Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Загребаев Методы обработки статистической информации в задачах контроля 2008

.pdf
Скачиваний:
92
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
7.77 Mб
Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЗАДАЧАХ КОНТРОЛЯ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Учебное пособие

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2008

УДК 621.039.5 (075) ББК 31.46я7 М 54

Методы обработки статистической информации в задачах контроля ядерных энергетических установок: Учебное пособие / А.М. Загребаев, Н.А. Крицы-

на, Ю.П. Кулябичев, В.А. Насонова, Н.В. Овсянникова. – М.: МИФИ, 2008. – 388 с.

Приведены основы теории вероятностей, математической статистики, теории случайных функций и теории оценивания. Представлено большое количество практических задач из области физики ядерных реакторов, решение которых основано на использовании статистических методов.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Прикладная математика и информатика» и «Ядерные реакторы и энергетические установки», а также полезно инженерам и аспирантам, работающим в области математического обеспечения ядерно-энергетических систем.

Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы МИФИ.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.И. Савандер

ISBN 978-5-7262-1001-8

© Московский инженерно-физический институт

 

(государственный университет), 2008

О Г Л А В Л Е Н И Е

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................

 

6

Глава 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕОРЕМЫ

 

ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ..........

9

1.1. Случайные величины и законы их распределения.......................................

9

1.2. Статистические оценки параметров распределения..................................

56

1.3. Статистическая проверка статистических гипотез...................................

79

1.4. Примеры законов распределения в физике ядерных реакторов...............

92

 

1.4.1.

Закон радиоактивного распада ........................................................

92

 

1.4.2.

Вероятность взаимодействия.

 

 

 

Макроскопические сечения взаимодействия..................................

93

 

1.4.3.

Закон Пуассона. Регистрация частиц..............................................

94

 

1.4.4. Энергетические спектры нейтронов деления и замедления..........

96

Список литературы к главе 1 .............................................................................

106

Глава 2.

СЛУЧАЙНЫЕ ФУНКЦИИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ..................

107

2.1. Общие свойства случайных функций.......................................................

107

2.2. Операции над случайными функциями

 

 

и их статистическими характеристиками.................................................

114

2.3. Спектральное разложение стационарных случайных функций..............

118

2.4. Стационарные случайные процессы в динамических системах.............

128

2.5. Примеры применения теории случайных функций

 

 

в физике реакторов.....................................................................................

132

 

2.5.1. Результаты статистической обработки реальных данных

 

 

 

энергоблока с реактором РБМК (закон распределения,

 

 

 

корреляционная функция плотности потока нейтронов)---------

132

 

2.5.2. Экспериментальное определение естественных функций

 

 

 

реактора и их связь с собственными функциями ------------------

137

 

2.5.3. Вероятность образования локальных надкритических областей

 

 

 

в активной зоне ядерного реактора -----------------------------------

154

Список литературы к главе 2 ----------------------------------------------------------

166

Глава 3.

СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ---------

168

3.1. Виды и формы моделей информационных процессов---------------------

171

 

3.1.1. Основные математические модели объъектов----------------------

171

 

3.1.2.

Оптимальная настраиваемая модель----------------------------------

174

3.2. Свойства оценок и критерии качества в задачах

 

 

статистической обработки информации--------------------------------------

177

 

3.2.1.

Свойства оценок ----------------------------------------------------------

177

 

3.2.2. Критерии качества, функции потерь и штрафа

 

 

 

в задачах оценки ----------------------------------------------------------

179

 

 

3

 

3.3. Статистические методы обработки данных

 

при использовании полного объема информации --------------------------

183

3.3.1. Метод наименьших квадратов -----------------------------------------

183

3.3.2. Метод наименьших квадратов для линейных объектов ----------

184

3.3.3. Рекуррентная форма метода наименьших квадратов

 

для линейных регрессионных объектов------------------------------

192

3.3.4. Метод наименьших квадратов для нелинейных объектов -------

197

3.3.5. Линейные несмещенные оценки с минимальной дисперсией

 

ошибки оценки (марковские оценки)---------------------------------

199

3.3.6. Метод максимума правдоподобия ------------------------------------

201

3.3.7. Метод максимума апостериорной вероятности--------------------

203

3.3.8. Байесовские оценки ------------------------------------------------------

206

3.4. Рекуррентные сходящиеся алгоритмы при полной

 

априорной информации о помехе----------------------------------------------

209

3.4.1. Метод стохастической аппроксимации для решения

 

скалярных стохастических уравнений -------------------------------

209

3.4.2. Обобщение метода стохастической аппроксимации

 

для решения задач идентификации -----------------------------------

214

3.4.3. Асимптотическая скорость сходимости

 

рекуррентных алгоритмов ----------------------------------------------

215

3.4.4. Оптимальные рекуррентные алгоритмы идентификации--------

217

3.4.5. Оптимальная функция потерь------------------------------------------

223

3.4.6. Асимптотическая матрица ковариаций ошибок оценки

 

при оптимальной функции потерь ------------------------------------

229

3.4.7. Абсолютно оптимальные рекуррентные алгоритмы--------------

231

3.4.8. Пример использования абсолютно оптимальных

 

рекуррентных алгоритмов для идентификации параметров

 

линейного регрессионного объекта-----------------------------------

234

3.5. Использование принципов игрового подхода

 

в задачах идентификации --------------------------------------------------------

236

3.5.1. Априорная информация о помехах и классах распределений---

236

3.5.2. Использование игрового подхода

 

в задаче определения функции потерь -------------------------------

240

3.5.3. Свойства оптимальной функции потерь

 

при неполной информации о помехе ---------------------------------

246

3.5.4.Преобразование вариационной задачи определения функции потерь к задаче нелинейного математического

программирования--------------------------------------------------------

250

3.5.5. Определение функции потерь

 

для регрессионных объектов. Алгоритм Хубера-------------------

254

3.5.6. Идентификация параметров регрессионного объекта

 

при α-загрязненном нормальном распределении помехи--------

259

3.6. Применение методов оценивания параметров при обработке

 

реакторной информации ---------------------------------------------------------

269

3.6.1. Метод максимума правдоподобия при аппроксимации

 

макрополей нейтронов---------------------------------------------------

269

4

 

3.6.2.

Определение постоянной времени графитовой кладки

 

 

 

в пассивном эксперименте----------------------------------------------

272

 

3.6.3.

Прогноз изменения оперативного запаса реактивности

 

 

 

при работе реактора в переходных режимах------------------------

279

Список литературы к главе 3 ----------------------------------------------------------

286

Глава 4. МЕТОД СТАТИСТИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

 

В ФИЗИКЕ РЕАКТОРОВ------------------------------------------------------------------

288

4.1. Методы моделирования случайных величин

 

 

с равномерным законом распределения --------------------------------------

288

4.2. Моделирование случайных величин с нормальным законом

 

 

распределения ----------------------------------------------------------------------

293

4.3. Моделирование случайных величин с заданным видом

 

 

корреляционной функции (метод формирующего фильтра) -------------

295

4.4. Пример математического моделирования ядерного реактора

 

 

при случайных возмущениях в свойствах размножающей среды-------

299

 

4.4.1.

Математическая модель и статистические

 

 

 

исследования параметров ячейки реактора -------------------------

300

 

4.4.2.

Математическая модель плотности потока нейтронов

305

 

 

в реакторе с обратными связями и системой регулирования----

 

4.4.3.

Статистические исследования на математической модели

 

 

 

ядерного реактора --------------------------------------------------------

320

Список литературы к главе 4 ----------------------------------------------------------

334

Глава 5.

АЛГОРИТМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

 

В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ ПО ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ--------------

335

5.1. Методика и алгоритм восстановления полей энерговыделения

 

 

в ядерных реакторах типа ВВЭР -----------------------------------------------

335

5.2. Методика и алгоритм восстановления полей

 

 

энерговыделения в ядерных реакторах типа РБМК------------------------

338

5.3. Методика и алгоритм восстановления полей

 

 

энерговыделения в реакторах типа CANDU ---------------------------------

343

5.4. Восстановление параметров при частично утраченной

 

 

измерительной информации-----------------------------------------------------

346

 

5.4.1.

Оценка информационной избыточности системы

 

 

 

контроля ядерного реактора--------------------------------------------

346

 

5.4.2.

Определения расхода теплоносителя через топливный канал

 

 

 

на основе информации об активности теплоносителя------------

353

 

5.43.

Анализ информативности сигналов точечных

360

 

 

и протяженных датчиков контроля физических полей -----------

 

5.4.4.

Информационный подход к оптимизации количества

 

 

 

и расположения датчиков внутриреакторного контроля---------

364

5.4.5.Восстановление аксиального распределения поля нейтронов в реакторе РБМК при частичной потере

измерительной информации--------------------------------------------

375

Список литературы к главе 5 ----------------------------------------------------------

384

5

ВВЕДЕНИЕ

Характерной чертой современного развития ядерной энергетики является повышение требований к безопасности ядерных энергетических реакторов. Повышение безопасности ядерной энергетики может осуществляться по нескольким направлениям: проектирование новых ядерных энергоблоков, обладающих свойствами внутренней самозащищенности, модернизация систем управления и защиты существующих энергоблоков и т.д. При этом существующие математические модели, как правило, описывают реактор как детерминированный объект. Вместе с тем, практика эксплуатации показывает, что отличительной особенностью реактора как объекта моделирования, контроля и управления является наличие большого числа пространственно распределенных возмущающих факторов, например, вибрация тепловыделяющих сборок, колебания органов управления, случайные колебания расхода теплоносителя и др. По этой причине решение ряда задач, связанных со случайными возмущениями параметров не может быть рассмотрено в рамках существующих детерминированных подходов. В этой связи актуальным представляется подход к реактору как к объекту со случайными параметрами и, в соответствии с этим подходом, разработка его математической модели, алгоритмов контроля и управления.

На начальной стадии развития ядерной энергетики вероятностный подход отражал тот факт, что процессы взаимодействия нейтронов с веществом имеют по своей природе стохастический характер. С этих позиций процессы в реакторе рассматриваются в теории шумов уже на протяжении почти пятидесяти лет. За это время разработаны экспериментальные методы определения параметров реактора, ставшие классическими (например, методы Росси, Фейнмана, Могильнера и др.). Эти методы применимы в основном для реактора нулевой мощности и в качестве причины статистических флюктуаций рассматривается различие в числе нейтронов,

6

образующихся при делении ядра, и вероятностный характер взаимодействия нейтрона с ядром. Вместе с тем, отметим, что расчетные методы, в основе которых лежит случайный розыгрыш судьбы нейтрона (семейство методов Монте-Карло) с успехом применяются в настоящее время.

Следующим этапом развития вероятностного подхода можно считать его применение для анализа ситуаций, возникающих в активной зоне энергетического реактора вследствие случайностей, обусловленных технологическими неопределенностями при изготовлении тепловыделяющих сборок, графитовых колонн и т.д. На данном этапе решались задачи определения средней плотности потока нейтронов в неоднородной среде, возможности образования локальных критических зон при загрузке реактора и распределения энерговыделения по активной зоне. При этом элемент случайности здесь переносится на макроскопические сечения взаимодействия. Важным моментом здесь было осознание исследователями того факта, что в реальной ситуации нельзя, используя детерминированные математические модели, предсказать распределение энерговыделения в активной зоне физически большого реактора. Это обстоятельство нашло свое отражения в современных алгоритмах восстановления полей на основе данных внутриреакторного контроля.

Наконец, внедрение современной вычислительной техники обеспечило возможность накапливать и обрабатывать большие объемы расчетно-экспериментальной информации непосредственно в процессе работы реактора. Например, на энергоблоках с реакторами РБМК в штатном режиме работы информация о наиболее важных параметрах записывается с интервалом в несколько минут. Это обстоятельство позволяет применять стохастический подход при исследовании поведения важнейших пространственнораспределенных расчетно-экспериментальных параметров, считая их случайными величинами и случайными функциями.

Таким образом, актуальность и целесообразность изучения и использования методов обработки статистической информации для решения научно-практических задач не вызывает сомнений.

Вместе с тем, когда авторы начинали работу над этой книгой, возникали многочисленные споры: какой материал в ней излагать, в каком объеме, с какой степенью математической строгости, в ка-

7

кой последовательности, в каком стиле и др. Споры продолжались до тех пор, пока авторы не договорились о том, для кого, собственно, эта книга предназначена. По мнению авторов, эта книга будет полезна студентам-физикам, избравшим своей специальностью физику ядерных реакторов и студентам, избравшим своей специальностью математическое обеспечение ядерно-энергетических систем. Первым она будет полезна, потому что они смогут ознакомиться с методами решения физических задач, им до этого не известных – например, методами теории случайных функций, теории оценивания, методами цифровой фильтрации и др. Вторым она будет полезна, потому что они ознакомятся с конкретными физическими задачами, где применяются известные им методы. В качестве примеров конкретного использования методов статистической обработки информации авторы приводят, в основном, задачи из своей научной практики.

По поводу строгости и полноты изложения было решено, что авторы не будут приводить математические доказательства известных положений из теории вероятностей, теории случайных функций, теории оценивания и др. Интересующиеся найдут эти доказательства в литературе, список которой приводится в конце каждой главы. О стиле изложения пусть судят читатели, но мы старались, чтобы студенту были понятны основные идеи, изложенные в книге, с минимальными затратами их умственных способностей и времени.

8

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕОРЕМЫ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ

Статистические методы обработки информации имеют в своей основе теорию вероятностей [2, 4, 7, 8]. В этой связи необходимым представляется напомнить основные понятия, определения и теоремы теории вероятностей.

Теория вероятностей устанавливает законы в массовых случайных явлениях. Только при наличии массы наблюдений в одних и тех же условиях и есть возможность установить закономерность в случайных явлениях. Под случайностью понимают непредсказуемость, являющуюся результатом незнания, неосведомлённости и отсутствия необходимой информации.

1.1. Случайные величины и законы их распределения

Некоторые сведения из алгебры событий. Определим случай-

ное событие как факт, который может либо произойти, либо не произойти.

Введем следующие обозначения.

1.A B – событие A включает событие B, т.е. если произошло событие A, то событие B тем более реализовалось.

2.A = B – равносильные события.

3.C = A B – произведение событий. Событие С состоит в одновременном наступлении событий A и B.

4.C = A + B – сумма событий состоит в том, что наступает хотя бы одно из событий A или B.

5.A B =V – события A и B называются несовместными, если они не могут реализоваться одновременно.

9

6. A1...An – события образуют полную группу событий, если хо-

n

тя бы одно из них непременно происходит: Ai = A1 +.. + An .

i=1

7. Два несовместных события A и A , образующих полную группу, называются противоположными.

Классическое определение вероятности. Пусть имеется пол-

ная группа из n попарно несовместных и равновозможных элементарных событий (исходов). Если событие A может реализоваться m элементарными исходами, то вероятность события A вычисляется

как P( A) = mn , где m – число исходов, благоприятствующих собы-

тию A, а n – общее число исходов.

Определим, например, вероятность события A, состоящего в том, что в результате бросания игральной кости выпадет четное число. Понятно, что такое событие может реализоваться тремя элементарными исходами: выпадает число 2, выпадает число 4, выпадает число 6. Таким образом, благоприятных элементарных

исходов 3, а общее число исходов 6. Поэтому P( A) = 63 = 12 .

Из данного определения вероятности, легко выводятся следствия:

1) вероятность достоверного события равна 1; если m = n , то

P( A) =1 ;

2) вероятность невозможного события равна 0; если m = 0 , то

P( A) = 0 ;

3) вероятность противоположного события равна P( A) = =1P(A) .

Геометрическое определение вероятности. Классическим оп-

ределением вероятности легко пользоваться тогда, когда Вы можете посчитать число возможных исходов, а как быть, если это сделать невозможно, например, когда число исходов бесконечно? Например, Вы настолько плохой стрелок, что можете попасть только в квадрат мишени, причем в совершенно произвольное место. Пусть в мишени, как обычно, нарисованы концентрические круги,

10