基于知识图谱的设备可靠性数据融合方法在核电站系统中的应用研究

本文提出了一种创新方法，通过知识图谱（Knowledge Graph）技术融合核电站（NPP）设备可靠性（ER）数据。该方法利用基于模型的系统工程（MBSE）模型作为知识图谱的骨架，整合了数值型状态监测数据和文本型状态报告，通过技术语言处理（TLP）和异常检测提取知识。研究旨在解决异构数据整合挑战，为系统工程师提供结构化数据环境，以追踪历史可靠性表现、识别事件因果关系，并支持预测性维护决策，代表了核能领域数据驱动可靠性管理的重要进展。

　　

ER Data Taxonomy（ER数据分类法）

如第1节所述，核电站（NPP）设备可靠性（ER）数据在性质上可能是异质的（例如，数值和文本数据）。理解和捕捉ER数据元素之间的关系需要一个数据分类过程。每个ER数据元素的分类并非唯一，并且可能依赖于上下文。出于本文的研究范围，我们基于因果关系的视角进行了这种分类（见图1）。更具体地说，一个通用设备可以...

Considered System（所考虑的系统）

本文考虑的系统是一个现有核电站的循环水系统（CWS）。通常，该系统用于多种类型的发电厂（例如，燃煤、燃气、燃油），其设计目的是从汽轮机-冷凝器系统中带走余热并将其释放到环境中。在我们的案例中，水通过进水闸从水体（如湖泊或河流）中收集。移动筛网随后会清除水中的碎片、水生生物和可能损坏CWS组件的外来物体。

ER Data（ER数据）

本节描述了本研究涵盖的2012-2022年期间收集的大量数据。这些数据包括状态监测数据（数值性质）和大量的状态报告数据（文本性质）。第4.1节（监测数据）和第4.2节（文本数据）分别详细介绍了数值和文本数据元素。

Analysis of ER Data（ER数据分析）

为了在本文中更清晰地阐述，我们遵循以下五个步骤来分析第4节中描述的CWS数据元素（数值和文本），并构建相应的CWS系统知识图谱（见图4和表2）：

• 步骤1：MBSE工作流。由电厂和CWS设计文件提供的系统架构信息被转换为MBSE模型（见第6节）。

• 步骤2：数值工作流。CWS异常是从CWS数值监测数据中推断出来的（见...

System Digital Representation（系统数字化表示）

系统工程师有效分析ER数据的能力取决于他们对系统架构以及构成该系统的设备之间的物理和逻辑依赖关系的了解。当前的ER数据分析工具仅依赖于可用数据，并且对产生这些数据的实际运行上下文是盲目的。这里的“上下文”一词指的是被监测和观察的实际物理元素、该类型元素支持的功能、其在系统架构中的位置以及其运行条件。为了将这种上下文引入数据分析过程，我们依赖于基于模型的系统工程（MBSE）模型。这些模型捕获了系统的架构（即物理）和功能（即因果）关系。MBSE模型作为知识图谱的骨干，为ER数据元素提供了必要的上下文，使数据分析师能够理解数据所指的系统部分以及不同元素之间如何相互关联。

Analysis of numeric data（数值数据分析）

适用于任何科学或技术背景的异常检测方法在公开文献中的数量是巨大的，对这类方法进行全面概述以比较其在所考虑系统上的性能超出了本文的范围。这些方法可以依赖于经典统计、机器学习（ML）或深度学习方法，每种方法都有不同的优点、缺点和操作范围。主要...

Analysis of Textual Data（文本数据分析）

对第4.2节中呈现的文本数据的分析沿着两条路径进行：使用技术语言处理（TLP）方法的知识提取和文本摘要。这两条路径将分别在8.1节（从文本数据中提取知识）和8.2节（文本摘要分析）中详细讨论。

TEMPORAL CORRELATION ANALYSIS（时间相关性分析）

第7节（数值数据分析）和第8节（文本数据分析）介绍了分析数值和文本ER数据元素的方法。下一步是识别来自ER数据元素（例如，来自异常报告（IR）或数值异常）的事件之间可能的因果关系。此处，事件之间的因果关系被定义为它们相互时间和逻辑关系的组合。更具体地说，当一个事件的发生对另一个事件的发生有已知的物理或功能影响时，事件之间就存在逻辑关系...

ER Knowledge Graph（ER知识图谱）

本节提供了关于可靠性知识图谱的拓扑结构（见第10.1节）和构建过程（见第10.2节）的详细信息。

KNOWLEDGE GRAPH IN AN EQUIPMENT RELIABILITY CONTEXT（设备可靠性背景下的知识图谱）

知识图谱提供了一种结构化的方式来存储和组织数据，允许将异构数据元素和系统架构集成到单个数据库结构中。这种结构被设计成对人类可解释、可理解、可探索、稳健且可重现的，并侧重于数据元素之间的关系。

所提出的基于知识图谱的方法的好处包括能够捕获和整合来自各种来源的数据、增强的查询能力...

Conclusions（结论）

本文提出了一种旨在整体集成ER数据（包括数值和文本）以知识图谱的形式跟踪和记录历史和设备可靠性表现的方法。我们构建知识图谱方法的第一个新颖之处在于，它除了系统架构之外，还包含了观测和记录的数据。

事实上，我们依靠MBSE模型通过图表（基于图表的形式和功能表示）来捕获系统架构，...