非能动安全系统的可靠性设计优化方法研究
摘要
受到空间尺寸以及载重的限制，船舶核动力装置的安全系统设计需要兼顾经济性和
可靠性。非能动安全系统作为新一代固有安全技术，能够兼顾核动力装置的安全性与经
济性，其广泛应用已经成为船舶核动力装置发展的必然趋势。由于非能动安全系统由自
然循环等物理法则提供驱动力，容易受到不确定性因素的影响。为了规避不确定性所带
来的风险，需要开展考虑非能动安全系统设计参数不确定性的影响的可靠性设计优化方
法研究。
本文在序列优化与可靠性评估方法(SORA)的基础上，提出了非能动安全系统可靠
性设计优化方法。该方法顺序进行设计优化和可靠性分析，在设计优化部分，通过优化
算法进行寻优计算，得到目标函数最优解；对于可靠性分析部分，在目标函数最优解处
进行逆可靠度分析，求解系统的逆最可能失效点；通过逆最可能失效点，求解偏移向量，
以调整设计优化过程中的约束函数，实现可靠性分析和设计优化的耦合。
针对非能动安全系统设计优化问题中呈现出设计参数众多、高度非线性及多约束的
特点，本文提出了基于自适应惩罚函数的双层自适应遗传算法。约束优化问题的测试函
数的计算表明，相较于基于惩罚函数的遗传算法，基于自适应惩罚函数的双层自适应遗
传算法对约束优化问题的求解更具优势，误差更小，在进行非能动安全系统的设计优化
时精度更高。
针对设计优化过程中需要多次调用热工水力分析程序造成计算成本过高的问题，本
文以BP神经网络模型为基础，采用双层自适应遗传算法对BP神经网络的初始权值和
阈值进行优化，构建了TAGA-BP高精度代理模型。针对TAGA-BP模型训练过程中的
全局精确建模困难的缺点，开发了最优解驱动的局部TAGA-BP模型，利用该模型代替
热工水力程序计算约束函数响应值，进行非能动安全系统的可靠性设计优化。
将本文所提出的设计优化方法应用到船用核动力装置IP200的非能动余热排出系统
的可靠性设计优化中。在限定的失效概率下，非能动余热排出系统的重量相较于初始值
减少了2.458?103kg，降低了3.44%。本文提出的方法在进行设计优化时，考虑了设计
变量不确定性的影响，具有计算速度快的优点，服务于非能动安全系统的设计优化环节，
能够减轻非能动安全系统的重量，对于提高非能动安全系统的经济性具有重要意义。
SORATAGABP
关键词：非能动安全系统；可靠性设计优化方法；；；神经网络
非能动安全系统的可靠性设计优化方法研究
Abstract
Limitedbyspacesizeandloadcapacity,thedesignofsafetysystemsforthemarine
nuclearpowerplantsneedstobeeconomicalandreliability.Asanewgenerationofinherent
safetytechnology,passivesafetysystemcantakeintoaccountthesafetyandeconomyof
nuclearpowerunits,anditswideapplicationhasbecomeaninevitabletrendinthe
developmentofthemarinenuclearpowerplants.Becausepassivesafetysystemsaredriven
byphysicallawssuchasnaturalcycles,theyarevulnerabletouncertainty.Inordertoavoid
theriskcausedbyuncertainty,itisnecessarytocarryoutresearchonreliabilitydesign
optimizationmethodsconsideringtheinfluenceofuncertainty