The minimization of false alarms from the loose part monitoring system in nuclear power plant has been a troublesome issue for the system operators and designers because of the difficulty to distinguish the loose-part impact signals from various types of other plant operational noise. The diagnosis of the impact signals, after a loose-part alarm event occurred, has been also another difficulty for the system operators, because specialized technologies and various experiences are required to estimate the impacted loose-part precisely. Therefore, the necessity to develop a loose part monitoring system equipped with the intelligent alarm discrimination and automated impact diagnosis capability has been continued.
In consideration of the fuzzy nature of impact signals detected from the complex mechanical structures, and mixed with various types of noise in a nuclear power plant under operation, the loose parts monitoring system with a new signal processing technique using fuzzy logic is proposed. The proposed system is called Fuzzy-LPMS in this paper. In the Fuzzy-LPMS design, comprehensive relations among the impact signal features are taken into account in the fuzzy rule bases for the intelligent alarm discrimination and impact diagnosis. The proposed Fuzzy-LPMS consists of two major parts; an alarm discrimination part based on the fuzzy inference technique for valid signal determination, and an impact diagnosis part based on the hybrid techniques which combine the impact source localization and fuzzy inference techniques for the diagnosis of the loose-part event characteristics.
Through the performance test with a mock-up facility, the proposed approach to the loose part monitoring system design has been revealed to be effective not only in suppressing false alarm generation but also in characterizing the loose-part event, i.e., a possible impacted-area (PIA) and a degree of impact magnitude (DIM). In the cases of processing fuzzy and uncertain input signals, the PIA display of the Fuzzy-LPMS has the merit of impact source localization capability by varying the multiple overlapped sector size rather than displaying only curves and intersection points. This is expected to be a operator aid function in the aspect of convenient interpretation of the diagnosis results.
It is found that the fuzzy logic can be generally applied for the monitoring and diagnosis of loose-part impact in the major components of the nuclear power plant when the characteristics of the impact wave propagation can be systematically expressed with fuzzy linguistic variables. However, the mechanical property of impact wave propagation depends on the plate thickness and internal structures of the monitored component. Therefore, the membership functions of input and output variables are need to be optimized on each monitoring region to apply the proposed Fuzzy-LPMS to the actual plant facility.
원자력발전소의 운전중인 금속파편 감시계통에서 발생하는 거짓경보를 최소화하는 문제는 계통운전자나 설계자 모두에게 극복하기 어려운 문제가 되어왔다. 이러한 이유는 금속파편에 의한 충격신호가 발전소운전 중에 피하기 어려운 여러 종류의 잡음신호와 신호특성이 유사하기 때문 이다. 금속파편경보의 발생 이후에 요구되는 충격신호에 대한 진단 과정은 충격신호해석과 관련한 전문지식과 다양한 경험 등을 필요로 한다는 측면에서 계통운전자에게는 어려운 문제로 인식되고 있다. 따라서 지능적 경보판별능력과 자동화된 충격진단기능을 갖춘 금속 파편감시 계통의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.
원자력발전소의 운전중에 발생 하는 다양한 형태의 잡음과 함께 복잡한 구조물에서 검출되는 충격신호의 애매한 특성을 고려하여, 퍼지 논리를 사용하는 새로운 신호처리기법을 이용한 금속파편감시계통을 본 논문은 제안하고 있다. 제안된 계통이름은 '퍼지-금속파편감시계통(Fuzzy-LPMS)' 이다. Fuzzy-LPMS에서는 충격신호 특성변수의 종합적인 관계가 지능적 경보판별과 충격진단의 목적으로 퍼지 규칙 베이스에 반영되어 있다. 제안된 Fuzzy-LPMS는 두개의 주요 부분으로 구분될 수 있는 바, 신호의 유효성 결정을 위해서 퍼지추론 기법을 사용하는 경보판별부와, 충격원 위치결정기법과 금속파편사건의 특성진단을 위해서 퍼지추론기법을 혼합하여 사용하는 충격진단부이다.
컴퓨터와 계측기기 및 Mock-up을 이용한 성능시험을 수행한 결과, 본 논문에서 제안하고 있는 접근방법은 거짓경보의 억제측면과 함께 금속 파편에 의한 충격사건을 충격가능영역 (PIA) 및 충격규모정도 (DIM - 중력가속도인 'g' 단위로 충격정보를 제공함) 등의 진단정보 제공에 효과적임을 보여 주었다. 특히 신호특성이 불명확한 퍼지 입력신호를 처리하는데 있어서 Fuzzy-LPMS의 PIA 표시기법은 단순히 원이나나 쌍곡선의 교차점을 찾아서 충격위치정보를 제공하는 데 그치지 아니하고 퍼지추론에 의하여 결정된 값으로 곡선형태의 띠폭 (strip width)을 변경함으로써 입력신호의 특성이 전형적인 충격신호 형태와 비슷한 경우에는 좁은 영역에 다수의 띠가 교차하며, 그리고 입력신호의 특성이 판단하기에 애매한 경우에는 입력신호의 종합적인 신뢰도 평가값에 따라서 띠폭이 확장되어 비교적 넓은 영역에서 다수의 띠가 교차하게 되도록 설계되어 있다. 이러한 띠의 중첩회수 및 중첩영역의 변화에 따른 표시기능은 운전원이 진단 결과를 용이하게 해석할 수 있도록 해주는 운전원보조기능 으로 사용될 수 있다고 판단된다.
본 연구를 통해서 원자력발전소 주요 기기에서 발생가능한 금속파편에 의한 충격을 감시 및 진단하는데 있어서 충격파의 전파특성을 언어변수를 이용하여 체계적으로 퍼지 규칙 베이스를 구성할 경우 퍼지논리의 적용이 가능하고, 애매한 입력신호를 처리하여 거짓경보 억제 및 충격진단기능의 제공이 가능하며, 또한 계통 설비의 운전 및 보수관점에서 부수적인 장점이 예상됨을 알 수 있었다. 단, 충격파의 전파특성이 감시대상 구조물 강판의 두께 및 내부구조물의 형태에 따라서 변화함을 고려할 때, 제안된 Fuzzy-LPMS를 실제의 발전소 설비에 적용시키기 위해서는 퍼지 입력 및 출력변수의 소속함수 값과 퍼지 규칙을 감시구역 별로 최적화시키는 연구가 후속되어야 한다. 따라서 Fuzzy-LPMS를 본 논문 에서 제안하고 있는 계통구조를 기초로 하여 적응퍼지전문가 시스템 (Adaptive Fuzzy Expert System)으로 발전시킬 경우에는, 지능적 금속파편감시계통이 구현되어 지능적인 경보판별 및 진단기능의 On-line 자동화로 운전원의 계통운영에 대한 부담을 경감 시키고, 금속파편 관련 사건의 발생시에 신뢰성 있는 경보제공과 충격원에 대한 진단기능 및 사후조치 지침 등을 체계적으로 운전원에게 제공함으로서 원자력발전소 핵증기공급계통의 장기적 안전운전 및 경제적 운전에 기여할 수 있으리라고 전망된다.
