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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭至欽
研究生(外文):Chih-Ching Cheng
論文名稱:模糊理論於安全度評估之應用
論文名稱(外文):Fuzzy Theory Applied To Probabilistic Risk Assessment
指導教授:李 敏
指導教授(外文):Min Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:164
中文關鍵詞:模糊理論安全度評估類神經網路HCR模式部分失效風險分析
外文關鍵詞:Fuzzy TheoryProbabilistic Risk AssessmenNeuro NetworkHCR modelPartial failureRisk Analysis
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隨著工業的發達,工業安全的問題越來越受重視,如何有效的評估出系統的安全,找出系統安全的弱點是工業界迫切需要的。傳統安全度評估方法,利用機率統計與可靠度的理論,使用故障樹(fault tree)、事件樹(event tree)等工具,評估出影響系統安全組件與行為的相對重要程度,以作為系統設計、運轉、維修的參考依據。安全度評估方法行之多年,其效果已被許多應用者所肯定,但是仍然有一些缺點是與現實的認知有所差異,本論文的主要目的是利用類神經與模糊理論來改進這些缺點。
本論文利用模糊理論可用來處理不明確量化的特點,將一般安全度評估方法中元件故障的觀點,由原先是(壞)與不是(不壞)的二分法改變成為歸屬程度的問題,使得評估的方法更符合一般人的認知。
風險(risk)的意義應該同時考慮事情發生的機率(probability)與發生時的後果(consequence),發生時的後果不易評估且相當主觀,利用模糊推論系統的方法,將原先對於數值變數的觀點改變成為語意化的變數(linguistic variable) ,可以更容易將運轉設計人員對於系統的認知與經驗,納入評估的過程之中。
人類的行為具有很高的變異性與不可預測性,而且人為可靠度在系統安全一直扮演一個相當重要的角色,因此,在評估系統安全時不可忽略人為可靠度的重要性。人為可靠度的評估結果,一直存在著相當大的不準確度。本論文利用HCR(human cognitive reliability)的理論與實驗數據,結合類神經網路與模糊的應用技術,建立一套人為可靠度的評估系統,並將專家的意見植入評估系統,使得評估的過程更簡單、更容易接受,評估的結果也更能反映出現實的情況。
The subject for industrial safety becomes more and more emphatic with the progress of industry. It is urgent for industry to assess the safety and figure out the weakness of the system. Conventional probabilistic risk assessment (PRA) bases on probabilistic, statistic and reliability theory evaluate the relative importance of influential components and human behaviors using fault tree and event tree. The criteria for system design, operation and maintenance refer to the conclusions of PRA. PRA have applied for many years, and users approve its great functions, however, there are still some disadvantages of PRA, which conflict with real-life situation. The purpose of this paper is to modify these disadvantages utilizing Neuro-Network and Fuzzy theory.
This paper applies the characteristic of fuzzy theory to deal with indefinite circumstance, transfers the binary conception in traditional PRA that components only have yes (normal) and No (failure) two discrete states of condition into membership conception in fuzzy theory that components have continuous states of condition.
The idea of risk should combine simultaneously the chance of abnormal event to happened and its consequence if it does happen. It is very difficult to estimate the consequence of occurred event, and usually depend on the subjective judgement of expert in the process of estimation. This paper using fuzzy inference system to shift numerical variable into linguistic variable so that the experience and knowledge of operator can be implanted into the process of assessment easily.
Human behaviors are uncertainty and unpredictable, and human reliability plays an important role in system reliability, therefore, it can not be ignored in system risk assessment. This paper employ theory and experimental data of HCR (Human Cognitive Reliability) model, combine with neuro-network and fuzzy applicant technique, to builds up a human reliability evaluation system, and expert’s opinions have implanted into this system. It is more simple and acceptable to assess, and the result can reflect the real-life situation by using this evaluation system.
目 錄
論文摘要……………………………………………………………Ⅰ
致謝辭………………………………………………………………Ⅱ
目錄…………………………………………………………………Ⅲ
表目錄………………………………………………………………Ⅵ
圖目錄………………………………………………………………Ⅷ
第一章 前言………………………………………………………1-1
1.1 安全度評估方法的重要性…………………………………1-1
1.2 模糊理論與類神經網路……………………………………1-1
1.2.1 模糊理論………………………………………………1-1
1.2.2 類神經網路……………………………………………1-2
1.3 研究目的……………………………………………………1-2
1.4 論文的架構…………………………………………………1-4
第二章 安全度評估方法…………………………………………2-1
2.1 可靠度理論……………………………………………..2-1
2.2 故障樹分析………………..………………………………2-2
2.3 事件樹分析……………………………………………...2-4
2.4人為可靠度分析……………………………………………2-5
2.4.1 簡介……………………………………………………2-5
2.4.1.1 人為誤失………………………………………..2-6
2.4.1.2 人為誤失的分類………………………………..2-6
2.4.1.3 人為操作誤失 …………………………………2-7
2.4.2 人為誤失之量化模式…………………………………2-8
2.4.2.1 THERP模式…………………………………………2-9
2.4.2.2 HCR模式…………………………………………2-11
2.5重要度分析………………………………………………….2-16
第三章模糊理論與類神經網路………………………………….3-1
3.1 模糊理論簡介……………………………………………..3-2
3.2 明確集合與模糊集合……………………………………..3-2
3.3 模糊集合之基本運算……………………………………..3-5
3.4 模糊數的運算……………………………………………..3-8
3.4.1 α-截集……………………………………………..3-8
3.4.2 模糊數的定義…………………………………………3-9
3.4.3 延伸定理………………………………………………3-9
3.4.4 模糊數的運算…………………………………………3-11
3.5 模糊推論系統……………………………………………..3-15
3.5.1 If-Then Rules……………………………………..3-15
3.5.2 模糊推論的步驟………………………………………3-16
3.6 類神經網路……………………………………………..3-20
3.6.1 ANFIS 的結構………………………………………..3-22
3.6.2 混和式的學習法則……………………………………3-25
3.7 結論………………………………………………………..3-26
第四章 人為誤失機率的評估……………………………………4-1
4.1簡介…………………………………………………………4-1
4.2實作修正因子的判斷………………………………………4-4
4.2.1 模糊推論系統的建立…………………………………4-4
4.2.2 運轉人員的訓練……………………………………4-9
4.2.3 運轉人員壓力狀況……………………………………4-11
4.2.4 人機介面狀況…………………………………………4-11
4.2.5 分析與比較……………………………………………4-13
4.2.6 結論……………………………………………………4-14
4.3 訓練等級的判斷…………………………………………..4-15
4.4 人為可靠度的量化………………………………………..4-24
4.4.1 類神經網路模型的建立………………………………4-24
4.4.1.1 訓練數據的取得…………………………………4-24
4.4.1.2 類神經網路的訓練………………………………4-26
4.4.1.3 驗證訓練結果……………………………………4-27
4.4.1.4 行為類別的判斷…………………………………4-27
4.4.1.5 結論………………………………………………4-30
4.4.2 實例分析………………………………………………4-30
4.4.2.1 判斷運轉班訓練等級……………………………4-32
4.4.2.2 運轉員及時注硼…………………………………4-32
4.4.2.3 運轉員防止自動釋壓系統自動啟動……………4-35
4.4.2.4 運轉員手動洩壓…………………………………4-38
4.4.2.5 運轉員防止壓力槽水位過高……………………4-40
4.5結論…………………………………………………………4-42
第五章 部分失效…………………………………………………5-1
5.1 簡介………………………………………………………..5-1
5.1.1 任務的成功與否與時間有關…………………………5-1
5.1.2 任務的達成與系統的效能有關…………………...5-3
5.2 部分失效分析的步驟……………………………………..5-3
5.3 實例分析…………………………………………………..5-6
5.4 結果討論與結論…………………………………………..5-12
5.4.1 結果討論………………………………………………5-12
5.4.2 結論………………………………………………… 5-13
第六章 風險分析…………………………………………………6-1
6.1前言………………………………………………………….6-1
6.2 分析步驟…………………………………………………..6-2
6.2.1 輻射物質釋放量………………………………………6-3
6.2.1.1 壓力槽外之輻射物質釋放……………………..6-6
6.2.1.2 暫態事故之壓力槽內輻射物質釋放……………6-7
6.2.1.3 冷卻水流失事故之壓力槽內輻射物質釋放……6-10
6.2.1.4 分析比較…………………………………………6-13
6.2.2 嚴重度分析……………………………………………6-19
6.2.3 風險分析………………………………………………6-23
6.2.4 結論……………………………………………………6-24
6.3 實例分析…………………………………………………..6-28
6.4 重要度分析…………………………………………………6-38
6.5 結論………………………………………………………..6-39
第七章 結論與未來工作…………………………………………7-1
7.1 結論……………………………………………………...7-1
7.2 未來工作………………………………………………...7-2
第八章 參考資料………………………………………………..8-1
表 目 錄
表2.1 布林代數運算規則…………………………………….….2-3
表2.2 運轉員注硼動作THERP模式分析樹解釋………………….2-10
表2.3 HCR模式以最小平方法歸納之參數…………….……….2-12
表2.4 HCR模式修正因子之定義……..………………………….2-15
表2.5 各種重要度的定義………………………………….…….2-17
表3.1 類神經網路與模糊邏輯的優缺點…………………………3-2
表3.2 比較蘇式與曼德尼推論方法的優點………………………3-23
表3.3 ANFIS混和式學習過程………………………………………3-26
表4.1 運轉員修正因子歸屬函數分類與定義……………………4-5
表4.2 實作修正因子推論系統輸出的歸屬函數…………………4-8
表4.3實作修正因子模糊推論If-then規則………………………4-10
表4.4 模糊推論參數的改變情形…………………………………4-14
表4.5 運轉人員訓練程度推論系統輸出的歸屬函數……………4-19
表4.6 運轉人員訓練程度推論系統If-then規則…………………4-20
表4.7 ANFIS輸入歸屬函數數目對與訓練誤差的變化……………4-27
表4.8 各運轉班評量結果…………………………………………4-33
表4.9 運轉員注硼動作量化結果…………………………………4-37
表4.10 運轉員防止自動釋壓系統自動動作量化結果……………4-37
表4.11 運轉員手動洩壓量化結果…………………………………4-43
表4.12 運轉員防止壓力槽水位過高動作量化結果………………4-43
表5.1 考慮部分失效前後基本事件重要度排序…………………5-14
表6.1 輻射物質釋放量歸屬函數定義與數值……………………6-9
表6.2 壓力槽外輻射釋放量模糊推論If-then 規則……………6-9
表6.3 輻射物質釋放量歸屬函數定義與數值……………………6-12
表6.4 暫態事故之壓力槽內輻射釋放量模糊推論If-then 規則6-12
表6.5 輻射物質釋放量歸屬函數定義與數值……………………6-15
表6.6 冷卻水流失事故之壓力槽內輻射釋放量模糊推論If-then 規則…6-15
表6.7 嚴重度分析輸出歸屬函數定義與數值……………………6-20
表6.8 嚴重度分析模糊推論If-then 規則………………………6-20
表6.9 風險的歸屬函數與數值……………………………………6-27
表6.10 風險評估模糊推論If-then 規則…………………………6-27
表6.11 核一廠喪失飼水暫態事件樹各事故序列的延伸情況……6-33
表6.12 各釋放類別輻射釋放量的評比與推論結果………………6-36
表6.13 釋放類別嚴重度的評比與推論的結果……………………6-37
表6.14 發生機率的分類原則……………………………………6-39
表6.15 將風險度加入前後重要度排序的變化…………………6-42
表6.16 將風險度加入前後風險成績價值比重要度排序的變化.6-43
表6.17 將風險度加入前後風險減少價值比重要度排序的變化.6-44
圖 目 錄
圖2.1 事件樹…………………………………..……………….2-5
圖2.2 一般人為誤失的成因……………..…………………….2-8
圖2.3 THERP模式分析樹………………………………………….2-10
圖2.4 行為類別之判斷邏輯………………………………………2-13
圖2.5 HCR模式三種行為類別時間對失效機率之曲線……………2-14
圖3.1 中年人的特徵函數……………………………………….3-4
圖3.2 中年人的歸屬函數……………………………………….3-4
圖3.3 集合A與集合B的交集……………………………………3-6
圖3.4 模糊A集合與B集合的交集…………………………………3-6
圖3.5 模糊A集合與B集合的聯集…………………………………3-6
圖3.6 模糊A集合及其補集……………………………………….3-7
圖3.7 模糊α截集…………………………………………………3-8
圖3.8 凸集模糊集合…………………………………………….3-10
圖3.9 非凸集模糊集合………………………………………….3-10
圖3.10 模糊數為C的模糊集合……………………………………3-10
圖3.11 兩個模糊數的相加……………………………………….3-13
圖3.12 兩個模糊數的相乘……………………………………….3-14
圖3.13 模糊推論系統…………………………………………….3-16
圖3.14 食物美味的歸屬函數…………………………………….3-18
圖3.15 模糊運算的過程………………………………………….3-18
圖3.16 常用模糊If-then 規則與推理機制…………………..3-19
圖3.17 Implication 的過程及結…………………………….3-20
圖3.18 合成(aggregation)的過程及結果………….……….3-21
圖3.19 反模糊化的結果……………………………….………..3-22
圖3.20 (a)第三類模糊推理…………………………………….3-24
(b)ANFIS結構………………………………..……….3-24
圖4.1 實作修正因子模糊推論系統…………………………….4-6
圖4.2 運轉人員訓練程度歸屬函數 ………………….………..4-6
圖4.3 運轉人員壓力的歸屬函數……………………………….4-7
圖4.4 人機介面歸屬函數……………………………………….4-7
圖4.5 運轉員訓練程度與修正係數的關係…………………….4-10
圖4.6 運轉員壓力狀況與修正係數的關係…………………….4-12
圖4.7 人機介面與修正係數的關係…………………………….4-13
圖4.8 改變不同參數後之訓練程度與修正係數關係圖…….…4-16
圖4.9 改變不同參數後之壓力狀況與修正係數關係圖……….4-16
圖4.10 改變不同參數後之人機介面與修正係數關係圖……...4-17
圖4.11 HCR模式修正係數分配狀況………………………………4-17
圖4.12 模糊推論系統修正係數分配狀況……………………...4-18
圖4.13 運轉班默契歸屬函數…………………………………..4-19
圖4.14 組員對狀況掌握的歸屬函數…………………………..4-20
圖4.15 指揮者對狀況掌握的歸屬函數………………………..4-21
圖4.16 運轉班決策形式與協調聯繫的歸屬函數……………...4-21
圖4.17 運轉班默契與訓練程度關係圖………………………...4-23
圖4.18 決策形式與協調聯繫與訓練程度關係圖……………...4-24
圖4.19 組員對狀況掌握程度與訓練程度關係圖……………...4-25
圖4.20 指揮者對狀況掌握程度與訓練程度關係圖…………...4-25
圖4.21 訓練誤差的變化過程………………………………...4-28
圖4.22 ANFIS輸出與訓練數據關係圖……………………………4-28
圖4.23 技巧行為類別ANFIS輸出與HCR結果比較圖…………...4-29
圖4.24 規則行為類別ANFIS輸出與HCR結果比較圖…………..4-29
圖4.25 知識行為類別ANFIS輸出與HCR結果比較圖…………...4-29
圖4.26 運轉員行為類別判斷事件樹…………………………...4-31
圖4.27 運轉員注硼行為類別判斷事件樹……………………...4-34
圖4.28 運轉員防止自動釋壓系統自動啟動行為類別判斷事件樹4-36
圖4.29 運轉員手動洩壓行為類別判斷事件樹……………..….4-39
圖4.30 運轉員防止水位過高行為類別判斷事件樹………..….4-41
圖5.1 時間對於任務失敗的歸屬函數………………………….5-2
圖5.2 爐心熔毀歸屬函數…………………………………………5-4
圖5.3 機率對任務失敗的歸屬函………………………….....5-5
圖5.4 模糊數計算結……………………………………….....5-6
圖5.5 主蒸汽未隔離預期暫態未急停事件樹(金山電廠)……5-7
圖5.6 注硼時間對任務失敗歸屬函……………………….....5-8
圖5.7 泵浦運轉部分失效歸屬函數…………………...…..5-9
圖5.8 防止水位過高時間對任務失敗的歸屬函數…………...5-10
圖6.1 核電廠PRA分析方法架構……………………………….6-4
圖6.2 一階事故序列發展狀況………………………………….6-5
圖6.3 釋放類別嚴重度的判斷過程…………………………….6-6
圖6.4 圍阻體噴灑系統歸屬函數……………………………….6-8
圖6.5 抑壓池旁通歸屬函數…………………………………….6-8
圖6.6 圍阻體失效時間歸屬函數……………………………….6-8
圖6.7 各對壓力槽外之因素對輻射物質釋放量的影響………..6-10
圖6.8 圍阻體噴灑系統歸屬函數…………………………….6-11
圖6.9 抑壓池旁通歸屬函數…………………………………….6-11
圖6.10 圍阻體失效時間歸屬函數……………………………...6-11
圖6.11 各因素對暫態事故之壓力槽內輻射物質釋放量的影響.6-13
圖6.12 圍阻體噴灑系統歸屬函數……………………………….6-14
圖6.13 抑壓池旁通歸屬函數……………………………………6-14
圖6.14 圍阻體失效時間歸屬函數……………………………….6-14
圖6.15 各因素對冷卻水流失事故之壓力槽內輻射物質釋放量的影響…...6-16
圖6.16 噴灑系統的使用效能對輻射物質釋出量的影響………6-16
圖6.17 抑壓池旁通的程度對輻射物質釋出量的影響………….6-18
圖6.18 圍阻體失效時間對輻射物質釋出量的影響…………….6-18
圖6.19 輻射物質釋放量歸屬函數……………………………….6-21
圖6.20 圍阻體失效時間歸屬函數……………………………….6-21
圖6.21 建築物遲滯效應歸屬函數……………………………….6-21
圖6.22 輻射物質釋放量對嚴重度的影響……………………….6-22
圖6.23 圍阻體失效的時間對嚴重度的影響…………………….6-22
圖6.24 建築物遲滯效應對嚴重度的影響………………………6-23
圖6.25 機率大小的歸屬函數……………………………………6-25
圖6.26 嚴重度大小歸屬函數…………………………………….6-25
圖6.27 頻率的大小對風險的影響……………………………….6-26
圖6.28 嚴重度的大小對風險的影響…………………………….6-26
圖6.29 核一廠喪失飼水暫態事件樹……………………………6-30
圖6.30 金山核電廠損害狀態邏輯分類圖……………………….6-31
圖6.31 輻射源項外事類別……………………………………….6-32
圖6.32 風險度調整曲線………………………………………….6-41
第八章 參考資料
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