專利名稱：基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法
技術領域：
本發(fā)明屬于核電站(Nuclear Power Plants, NPPs)故障診斷領域，是松動件監(jiān)測系統(tǒng)(Loose Parts Monitoring System, LPMS)的一部分，應用于松動件跌落位置的估計。
背景技術：
核電站中由于腐蝕、折舊、摩擦而松動甚至跌落的金屬部件，還有在系統(tǒng)測試、補 給燃料、大修階段從外界進入系統(tǒng)的金屬碎片，這都會使得系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性降 低。松動件定位作為松動件檢測系統(tǒng)的重要組成部分，可以準確檢測出松動件跌落的位置， 進而將其取出，對于核電站的穩(wěn)定性和安全性有很大的幫助?，F(xiàn)有的松動件定位相關文獻 有[l]Dowon Lee，Jacek Jarzynski,H. BerthelotiA study of wavepropagation on a cylindrical shell using fiber optic laser Dopplervelocimetry[J], Acoustical Society of America，1993，91(1) 196-212. Dowon Lee，Jacek Jarzynski，H. Berthelot，基 于光纖激光多普勒測速的圓柱殼上波傳播研究[J]，美國聲學學會，1993，91(1) 196-212.[2]左言言，由頻率方程分析圓柱殼中的波動[J]，力學與實踐，1998，20(1) 24-26.[3]徐慕冰，張小銘，張維衡，充液圓柱殼的波傳播和功率流特性研究[J]，Journal of Vibration Engineering,1997,10(2) :230_235·[4]李嶷，孫長瑜，不同布陣方式下球面交匯定位系統(tǒng)性能分析[J]，聲學技術， 2008，27 (5) 649-653.[5]J. Kennedy, R. C. Eberhart, Particle swarm optimization[C]//Proc IEEE Int Conf Neural Networks, 1995 1942-1948. J. Kennedy, R. C. Eberhart，粒子群優(yōu)化算法 [C]//Proc IEEE Int ConfNeural Networks, 1995 1942-1948.[6]廖平，用粒子群優(yōu)化算法計算點到復雜曲面最短距離[J]，計算機仿真，2009， 26(8) 176-178.[7]B. J. Olma, Source location and mass estimation in looseparts monitoring of LffR[J], Progress in NuclearEnergy, 1985,15 :583_593.B.J. Olma，輕水反應堆中的松動件定位和質量估計[J]，核能進展，1985，15 : 583-593.輕水反應堆中的松動件定位和質量估計[8] Yong Beum Kim, Seon Jae Kim, Hae Dong Chung, et al · AStudy on Technique to Estimate Impact Location of Loose Part Usingffigner-Vi1Ie Distribution[J] · Progress in Nuclear Energy,2003,43(1-4) :261_266.Yong Beum Kim, Seon Jae Kim, Hae Dong Chung，等，一種基于Wigner—Ville 分布 的松動件定位方法研究[J]，核能進展，2003，43 (1-4) 261-266.[9]Gee Yong Park,Se Woo Cheon,Cheol Kwon Lee,et al AnEstimation Method for Impact Location of Loose Parts[J] Progress inNuclear Energy,2005,48 (2006)360-370.核反應堆的破損而造成的事故嚴重的威脅著核電站的安全。因此監(jiān)測反應堆中是 否有金屬跌落物，以及如何確定它的位置并將它取出，對于核電站的安全、可靠運行非常重 要。松動件定位方法主要有兩大類時域分析方法和頻域分析方法?，F(xiàn)有的松動件定位方 法都以平板為研究對象，對于圓柱可一般是將其展開當做平 板處理，由于圓柱殼上彎曲波 的軸向傳播速度和周向傳播速度不同，所以直接當做平板來處理會造成較大的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術誤差大，定位精度低的缺點，本發(fā)明提供了一種避免了由于波速 不一致造成的定位誤差，定位精度高的基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法。基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法，包括以下步驟1、在核反應堆一回路中安裝M個加速度傳感器，以獲取松動件跌落時產(chǎn)生的沖擊 信號，其中M彡4;2、同步采集各個傳感器接收到的沖擊信號，獲取各個傳感器接收到?jīng)_擊信號的時 間；3、根據(jù)圓柱殼的直徑和高度設定橫向坐標ζ、和縱向坐標s的約束范圍，在約束范 圍內(nèi)建立粒子群，以約束范圍內(nèi)的一點坐標作為粒子群的一個粒子，粒子的個數(shù)和迭代次 數(shù)根據(jù)經(jīng)驗設定；初始化所述的粒子群，初始化慣性權重、當前粒子的坐標、認知系數(shù)和社 會系數(shù)；4、獲取所有本次待迭代運算的粒子，對于每個粒子，以任意三個傳感器及其獲取 的沖擊信號為一組，估算該點的彎曲波的軸向速度和周向速度；分別獲取CL個軸向速度和CL個周向速度，并分別計算得到該點的軸向速度的方 差和周向速度的方差；尋找本次迭代中具有最小軸向速度方差和最小周向速度方差的當前最優(yōu)粒子，記 錄當前最優(yōu)粒子的坐標，及其軸向速度方差和周向速度方差；5、構建保存最優(yōu)粒子的Pareto最優(yōu)解池，計算當前最優(yōu)粒子與Pareto最優(yōu)解池 中的每一個粒子之間的相互支配關系；根據(jù)所述的支配關系更新Pareto最優(yōu)解池，更新全 局最優(yōu)值和各個粒子的局部最優(yōu)值；6、更新所有粒子的速度和位置，形成下一次迭代運算的粒子群；7、判斷是否達到預設的迭代次數(shù)若是，則輸出Pareto最優(yōu)解池中所有的粒子； 若否，則轉步驟4。8、在Pareto最優(yōu)解池中挑選一個粒子作為最終解，該粒子的坐標即為松動件的 跌落位置。進一步，步驟5中，更新Pareto最優(yōu)解池包括以下步驟5. 1、判斷本次迭代運算是否第一次迭代，若是，則將最優(yōu)粒子加入Pareto最優(yōu)解 池；若否，則比較當前最優(yōu)粒子與Pareto最優(yōu)解池的所有粒子的支配關系5. 2、若該粒子支配解池中的某些粒子，則刪除被支配的粒子，將該粒子加入解 池；
5. 3、若該粒子與解池中的粒子互不支配，則將該粒子加入解池；5. 4、若該粒子被解池中粒子支配則忽略。進一步，步驟4中，根據(jù)公式1計算獲得任意一組軸向速度和周向速度 其中，kA、kB、k。分別表示傳感器Α、傳感器B、傳感器C到撞擊點連接成直線的斜 率；t0為松動件敲擊的時間起始點；rAE、rBE、rCE為各傳感器到掃描點的距離；tA、tB、tc為各傳感器接收到信號的時間；Cz為軸向速度；Cs為周向速度；步驟4中根據(jù)公式(2)計算獲得軸向速度方差和周向速度方差 其中
為傳感器數(shù)量。

本發(fā)明將圓柱殼上的波傳播速度分為橫向速度和縱向速度，這與實際是相符的， 可以更好的描述波的傳播，避免了由于波速不一致造成的定位誤差。本發(fā)明采用基于粒子群的多目標優(yōu)化算法實現(xiàn)快速搜索求解，減少計算時間，搜 索出非劣最優(yōu)解集，最后程序從解集中隨機挑選一個作為最終解或者決策者自行挑選最優(yōu)解。本發(fā)明具有定位精度高，搜尋速度快的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的算法流程框2是圓柱殼上的波傳播示意3是圓柱殼上波傳播有限元仿真圖4是圓柱殼波傳播模型圖5a是反應堆模擬裝置傳感器布置和敲擊點位置的示意圖
圖5b是圓柱殼展開后的傳感器布置和敲擊點位置的示意圖
具體實施方式

實施例一參照圖1-4，進一步說明本發(fā)明基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法，包括以下步驟1、在核反應堆一回路中安裝M個加速度傳感器，以獲取松動件跌落時產(chǎn)生的沖擊 信號，其中M彡4;2、同步采集各個傳感器接收到的沖擊信號，獲取各個傳感器接收到?jīng)_擊信號的時 間；3、根據(jù)圓柱殼的直徑和高度設定橫向坐標ζ、和縱向坐標s的約束范圍，在約束范 圍內(nèi)建立粒子群，以約束范圍內(nèi)的一點坐標作為粒子群的一個粒子，粒子的個數(shù)和迭代次 數(shù)根據(jù)經(jīng)驗設定；初始化所述的粒子群，初始化慣性權重、當前粒子的坐標、認知系數(shù)和社 會系數(shù)；4、獲取所有本次待迭代運算的粒子，對于每個粒子，以任意三個傳感器及其獲取 的沖擊信號為一組，估算該點的彎曲波的軸向速度和周向速度；分別獲取C^1個軸向速度和C^1個周向速度，并分別計算得到該點的軸向速度的方 差和周向速度的方差；尋找本次迭代中具有最小軸向速度方差和最小周向速度方差的當前最優(yōu)粒子，記 錄當前最優(yōu)粒子的坐標，及其軸向速度方差和周向速度方差；5、構建保存最優(yōu)粒子的Pareto最優(yōu)解池，計算當前最優(yōu)粒子與Pareto最優(yōu)解池 中的每一個粒子之間的相互支配關系；根據(jù)所述的支配關系更新Pareto最優(yōu)解池，更新全 局最優(yōu)值和各個粒子的局部最優(yōu)值；6、更新所有粒子的速度和位置，形成下一次迭代運算的粒子群；7、判斷是否達到預設的迭代次數(shù)若是，則輸出Pareto最優(yōu)解池中所有的粒子； 若否，則轉步驟4。8、在Pareto最優(yōu)解池中挑選一個粒子作為最終解，該粒子的坐標即為松動件的 跌落位置。步驟5中，更新Pareto最優(yōu)解池包括以下步驟5. 1、判斷本次迭代運算是否第一次迭代，若是，則將最優(yōu)粒子加入Pareto最優(yōu)解 池；若否，則比較當前最優(yōu)粒子與Pareto最優(yōu)解池的所有粒子的支配關系5. 2、若該粒子支配解池中的某些粒子，則刪除被支配的粒子，將該粒子加入解 池；5. 3、若該粒子與解池中的粒子互不支配，則將該粒子加入解池；5. 4、若該粒子被解池中粒子支配則忽略。步驟4中，根據(jù)公式1計算獲得任意一組軸向速度和周向速度
其中，kA、kB、k。分別表示傳感器A、傳感器B、傳感器C到撞擊點連接成直線的斜 率；t0為松動件敲擊的時間起始點；rAE、rBE、rCE為各傳感器到掃描點的距離；tA、tB、tc為各傳感器接收到信號的時間；Cz為軸向速度；Cs為周向速度；步驟4中根據(jù)公式(2)計算獲得軸向速度方差和周向速度方差
其中
為傳感器數(shù)量。1、圓柱殼波傳播根據(jù)板殼振動理論，設圓柱殼的厚度為h，半徑為R，在圓柱坐標系(r，θ，ζ)下，在 中面相應坐標系上的位移用W、V、U來表示，則其自由振動微分方程可表示為 式中
為和圓柱相同厚度平板上的平面縱波傳播速
度，其中E為材料的楊氏模量、P為材料密度、υ為材料泊松比。設3個位移分量的波動解為'u = Acos(ne、eKKz-at)\v = B η(ηθ)β]^ζ-°Λ)(b)
w = Ccos(n0)e](Kz-a,t)式中，A、B、C為各波 型的幅度系數(shù)，kz為軸向波數(shù)，η圓周上的波長數(shù)，表征了不同
的振動模態(tài)，相應的軸向波數(shù)為|。將式(b)代入式(a)可得關于A、B、C的齊次線性方
程組，要使A、B、C有非零解可導出頻率方程，從而可解出圓柱殼上頻散波傳播的周向速度 和軸向速度
_ h
「π Cz=^CA(、^(C)
h
Cs=^BCbK式中Cz表示軸向速度，Cs表示周向速度。從(a)可知波速和圓柱殼的厚度以及波 數(shù)有關，周向傳播速度和軸向傳播速度不相等，其合成波前在一個象限上其傳播的形式是 以類似螺旋線的方式向前傳播(如圖2)。由于波在各個方向都會往前傳播，存在對稱性，所 以從總體上看，可認為波前(波陣面)以橢圓的形式向外擴散，其有限元仿真驗證結果如圖 3所示。所以根據(jù)兩個方向上的波傳播速度可以推導出任意方向的傳播速度，如圖4所
7J\ ο將軸向和周向傳播速度作為橢圓的長軸和短軸，可得橢圓方程
2 2+ = 1(d)設敲擊點和傳感器之間的連線與ζ軸的夾角為識，則該直線的斜率A = tan(^)，所以 直線方程為s = kz(f)將式(f)代入式(d)可求得直線和橢圓的交點，交點坐標為
Ir 2廠 2 I k2C 2C 2 (Jc2;c\2 Jc2;c2^2)，所以該方向的波傳播速度
Γ = !Cz2Cs2+Zc2Cz2Cs2()
φ1 Cz2+Cs2Zc2Β在平板上應用掃描定位法的關鍵是根據(jù)時間差估算得到波傳播速度，在圓柱殼上 可根據(jù)相同的思路求取軸向和周向兩個波傳播速度，然后求兩個波速各自的方差，兩個方 差都到達最小時作為碰撞點位置的估計。假設在當前掃描點，隨意取3個傳感 器，設傳感器編號為Α、B、C，則可得方程組 式中kA、kB、k。分別表示傳感器A、B、C到撞擊點連接成直線的斜率，t0為松動件敲 擊的時間起始點，rAE、rBE、rCE為傳感器到掃描點的距離，tA、tB、tc為傳感器接收到信號的時 間。根據(jù)該方程可解出3個未知數(shù)CZ、CS、t0O仿照掃描定位法，掃描每個點可以得到Cz、 Cptci的估計。分別計算軸向波速、周向波速、初始撞擊時間的方差可得 式中，# =，M為傳感器數(shù)量。從理論上講，當掃描點和松動
件碰撞點重合時 廣σ 、。都將取得最小值且等于零，但實際操作時由于時差估計不可 能完全準確，所以 廣σ 、。的值未必都會同時取得最小值，無法求得唯一的最佳解。 除此之外由于公式(h)的求解比較耗時，需要多次迭代才能得到較滿意的解，如果逐個點 掃描計算軸向速度、周向速度和初始時間會非常耗時，比如在半徑為lm、高度為2m的圓柱 殼上，以Icm間隔掃描，總共需計算125600個點，需耗費十多個小時才能完成，無法滿足松 動件監(jiān)測系統(tǒng)的實時要求。為解決上述問題，采用基于粒子群的多目標優(yōu)化算法實現(xiàn)快速搜索求解，減少計 算時間，搜索出非劣最優(yōu)解集，最后程序從解集中隨機挑選一個作為最終解或者決策者自 行挑選最優(yōu)解。2基于多目標粒子群優(yōu)化算法的快速計算方法粒子群優(yōu)化算法源于對鳥群捕食行為的模擬，由于其容易理解、易于實現(xiàn)、在許多 優(yōu)化領域得到了應用。本文將使用多目標粒子群優(yōu)化方法實現(xiàn)快速計算，先引入多目標優(yōu) 化的基本概念。定義1 一個自變量向量X口力，考慮Xf的一個子集A，如果不存在a e A :a<x， 則X稱作是ParetO最優(yōu)(Pareto Optimal)的或者稱為非劣最優(yōu)解。在大多數(shù)情況下，各個優(yōu)化目標是沖突的，這就使得多目標優(yōu)化問題不存在唯一 的全局最優(yōu)解。但是可以存在這樣的解對一個或者幾個目標函數(shù)不可能進一步優(yōu)化，而對 其他目標函數(shù)也不至于劣化，這樣的解稱之為非劣最優(yōu)解。定義2 由所有非劣最優(yōu)解組成的集合稱為多目標優(yōu)化問題的最優(yōu)解集(Pareto Optimal Set)，也稱為有效解集。相應非劣最優(yōu)解的目標向量稱為非支配目標向量(non-dominator)，由所有費支配目標向量構成多目標問題的非劣最優(yōu)解域(Pareto Front)將粒子群算法應用于多目標優(yōu)化，關鍵在于粒子個體最優(yōu)值和全局最優(yōu)值的選 擇，可采用如下方法設定最優(yōu)值根據(jù)各目標方向上的ParetO支配關系更新局部最優(yōu)值， 若更新后的粒子支配其局部最優(yōu)值，則更新局部最優(yōu)值為該粒子的當前位置，否則其局部 極值保持不變。在每一代粒子的局部最優(yōu)值更新完成之后，計算每一個局部最優(yōu)值支配其 他局部最優(yōu)值的數(shù)目，將支配其他局部最優(yōu)值最多的一個設置為全局最優(yōu)極值。為防止優(yōu)化過程中優(yōu)秀個體的丟失，采取最優(yōu)個體保留策略，設置Pareto最優(yōu)解 池，用于保存迭代過程中出現(xiàn)的Pareto最優(yōu)解，在每一代粒子更新完后，計算單個粒子在 各個目 標上的值，更新Pareto最優(yōu)解池，更新策略為若該粒子支配解池中的某些粒子，則 刪除被支配的粒子，將該粒子加入解池；若該粒子與解池中的粒子互不支配，則將該粒子加 入解池；若該粒子被解池中粒子支配則忽略。實施例二結合圖5a、5b和仿真實驗，進一步說明本發(fā)明1.仿真條件在反應堆模擬裝置上進行實驗，該裝置由一圓柱殼和半球殼連接而成，其外形如 圖5a所示，將其展開為平面，傳感器和敲擊點的位置如圖5b所示。模擬裝置的厚度為16mm， 高度為2m，直徑為1. 2m，敲擊的鋼球質量分別為55g、720g。采用4個加速度傳感器，每個傳 感器的采樣頻率為60kHz。2.仿真結果將圓柱展開后建立如圖5b所示直角坐標系，每個敲擊點的實際坐標以及定位估 計結果見表1、表2。表1 55g圓柱殼定位估算結果 表2中敲擊的鋼球質量為720g，三角形定位法使用的波速為1800m/s。三角形定 位法的平均偏差為11. 2cm,比55g鋼球敲擊時的定位結果稍差，但變化不大，這是由于通過 三角形定位法進行定位時選擇合適的三角形定位結果作為最終結果，較大程度的降低了時 差估算和波速測量誤差導致的定位結果偏差。改進掃描定位法的平均偏差為6. lcm，精度有 較大提高，比三角形定位法更適合于在圓柱面上進行定位分析。從表中數(shù)據(jù)可知，由于時差估計存在偏差，所以估計的位置也會出現(xiàn)偏差，但是掃 描定位方法不需要預先知道波傳播速度，僅需要知道各個信號的時間到達。 本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護 范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技術 人員根據(jù)本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法，包括以下步驟1)、在核反應堆一回路中安裝M個加速度傳感器，以獲取松動件跌落時產(chǎn)生的沖擊信號，其中M≥4；2)、同步采集各個傳感器接收到的沖擊信號，獲取各個傳感器接收到?jīng)_擊信號的時間；3)、根據(jù)圓柱殼的直徑和高度設定橫向坐標z、和縱向坐標s的約束范圍，在約束范圍內(nèi)建立粒子群，以約束范圍內(nèi)的一點坐標作為粒子群的一個粒子，粒子的個數(shù)和迭代次數(shù)根據(jù)經(jīng)驗設定；初始化所述的粒子群，初始化慣性權重、當前粒子的坐標、認知系數(shù)和社會系數(shù)；4)、獲取所有本次待迭代運算的粒子，對于每個粒子，以任意三個傳感器及其獲取的沖擊信號為一組，估算該點的彎曲波的軸向速度和周向速度；分別獲取個軸向速度和個周向速度，并分別計算得到該點的軸向速度的方差和周向速度的方差；尋找本次迭代中具有最小軸向速度方差和最小周向速度方差的當前最優(yōu)粒子，記錄當前最優(yōu)粒子的坐標，及其軸向速度方差和周向速度方差；5)、構建保存最優(yōu)粒子的Pareto最優(yōu)解池，計算當前最優(yōu)粒子與Pareto最優(yōu)解池中的每一個粒子之間的相互支配關系；根據(jù)所述的支配關系更新Pareto最優(yōu)解池，更新全局最優(yōu)值和各個粒子的局部最優(yōu)值；6)、更新所有粒子的速度和位置，形成下一次迭代運算的粒子群；7)、判斷是否達到預設的迭代次數(shù)若是，則輸出Pareto最優(yōu)解池中所有的粒子；若否，則轉步驟4)。8)、在Pareto最優(yōu)解池中挑選一個粒子作為最終解，該粒子的坐標即為松動件的跌落位置。FDA0000022679280000011.tif,FDA0000022679280000012.tif
2.如權利要求1所述的基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法，其特征在于步驟5中，更 新Pareto最優(yōu)解池包括以下步驟(5. 1)、判斷本次迭代運算是否第一次迭代，若是，則將最優(yōu)粒子加入Pareto最優(yōu)解池；若否，則比較當前最優(yōu)粒子與Pareto最優(yōu)解池的所有粒子的支配關系(5. 2)、若該粒子支配解池中的某些粒子，則刪除被支配的粒子，將該粒子加入解池；(5. 3)、若該粒子與解池中的粒子互不支配，則將該粒子加入解池；(5. 4)、若該粒子被解池中粒子支配則忽略。
3.如權利要求1或2所述的基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法，其特征在于步驟4) 中，根據(jù)公式(1)計算獲得任意一組軸向速度和周向速度 其中，kA、kB、kc分別表示傳感器Α、傳感器B、傳感器C到撞擊點連接成直線的斜率、為松動件敲擊的時間起始點；rAE> rBE、rCE為各傳感器到掃描點的距離；tA、tB、tc為各傳感器接收到信號的時間；Cz為軸向速度；Cs為周向速度；步驟4)中根據(jù)公式(2)計算獲得軸向速度方差和周向速度方差
全文摘要
基于多目標優(yōu)化的松動件定位方法，包括在核反應堆一回路中安裝M個加速度傳感器，以獲取松動件跌落時產(chǎn)生的沖擊信號；同步采集沖擊信號，獲取接收到?jīng)_擊信號的時間；建立粒子群，初始化所述的粒子群；獲取所有本次待迭代運算的粒子，對于每個粒子計算得到該點的軸向速度的方差和周向速度的方差；尋找當前最優(yōu)粒子；構建Pareto最優(yōu)解池，更新Pareto最優(yōu)解池，更新全局最優(yōu)值和各個粒子的局部最優(yōu)值；更新所有粒子的速度和位置；判斷是否達到預設的迭代次數(shù)；在Pareto最優(yōu)解池中挑選一個粒子作為最終解，該粒子的坐標即為松動件的跌落位置。本發(fā)明具有定位精度高，搜尋速度快的優(yōu)點。
文檔編號G01B17/00GK101886919SQ201010208660
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2010年6月25日
發(fā)明者何元峰, 曹衍龍, 楊將新, 程實, 鄭華文 申請人:浙江大學