基于CNN-GRU模型的核反应堆冷却剂系统故障诊断系统设计

刘家义 ,  隋阳 ,  戴滔 ,  贾晓龙 ,  闫家胜

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1498-1508

PDF (18048KB)
科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1498-1508 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502210
原子能技术

基于CNN-GRU模型的核反应堆冷却剂系统故障诊断系统设计

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Design of Fault Diagnosis System for Nuclear Reactor Coolant System Based on CNN-GRU Model

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摘要

核反应堆冷却剂系统(reactor coolant system,RCS)是核电厂安全运行的核心屏障,其故障诊断的准确性对保障核安全具有关键意义。针对传统故障诊断方法在特征提取和时序建模方面的不足,且传统诊断系统在安装、维护及跨平台数据交互等方面存在诸多限制。按照如下路线,构建一种基于卷积神经网络-门控循环单元(convolutional neural network-gated recurrent unit,CNN-GRU)模型的RCS故障诊断模型,并设计了基于浏览器/服务器(browser/server,B/S)架构的RCS故障诊断系统。首先,使用CNN模型,提取RCS运行数据的局部时空特征;然后,将提取的特征输入GRU进行时序建模,构建CNN-GRU诊断模型;最后,基于该模型设计了RCS故障诊断系统。该系统通过前端数据上传与后端模型推理实现故障诊断。实验采用核电厂仿真与严重事故分析仪(personal computer transient analyzer,PCTRAN)生成的模拟数据进行验证。结果表明,该系统能够准确识别RCS的8类故障工况,平均准确率达到99.85%,为核电厂安全运行提供了可靠的故障诊断支持。

Abstract

The nuclear reactor coolant system (RCS) serves as a critical barrier for the safe operation of nuclear power plants, and the accuracy of its fault diagnosis is of paramount importance for ensuring nuclear safety. In response to the shortcomings of traditional fault diagnosis methods in feature extraction and temporal modeling, as well as the numerous limitations of conventional diagnostic systems in installation, maintenance, and cross-platform data interaction, a convolutional neural network-gated recurrent unit (CNN-GRU)-based RCS fault diagnosis model was developed, and an RCS fault diagnosis system based on a browser/server (B/S) architecture was designed following this approach. First, a CNN model was employed to extract local spatiotemporal features from RCS operational data. Then, these extracted features were fed into a GRU for temporal modeling, constructing the CNN-GRU diagnostic model. Finally, an RCS fault diagnosis system was designed based on this model. The system achieved fault diagnosis through front-end data upload and back-end model inference. Experiments were conducted using simulated data generated by the personal computer transient analyzer (PCTRAN) for nuclear power plant simulation and severe accident analysis. The results demonstrate that the system can accurately identify 8 types of RCS fault conditions, achieving an average accuracy of 99.85%, thereby providing reliable fault diagnosis support for the safe operation of nuclear power plants.

Graphical abstract

关键词

核反应堆冷却剂系统(RCS) / 故障诊断 / 卷积神经网络-门控循环单元(CNN-GRU)神经网络 / 浏览器/服务器(B/S)架构

Key words

nuclear reactor coolant system(RCS) / fault diagnosis / convolutional neural network-gated recurrent unit(CNN-GRU) neural network / browser/server(B/S) architecture

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刘家义, 隋阳, 戴滔, 贾晓龙, 闫家胜. 基于CNN-GRU模型的核反应堆冷却剂系统故障诊断系统设计[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(4): 1498-1508 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502210
LIU Jia-yi, SUI Yang, DAI Tao, JIA Xiao-long, YAN Jia-sheng. Design of Fault Diagnosis System for Nuclear Reactor Coolant System Based on CNN-GRU Model[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(4): 1498-1508 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502210

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在“双碳”目标的引领下,中国核电装机规模将持续扩大,核能产业迎来新的发展机遇。然而,安全性始终是核电可持续发展的首要前提[1]。
核电厂核反应堆冷却剂系统(reactor coolant system, RCS)是核电厂中至关重要且结构复杂的系统,其主要功能包括:载出核电厂正常功率运行时反应堆产生的热量;防止放射性物质外漏[2]。RCS安全稳定地运行是确保整个核电机组平稳运行的关键。因此对RCS进行准确的故障诊断至关重要。
故障诊断方法主要分为模型驱动方法和数据驱动方法[3]。模型驱动方法依赖准确的系统模型,但在复杂工业过程中往往难以获得[4];相比之下,数据驱动方法利用历史和实时数据进行故障诊断,无需依赖系统模型,具有更强的适应性和灵活性[5]。
近年来,基于机器学习和深度学习的数据驱动方法在故障诊断领域受到广泛关注[6]。机器学习通过对数据进行学习并做出决策,但其对先验经验的依赖较强,难以提取深层、非明显的故障特征[7-8]。相比之下,深度学习通过学习样本数据的内在规律和表达层次,能够捕捉数据与系统状态间复杂的 映射关系,其诊断过程无需人工干预,克服了传统 故障诊断方法的局限性[9-10]。其中,卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)和循环神经网络(recurrent neural network,RNN)是深度学习的两种典型方法,在故障诊断领域得到了广泛的应用[11]。
CNN被设计用于高效地处理具有网格结构的数据[12]。在CNN模型中,卷积层利用局部连通性和权重共享来提取局部特征,而池化层在突出序列数据的主要特征的情况下降低了数据的维数和计算复杂度[13]。RNN擅长捕获序列信息,但存在消失梯度问题[14-15]。长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)和门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)作为RNN的变体,通过门控机制解决了这一问题[16]。LSTM采用3个非线性门:输入,遗忘和输出[17],而GRU通过将输入和遗忘门组合成更新门来简化这种结构,使其具有比LSTM更少的参数来训练[18-19]。
通过组合CNN与GRU,CNN-GRU模型能够同时捕获序列数据中的局部和全局特征,有效建模复杂关系和依赖关系[20]。该模型通常与Softmax分类器结合,用于多类故障诊断[21]。Cheng等[22]开发了一种滚动轴承故障诊断模型,使用CNN进行短期特征提取,GRU进行进一步处理, Softmax分类器(Softmax classifier,SC)进行故障分类。
部分学者已将深度学习技术应用于故障诊断系统的开发。梁镜群[23]基于图神经网络开发了一种射频电路故障诊断系统;蒋筱毓[24]基于CNN进行故障类型识别,结合实时数据分析开发了一种船舶电力实时故障诊断系统。然而,针对RCS的故障诊断,现有研究多集中于算法优化,而缺乏完整的系统实现。为此,在借鉴国际先进深度学习技术的基础上,将CNN模型与GRU模型融合,构建能够同时提取RCS多参数时序数据空间特征与时间依赖的混合神经网络架构。在系统实现方面,将CNN-GRU模型与浏览器/服务器(browser/server,B/S)架构结合,设计并开发了具备数据上传、模型管理、故障诊断和结果可视化等功能的完整系统,增强了系统的可扩展性和易用性。该系统支持跨平台数据交互,简化了安装和维护流程,能够高效适配现有的信息化平台,为核电厂RCS故障诊断提供高效、可靠的诊断工具。

1 研究方法

1.1 CNN模型介绍

CNN是一种专门用于处理网格结构数据(如图像、时间序列)的深度学习模型。其核心结构主要包括卷积层、池化层、激活函数和全连接层。

CNN的核心操作是卷积,它通过滤波器(或卷积核)从输入数据中提取局部特征。给定输入特征图X 和滤波器 W,卷积操作的计算公式为

$\mathrm{Y}(\mathrm{i},\mathrm{j})=\stackrel{k-1}{\sum _{m=0}}\stackrel{k-1}{\sum _{n=0}}X(i+m,j+n)W(m,n)+b$

式(1)中:Y(i,j) 为输出特征图;i、j分别为输出特征图中的行、列索引;m、n分别为遍历卷积核元素的行、列索引;k为滤波器大小;b 为偏置项。

池化层通过降采样减少特征图的维度,同时保留最重要的信息。常见的池化操作包括最大池化和平均池化。对于最大池化,其计算公式为

$\mathrm{Y}(\mathrm{i},\mathrm{j})=\stackrel{k-1}{\underset{m=0}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}\stackrel{k-1}{\underset{n=0}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}X(is+m,js+n)$

式(2)中:s为步长。

特征经多次卷积和池化后展平,通过全连接层生成8类工况预测。CNN模块用于从70个参数的RCS时序数据中提取空间特征,为后续GRU处理提供输入。

1.2 GRU模型介绍

GRU是RNN的一种变体,旨在解决传统RNN中的梯度消失问题。与LSTM类似,GRU通过引入更新门和重置门,动态控制信息的保留与更新,适用于分析核电厂RCS等多参数时序数据。GRU的核心机制如式(3)~式(6)所示。

更新门zt可表示为

${z}_{t}=\sigma \left({W}_{Z}\right[{h}_{\mathrm{t}-1},{x}_{t}]+{b}_{z})$

式(3)中:σ为Sigmoid激活函数;WZ为更新门权重矩阵;ht-1为上一时刻的隐藏状态;xt为当前时刻的输入;bz为更新门偏置项。

重置门rt可表示为

${r}_{t}=\sigma \left({W}_{r}\right[{h}_{\mathrm{t}-1},{x}_{t}]+{b}_{r})$

式(4)中:Wr为重置门权重矩阵;br为重置门偏置项。

候选隐藏状态${\dot{h}}_{t}$可表示为

${\dot{h}}_{t}=\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{h}\left({W}_{h}\right[{r}_{t}☉{h}_{\mathrm{t}-1},{x}_{t}]+{b}_{h})$

式(5)中:☉表示逐元素乘法;Wh为候选隐藏状态权重矩阵;bh为候选隐藏状态偏置项。

最终隐藏状态ht可表示为

${h}_{t}=(1-{z}_{t})☉{h}_{\mathrm{t}-1}+{z}_{t}☉{\dot{h}}_{t}$

最终隐藏状态是上一时刻隐藏状态和候选隐藏状态的加权组合,权重由更新门控制。

本文GRU模块接收CNN提取的特征序列,捕捉70个参数(如温度、压力、流量)的时序依赖。

1.3 CNN-GRU模型构建

在RCS故障诊断中,单一的CNN或GRU难以同时满足空间特征提取和时序依赖建模的需求。因此,将CNN与GRU组合成CNN-GRU模型,充分利用CNN的局部特征提取能力和GRU的时序处理优势,形成一个适用于RCS多维时序数据分析的混合神经网络架构,提升故障诊断的准确率。

CNN-GRU模型的组合方式以串联结构为核心。输入为核电厂RCS运行过程中的多参数数据,包括温度、压力、流量等70个时间序列特征。CNN部分首先进行特征提取,使用3×1卷积核(步长1,输出通道70)在时间维度上滑动,捕捉参数间的空间相关性,随后通过2×1最大池化层降维。提取的特征序列输入GRU部分,GRU以70个单元通过更新门和重置门建模时序依赖,刻画参数随时间变化的动态趋势。最后,全连接层将特征映射至8类工况的预测结果。两者结合能够有效挖掘RCS数据中的复杂关系,提升故障诊断的准确性,为后续B/S架构系统的故障诊断提供了可靠算法支持。模型结构如图1所示。

2 实验与分析

2.1 核电厂 RCS 运行和故障数据描述

核电厂通常维持在安全稳定的运行状态,导致真实的故障数据稀缺。为克服这一挑战,采用国际原子能机构开发的(personal computer transient analyzer,PCTRAN)软件生成模拟数据。该软件能够模拟RCS在多种运行条件下的行为,其生成的模拟数据在反映RCS实际工况方面具有较高的真实性和代表性,主界面如图2所示。

通过PCTRAN软件模拟了RCS的正常运行状态及多种典型故障场景。具体模拟工况包括:正常运行状态(S1);核反应堆冷却剂丧失(LOCA):分为热管段小破口(S2)、冷管段小破口(S3)、热管段大破口(S4)和冷管段大破口(S5);蒸汽发生器传热管破裂(SGTR):包括A段(S6)和B段(S7);失流工况(S8)。各工况的模拟时间段及样本数量如表1所示。

为适应模型训练,对原始数据进行预处理。因参数量纲和范围差异较大,采用极差归一化标准化处理,表达式为

$x\text{'}=\frac{x-{x}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{{x}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{x}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$

式(7)中:x'为归一化后的值;x为原始参数;xmax和xmin分别为该参数的最大值和最小值,将数据映射至[0,1]区间。

为生成时序数据集,采用滑动窗口法切分数据。实验测试了不同滑动步长和窗口大小,结果表明,滑动步长1 s、窗口大小240 s时,模型诊断性能最佳。因此,最终以窗口240、步长1切分4 000条样本,生成2 670个时间片,按67%训练集和33%测试集划分,作为CNN-GRU模型的输入。

2.2 CNN-GRU故障诊断

基于2.1节中预处理后的数据,应用1.3节所构建的CNN-GRU模型,对RCS运行数据进行故障诊断。

CNN层通过卷积操作提取局部特征,GRU层捕捉时序依赖,最终输出8类工况预测。训练采用交叉熵损失和AdamW优化器,超参数设置如表2所示。

模型训练100轮,使用AdamW优化器,每轮计算训练集准确率和损失,保存准确率最高的最佳模型。测试阶段,模型预测测试集标签,计算分类准确率。

2.3 结果分析

在2.2节中,CNN-GRU模型已完成训练,为进一步评估其性能,将CNN-GRU与反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)、单一CNN和单一GRU模型进行对比分析,基于相同的RCS运行和故障数据集,探讨各模型在准确性的差异。通过对比训练过程中的性能曲线和测试集上的工况准确率,验证CNN-GRU在核电厂故障诊断中的优越性,为模型选择和优化提供依据。

各模型在训练集上的准确率和损失值随迭代次数的变化趋势如图3、图4所示。总体来看,CNN-GRU的准确率从约60%快速上升,至80轮达到99.8%,接近于1,损失值降至0.03,接近于0,且后期变化极小,显示出高效收敛;而BPNN准确率仅达85.6%,损失值为0.32,GRU准确率为92.4%,损失值为0.15,CNN准确率为90.7%,损失值为0.18,三者均未达到CNN-GRU的优异表现。

CNN-GRU与其他模型在8类RCS故障工况下的准确率对比如表3所示。CNN-GRU在7类工况中达到100%准确率,仅在S6略降至98.77%,平均准确率高达99.85%。相比之下,BPNN平均准确率为94.8%,在S4和S5准确率仅有78.24%和89.83%;CNN平均准确率为95.04%,在S4和S5准确率仅有80.11%和88.24%;GRU平均准确率为92.33%,在S3和S5准确率仅有84.21%和59.18%。CNN-GRU以其卓越的高准确率在所有工况中均表现出色,尤其在复杂故障场景下远超其他模型。

综上所述,CNN-GRU在RCS故障诊断中展现了较高的准确性,对比BPNN、GRU和CNN,其综合性能更优。

3 RCS故障诊断系统设计与实现

为将CNN-GRU故障诊断方法应用于RCS的故障分析,设计并实现了一个基于B/S架构的故障诊断系统。该系统基于Ruoyi框架开发,采用SpringBoot和Vue.js实现前后端分离,用户通过浏览器上传RCS数据并执行故障诊断,无需本地安装。系统集成了数据上传、故障诊断、模型管理和用户权限控制等模块,数据存储结合MySQL和Redis提升效率,核心诊断逻辑通过Python脚本调用CNN-GRU模型实现。以下从架构设计、功能模块、实现细节及测试验证等方面展开描述。

3.1 系统架构

系统采用B/S架构,用户通过浏览器访问前端界面,这一设计避免了本地客户端的安装需求,仅需网络连接即可操作,具备良好的跨平台特性。前端基于Vue.js框架构建,结合Ruoyi框架提供的UI组件,呈现出简洁直观的操作界面。后端使用SpringBoot提供服务,处理业务逻辑并协调前后端交互。前端通过Axios向后端发送HTTP请求,后端接收请求后执行相应的逻辑处理,并通过调用Python脚本实现CNN-GRU模型的故障诊断功能。数据存储方面,系统设计了两层存储机制:MySQL数据库用于持久化存储,包括文件信息、诊断记录和模型数据等关键内容;Redis作为高性能缓存层,用于存储文件列表和会话信息,以加快数据访问速度。用户上传的RCS数据文件(通常为Excel或CSV格式)以及训练好的模型文件(.pth格式)存储在服务器的文件系统路径下。系统架构图如图5所示。

3.2 功能模块设计

RCS故障诊断系统基于B/S架构的模块化设计,包含数据上传、故障诊断、模型管理和用户权限四大模块,各模块权限根据用户角色(管理员/普通用户)分配。

3.2.1 数据上传模块

数据上传模块包含文件上传和文件管理的功能。文件上传功能支持用户通过浏览器上传Excel或CSV格式的RCS时序数据,数据文件存储于服务器目录,数据文件信息记录至MySQL的fd_file_info表。文件管理功能支持文件的增删改查,管理员可查看所有上传文件,普通用户仅限于个人数据,同时还支持按时文件名、状态和时间筛选。

3.2.2 故障诊断模块

故障诊断模块包含故障诊断和诊断结果查询的功能。故障诊断可以选取用户上传的RCS运行数据,通过后端CNN-GRU模型进行故障识别,并将诊断结果返回前端展示;诊断记录存入fd_diagnosis_info表,用于查询诊断结果。故障诊断流程如图6所示。

3.2.3 模型管理模块(仅管理员)

管理员通过浏览器上传和管理模型文件,信息记录至fd_mould_info表,能包括模型上传、启用/禁用及默认模型设置,确保CNN-GRU模型可动态更新。

3.2.4 用户权限模块(仅管理员)

用户权限模块基于Ruoyi框架实现,管理员通过浏览器管理用户和角色,用户信息存储于sys_user表。支持权限分配与角色控制,确保系统安全。

3.3 系统实现细节

前端实现依托Vue.js,利用Ruoyi框架提供的组件完成交互逻辑。用户通过浏览器触发文件上传和诊断操作,所有功能通过调用后端API实现。前端使用Axios发送HTTP请求,核心API及其功能如表4所示。

后端基于SpringBoot开发,设计了多个控制器处理前端请求,负责接收API调用、执行业务逻辑并协调Python脚本执行。Controller层关键功能集中在文件上传、诊断触发和数据查询上,所有接口通过RESTful风格设计,返回JSON格式数据。后端核心模块功能如表5所示。

Python脚本集成是系统实现的关键环节,后端通过FdUtils.java类中的runPythonScript方法调用外部Python脚本。该方法接收Python脚本路径和文件路径作为参数,构造命令数组command,通过Runtime.getRuntime().exec()方法执行命令,并使用StringBuilder读取脚本的输出。关键实现见FdUtils.java,具体如下。

Python脚本示例如下。

数据存储结合MySQL和Redis。MySQL存储关键数据,包括用户信息(sys_user)、文件信息(fd_file_info)、诊断记录(fd_diagnosis_info)、模型信息(fd_mould_info)和结果配置(fd_result_info),通过ER模型设计,核心表fd_diagnosis_info关联其他实体。Redis缓存文件列表等高频数据,提升响应速度。数据库具体结构如图7所示。

3.4 系统界面交互与测试

系统界面设计以用户友好性为核心,用户通过浏览器访问系统首页,完成登录后进入主界面。登录页面要求输入用户名和密码,由后端的sys_user表验证用户身份和角色,登录页面如图8所示。

数据管理界面允许用户选择RCS数据文件,点击“上传”后,前端通过FdFileInfo接口将文件发送至服务器,完成后文件信息记录至fd_file_info表。文件列表页面支持筛选和删除操作,普通用户仅查看个人数据,管理员可管理所有文件,数据管理界面如图9所示。

故障诊断界面允许用户在文件列表中选择待分析的数据文件,指定CNN-GRU模型,点击“诊断”按钮后,前端通过DiagnosisFile接口触发后端处理。后端调用Python脚本,读取数据文件,执行CNN-GRU预测,返回分析代码。前端根据fd_result_info表的配置,返回与分析代码对应的故障定位图和文本说明,故障诊断页面如图10所示。

诊断记录自动存入fd_diagnosis_info表,用户可随时查询历史结果,诊断结果页面如图11所示。

系统成功集成了CNN-GRU模型,界面交互直观,功能运行稳定,诊断性能与2节实验一致,为RCS故障分析提供了实用工具。

4 结论

构建核电厂RCS故障诊断CNN-GRU模型,并基于该模型设计了RCS故障诊断系统。得出如下主要结论。

(1)应用CNN与GRU的深度学习方法,构建了核电厂RCS故障诊断CNN-GRU模型。

(2)对比分析CNN-GRU与BPNN、CNN、GRU在RCS故障诊断准确率方面的表现,验证了所构建的核电厂 RCS 故障诊断 CNN-GRU模型的有效性。

(3)使用SpringBoot后端框架和Vue前端技术,设计并实现了B/S架构的RCS故障诊断系统。具备数据上传、模型管理、故障诊断和结果可视化等功能,提升了系统的可扩展性和易用性。

(4)现阶段研究表明,所设计的基于CNN-GRU模型的RCS故障诊断系统,能够对8类工况进行准确地诊断,平均准确率为99.85%。

(5)研究成果为核电厂RCS故障诊断提供高效、可靠的诊断工具,有助于提升核电厂的故障预警和应急响应能力,增强核电站的安全运行水平。未来,随着中国核电事业的持续发展,所提出的诊断系统有望在核电厂得到实际部署和应用,进一步推动中国核电行业的智能化发展。

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基金资助

国家自然科学基金(52174189)

湖南省杰出青年科学基金(2023JJ10035)

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