基于模糊FMECA方法的空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性分析

張梅 王偉鵬 白春星

摘 要：為分析空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，建立該系統(tǒng)故障模式FMECA模型，進(jìn)行模糊FMECA分析，通過(guò)模糊評(píng)判和層次分析法降低主管評(píng)價(jià)對(duì)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的影響，最終計(jì)算出系統(tǒng)可靠性等級(jí)。

關(guān)鍵詞：可靠性;模糊綜合評(píng)判;FEMCA

1.引言

隨著輻射測(cè)量?jī)x表數(shù)字化程度的提高、核探測(cè)技術(shù)以及無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在大氣環(huán)境放射性監(jiān)測(cè)、區(qū)域放射源搜尋、核應(yīng)急監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，我院自主研制的空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將碘化鈉探測(cè)器和氣溶膠探測(cè)器安裝在無(wú)人機(jī)上，在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中探測(cè)空中γ輻射強(qiáng)度變化，并據(jù)此獲得地面及空中的放射性信息。

現(xiàn)有空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性分析主要基于給定零部件MTBF值進(jìn)行平均故障間隔時(shí)間計(jì)算實(shí)現(xiàn)。該方法僅能大致描述設(shè)備整體可靠性，難以針對(duì)具體故障模式與故障部位在設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)等各個(gè)階段進(jìn)行特異性改進(jìn)。針對(duì)現(xiàn)有缺陷與同類型產(chǎn)品故障模式，采用模糊FMECA方法，對(duì)空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，確定可靠性等級(jí)并提出改進(jìn)措施。

2.空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障模式分析

2.1 空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FMEA分析

該設(shè)備采用主要包括一枚大體積的碘化鈉探測(cè)器和氣溶膠探測(cè)器，利用該探測(cè)器的高探測(cè)效率，可在高空中發(fā)現(xiàn)地面的劑量率異常，繪制核輻射污染分布;搭載雙G-M計(jì)數(shù)管可測(cè)量從環(huán)境水平到10Gy/h的高放射性環(huán)境劑量;溴化鑭探測(cè)器可以利用其高能量分辨率的特性實(shí)現(xiàn)多種放射性核素的空中在線識(shí)別。

信號(hào)處理系統(tǒng)處理各輻射探測(cè)器的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)通訊模塊發(fā)送給地面保障系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)在生態(tài)環(huán)境部核技術(shù)中心現(xiàn)有軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，具備實(shí)時(shí)繪制飛行軌跡、單核素及其劑量率;實(shí)時(shí)接入任務(wù)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù);遠(yuǎn)程設(shè)置譜儀刷新頻率、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù);圖像分析與信息結(jié)合;繪制核輻射污染分布，概略預(yù)報(bào)核輻射污染擴(kuò)散趨勢(shì)等功能。

采用FMECA方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析。該方法的關(guān)鍵在于利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)故障模式的嚴(yán)重度、發(fā)生度、探測(cè)度進(jìn)行賦值，并進(jìn)而計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)RPN。根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件、客戶意見(jiàn)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得到空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)表如下：

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)RPN即用于評(píng)定故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其數(shù)值等于發(fā)生度等級(jí)、嚴(yán)酷度等級(jí)、可探度等級(jí)的乘積。

2.2 基于模糊FMECA風(fēng)險(xiǎn)決策模型

2.3.1模糊邏輯原理在FMECA的應(yīng)用

在對(duì)故障模式做危害度評(píng)價(jià)的過(guò)程中，由于個(gè)體間認(rèn)識(shí)的差異，定量分析的結(jié)果往往存在很多主觀色彩，而且隨著影響因素的增多，各因素互相制約、互相影響，很難客觀地給出綜合評(píng)判結(jié)果。為了改善 FMECA 在應(yīng)用過(guò)程中存在的弊端，現(xiàn)有理論將模糊理論引入其中來(lái)彌補(bǔ)不足。

2.3.2確定因素集、評(píng)語(yǔ)集與模糊評(píng)價(jià)矩陣

為了進(jìn)行綜合評(píng)定，需首先確定單因素評(píng)價(jià)的因素集于評(píng)語(yǔ)集。

由因素集與評(píng)語(yǔ)集可得因素水平等級(jí)表，該表最為評(píng)價(jià)小組建立評(píng)價(jià)矩陣的基礎(chǔ)。

建立10人評(píng)價(jià)小組對(duì)故障模式進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，對(duì)i個(gè)影響因素評(píng)價(jià)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即可得到該故障模式的綜合評(píng)價(jià)矩陣R。

統(tǒng)計(jì) 15 個(gè)故障模式的每個(gè)評(píng)價(jià)因素相應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度數(shù)值，即可得到總的評(píng)價(jià)隸屬度矩陣。

2.3.3確定各因素的權(quán)重

對(duì)于不同使用場(chǎng)景的不同功用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，嚴(yán)酷度、發(fā)生度與可探度對(duì)可靠性的影響可能有較大差距。而系統(tǒng)各種故障模式對(duì)整體可靠性的影響也存在一定差距，所以需要對(duì)各個(gè)因素設(shè)置權(quán)重。通過(guò)對(duì)不同因素設(shè)置不同的比例權(quán)數(shù)體現(xiàn)每個(gè)因素的重要程度。

（1）一級(jí)權(quán)重判定

對(duì)一級(jí)因素集嚴(yán)酷度、發(fā)生度與可探度由于其因素?cái)?shù)量較少，定義明確，采用判斷更精細(xì)的九標(biāo)度判斷尺度法進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

注意若i對(duì)j的判斷尺度為a，則j對(duì)i的判斷尺度為1/a。

依據(jù)以上步驟得到一級(jí)因素權(quán)重計(jì)算表：

在實(shí)際操作過(guò)程中，由于情況的復(fù)雜性可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)矩陣不滿足一致性要求，所以在得到評(píng)價(jià)矩陣后首先需對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性指標(biāo)CI可表示為：

式中λmax為矩陣的最大特征根，n為矩陣維度。

理想情況下CI=0，矩陣滿足一致性要求，但一般情況下CI≠0，此時(shí)我們需約定CI為一略大于0值即可認(rèn)定矩陣滿足一致性要求。一般設(shè)置為CI<0.1。

CI=0，矩陣符合一致性要求，得到一級(jí)權(quán)向量W1=[0.429，0.429，0.143]

（2）二級(jí)權(quán)重判定

將多種故障模式對(duì)可靠性的影響作為二級(jí)權(quán)重判定，由于故障模式多樣，故障情況復(fù)雜，此時(shí)使用九標(biāo)度法會(huì)給專家的評(píng)判帶來(lái)困難。一般采用更容易判斷的三標(biāo)度法得到簡(jiǎn)介判斷矩陣，并進(jìn)一步的將三標(biāo)度矩陣換算為九標(biāo)度矩陣，換算系數(shù)如下：

bm為基點(diǎn)比較標(biāo)度，當(dāng)換算為九標(biāo)度時(shí)取9。

沿用一級(jí)權(quán)重的評(píng)判方法并引用三標(biāo)度矩陣至九標(biāo)度矩陣的換算系數(shù)，并對(duì)多名專家的給出的權(quán)重值結(jié)果進(jìn)行算數(shù)平均，最終計(jì)算得到二級(jí)權(quán)重：

2.3.4多級(jí)評(píng)判結(jié)果及清晰化

（1）一級(jí)模糊評(píng)判

采用加權(quán)平均模型進(jìn)行模糊評(píng)判，該模型考慮了全部因素的影響，模型表達(dá)式為：

實(shí)際應(yīng)用以故障模式F1為例，使用一級(jí)權(quán)向量W1=[0.429，0.429，0.143]對(duì)模糊矩陣進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果為：

依次類推可得到全部故障模式的模糊評(píng)價(jià)集。

（2）二級(jí)模糊評(píng)判

將一級(jí)模糊矩評(píng)價(jià)集組合即可作為二級(jí)評(píng)判中的模糊評(píng)級(jí)矩陣：

二級(jí)評(píng)判集的計(jì)算過(guò)程與一級(jí)模糊評(píng)判計(jì)算相同，將表9中二級(jí)權(quán)重值代入，可得二級(jí)模糊評(píng)價(jià)集[8]：

（3）評(píng)判結(jié)果的清晰化

用過(guò)兩級(jí)模糊評(píng)判，最終我們得到了系統(tǒng)可靠性的評(píng)判集。但評(píng)判結(jié)果依然是一個(gè)模糊向量，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)判。為得到定量的結(jié)果需要對(duì)模糊評(píng)判集進(jìn)行清晰化。

使用重心法對(duì)評(píng)價(jià)集進(jìn)行清晰化處理，該方法的計(jì)算公式如下：

VI為評(píng)語(yǔ)集，即（1，2，3，4，5）。

將二級(jí)模糊評(píng)價(jià)集代入公式（2-10），可得評(píng)判可靠性結(jié)果為D=2.454。

D即為空中輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全等級(jí)。根據(jù)同類產(chǎn)品相關(guān)國(guó)標(biāo)及文獻(xiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了可靠性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表6。

參考文獻(xiàn)：

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