù)：磨損深度值和磨損截面積比。

2基于模糊理論的數(shù)據(jù)融合算法

2.1  模糊數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 如圖1所示，超聲探頭用于檢測控制棒包殼管的壁厚，渦流探頭用于檢測控制棒包殼管磨損的截面積比。對每種探頭所得數(shù)據(jù)進行特征值的提取，并計算對應(yīng)磨損狀態(tài)的模糊隸屬度值，再根據(jù)決策規(guī)則進行磨損狀態(tài)的評估。模糊數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

2.2超聲檢測信息特征值的提取

 超聲檢測采用水浸聚焦探頭，從8個方向同時測量控制棒包殼管的壁厚。根據(jù)各點壁厚值判斷磨損情況，在有磨損位置使用最大內(nèi)接圓法擬合控制棒包殼管的外輪廓曲線，并得出控制棒的最大磨損值。最大內(nèi)接圓的求取方法如下：

 假設(shè)T1，T2，…，T8是根據(jù)8個超聲探頭測量的壁厚值計算的外輪廓位置（如圖3所示），從外輪廓位置可知T1，T2，T3，T8處存在磨損，則據(jù)此繪制最大內(nèi)接圓作為控制棒磨損處的外輪廓，內(nèi)接圓圓心為C，半徑為r。

 以控制棒包殼圓圓心為原點建立坐標(biāo)系，當(dāng)磨損處各測量點到內(nèi)接圓圓心的距離最小值達到最大時，該內(nèi)接圓為最大內(nèi)接圓。即目標(biāo)函數(shù)為：

其中：(x，y)為最大內(nèi)接圓的圓心坐標(biāo)；(x i，y i)為磨損處測量點的坐標(biāo)。

 式(1)的目標(biāo)函數(shù)屬于無約束條件非線性極值問題，調(diào)用MATLAB優(yōu)化工具箱中的函數(shù)Fminsearch進行求解，查找該多元函數(shù)在指定點附近的最小值。

2.3  渦流檢測信息特征值的提取

 控制棒包殼管磨損渦流檢測使用外穿過式線圈探頭測量控制棒包殼管橫截面的磨損量，渦流信號的幅值與磨損截面積成正比，如圖4所示。將被測控制棒包殼管實際的渦流信號幅值與曲線進行比對，確定控制棒包殼管的磨損截面積。

2.4  模糊關(guān)系矩陣的確定

當(dāng)多傳感器信息進行融合時，各傳感器的不確定性可用隸屬度函數(shù)表示，然后利用模糊變換進行數(shù)據(jù)處理。

對其做歸一化處理，得到歸一化的關(guān)系矩陣：

2.5模糊變換及決策規(guī)則

 根據(jù)傳感器的權(quán)重可確定權(quán)重模糊向量A=(a1，a2)，傳感器的權(quán)重a i（i=1，2，分別代表超聲探頭、渦流探頭兩種傳感器）歸一化處理得到權(quán)重模糊向量A*=（a1*，a2*）。

 在確定了權(quán)重模糊向量A*和模糊關(guān)系矩陣R*后，進行模糊加權(quán)線性變換：

3  實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

 表1給出了控制棒包殼管檢測的2組數(shù)據(jù)。超聲和渦流檢測測定包殼磨損4種狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)特征值分別設(shè)定為(0. 025，0.125，0.250，0.375)和(5%，15%，25%，50%)，權(quán)重系數(shù)向量為(0.5，0.5)。對表1數(shù)據(jù)進行特征提取和模糊融合，融合后的隸屬度和按照決策原則得到的評估結(jié)果見表2。

 從表2中可以看出，當(dāng)采用某種單一傳感器進行評估時，某些包殼磨損狀態(tài)無法評估，而融合后能夠進行準(zhǔn)確評估。而在某些情況下，某種傳感器單獨進行評估時，還可能出現(xiàn)單獨評估結(jié)果與融合評估結(jié)果有所差異。由此可見采用多傳感器模糊數(shù)據(jù)融合可大大減少由于單種傳感器信息量局限引起的評估偏差，降低不確定性，有效提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4結(jié)束語

 本文將多傳感器模糊數(shù)據(jù)融合應(yīng)用于控制棒包殼管的磨損狀態(tài)評估，介紹了磨損狀態(tài)評估的數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的模糊融合算法，并使用該方法對控制棒包殼管磨損狀態(tài)進行評估與監(jiān)督。實驗結(jié)果表明：該數(shù)據(jù)融合算法可綜合多種傳感器信息，多角度對包殼管磨損狀態(tài)進行信息挖掘，降低信息冗余與矛盾，有效提高狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性。