核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效能評估

李志榮

核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效能評估

李志榮

（北京防化研究院 北京 102205）

為使核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)性能指標(biāo)考核評估結(jié)果能全面、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)在實際作業(yè)場所中的作業(yè)能力，依據(jù)核應(yīng)急輻射監(jiān)測作業(yè)保障特點，構(gòu)建了核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上提出采用“記號”的表達(dá)方式改進(jìn)美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會提出的用于評估可靠性、可用性和能力的系統(tǒng)效能評估模型(Availability-Dependability-Capability-Model, ADC模型)，使其評估結(jié)果不僅能定量地反映核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)在作業(yè)過程中不同設(shè)備完成同一任務(wù)的總體效能，以及不同設(shè)備對總體效能的貢獻(xiàn)，而且還能定量地反映核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)中不同設(shè)備完成不同任務(wù)的作業(yè)效能。

核應(yīng)急輻射監(jiān)測，改進(jìn)ADC模型，效能評估

目前，評價監(jiān)測設(shè)備的優(yōu)異主要依據(jù)監(jiān)測設(shè)備的性能指標(biāo)來進(jìn)行考核[1]。功能齊全、指標(biāo)先進(jìn)、可靠性高的監(jiān)測設(shè)備被認(rèn)為是優(yōu)良的設(shè)備，但在實際復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下，監(jiān)測設(shè)備并不是性能指標(biāo)越先進(jìn)越好，而是越適應(yīng)現(xiàn)場需要越好[2]。由此可知，評價設(shè)備好壞不能單從功能齊全，性能指標(biāo)先進(jìn)與否出發(fā)，而是應(yīng)從設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)層面來考慮，即依據(jù)監(jiān)測設(shè)備在實際使用中能否達(dá)到較高的作業(yè)效能（或稱貢獻(xiàn)率）來評價儀器設(shè)備的好壞。

核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)（包括地理信息、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等部分）作為遂行監(jiān)測任務(wù)的基礎(chǔ)，其作業(yè)效能高低（或稱貢獻(xiàn)率大?。┲苯佑绊懙酵瓿扇蝿?wù)的效果。如何評估核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效能，是應(yīng)急保障分隊和作業(yè)指揮決策中應(yīng)關(guān)注的問題。而科學(xué)合理地構(gòu)建核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系，是評估核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效能的關(guān)鍵?？茖W(xué)合理的核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系有助于克服與避免評估工作中的主觀偏好，從而使評估做到全面、客觀、公正，便于準(zhǔn)確掌握核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)能力現(xiàn)狀，找出薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)不足。

1 核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)核應(yīng)急輻射監(jiān)測作業(yè)保障特點，對于小面積沾染區(qū)域監(jiān)測，通常采用核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)中的車載輻射監(jiān)測儀實施偵察。在車輛無法進(jìn)入時，再由偵察人員攜帶便攜式輻射監(jiān)測儀徒步進(jìn)入實施偵察。對大面積沾染區(qū)域監(jiān)測，通常采用車載式與機(jī)載式輻射監(jiān)測儀實施快速偵察[3]。

偵察不同沾染區(qū)域，環(huán)境對監(jiān)測設(shè)備的影響不同，采用不同的偵察方案，核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效能會有所不同。

為準(zhǔn)確掌握核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)能力現(xiàn)狀，構(gòu)建核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系時不僅要考慮系統(tǒng)的固有能力（自身性能），而且還要考慮系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。但是，即便是系統(tǒng)自身固有能力，其指標(biāo)也不能是簡單地將各設(shè)備性能指標(biāo)進(jìn)行羅列。因為系統(tǒng)性能指標(biāo)是系統(tǒng)技術(shù)性能的抽象，是技術(shù)層面的表述，而系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)是系統(tǒng)作業(yè)能力的抽象，是使用層面的表述，前者是后者的概括，后者是前者的細(xì)化。

所以，評估構(gòu)建核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系應(yīng)包含多指標(biāo)、多層次，并且這些指標(biāo)按照一定的功能排列，能全面、系統(tǒng)地反映核應(yīng)急輻射監(jiān)測任務(wù)中各種因素的影響，如圖1所示[4]。但是這些指標(biāo)并非范圍越寬、數(shù)量越多越好，因為范圍越寬、數(shù)量越多，分散對主要指標(biāo)因素的評價，反而會適得其反[5]。

圖1 核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系Fig.1 Operation index system of nuclear emergency radiation monitoring system.

2 核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)效能評估模型的建立

美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(Weapon System Effectiveness Industrial Advisory Committee, WSEIAC)提出的ADC (Availability-Dependability-Capability-Model)效能評估模型[6-7]是一種定量的效能評估模型，它可以將評估的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，使評估人員快速做出合理的選擇，提高作業(yè)人員工作效率，其公式為：

式中，A為可用性，表示系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時所處狀態(tài)的量度；D為可信性，表示系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中所處狀態(tài)的量度；C為固有能力，表示系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)之能力的量度。

該模型是系統(tǒng)處于靜態(tài)時（未考慮作業(yè)場環(huán)境因素的影響）系統(tǒng)間技術(shù)能力的比較，是由系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)決定的，不具有實踐效果意義。而核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效能是一種動態(tài)的評估，效能不僅由系統(tǒng)固有技術(shù)狀態(tài)決定，而且還由系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境因素決定。因此，本文依據(jù)WSEIAC提出的ADC模型，引入環(huán)境因素，同時采用“記號”的表達(dá)方式，對ADC評估模型進(jìn)行合理改進(jìn)，其公式為：

式中，E為系統(tǒng)作業(yè)效能；CD為系統(tǒng)設(shè)計能力；CE為環(huán)境適應(yīng)能力。

2.1 可用性模型的建立

當(dāng)核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)由n個相同的獨立監(jiān)測單元組成時，其當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)由可用性向量表示為：

式中，TBF為平均故障間隔時間；TMR為平均故障修復(fù)時間。

當(dāng)核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)由n個不相同的獨立監(jiān)測單元組成時，只需按式(3)把原本相同的單元展開寫成由不同單元組成即可。

2.2 可信性模型的建立

當(dāng)核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)由n個相同的獨立監(jiān)測單元組成時，在監(jiān)測過程中系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)變化由可信性矩陣表示為：

其中：式中，i表示系統(tǒng)在任務(wù)開始時所處的狀態(tài)；j表示系統(tǒng)完成任務(wù)時所處的狀態(tài)；λ為故障率；μ為修復(fù)率；t為任務(wù)工作時間。

當(dāng)核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)由n個不相同的獨立監(jiān)測單元組成時，同樣可根據(jù)式(4)把原本相同的單元展開寫成由不同單元組成即可。

2.3 能力模型的建立

根據(jù)核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系可知，實際作業(yè)中表現(xiàn)出的能力是系統(tǒng)自身固有能力（由設(shè)計決定，以技術(shù)特征指標(biāo)體系表述）和作業(yè)環(huán)境因素相互作用的結(jié)果，因而核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)能力由對動態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力和靜態(tài)的設(shè)計能力兩部分組成，其公式為：

式中，記號Ci表示系統(tǒng)的初始狀態(tài)；記號Cj表示系統(tǒng)完成任務(wù)狀態(tài)；Ci- Cj表示系統(tǒng)由初始狀態(tài)向完成任務(wù)狀態(tài)變化的過程；e-(λi-λj)t為變化過程中系統(tǒng)的可靠性；Pk(t)為系統(tǒng)各影響因素出現(xiàn)的概率；S為環(huán)境因素的種類。

2.4 作業(yè)效能模型的建立

由于核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)中各設(shè)備可單獨執(zhí)行任務(wù)，也可彼此以并聯(lián)形式相互結(jié)合共同執(zhí)行任務(wù)，因此，根據(jù)式(2)對于完成相同任務(wù)的同類項式需進(jìn)行合并與整理，其公式為：

3 應(yīng)用實例

以一機(jī)動式核電應(yīng)急場外輻射監(jiān)測系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由車載輻射監(jiān)測設(shè)備（包括輻射劑量率儀和γ能譜分析儀兩部分）和便攜式輻射儀組成。(1) 車載輻射監(jiān)測設(shè)備的輻射監(jiān)測車為越野吉普底盤，監(jiān)測設(shè)備主機(jī)設(shè)置在車內(nèi)，γ能譜分析儀探頭設(shè)置在車內(nèi)，輻射劑量率儀探頭設(shè)置在車外。其技術(shù)性能為：① γ射線測量范圍：0.1 μSv·h-1-1 Sv·h-1；② 自然環(huán)境適應(yīng)性：車外探頭為-40 - +50 °C，相對濕度≤95%；γ能譜分析儀為-20 - +50 °C，可淋雨；車內(nèi)主機(jī)為-20 - +50 °C；③ 機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性：適應(yīng)汽車運(yùn)輸?shù)恼駝优c沖擊；④ 可靠性(Mean-Time-Between-Failure, MTBF)：輻射劑量率儀為588 h；γ能譜分析儀為400 h；⑤ 維修性(Mean-Time-To-Repair, MTTR)：輻射劑量率儀為50h；γ能譜分析儀為45 h；(2) 便攜式輻射儀置于車內(nèi)，可離車由作業(yè)人員攜持徒步進(jìn)行測量。其技術(shù)性能為：① γ射線測量范圍：0.1 μSv·h-1- 0.1Sv·h-1；② 環(huán)境適應(yīng)性：-40 - +50 °C，相對濕度≤95%，可淋雨；③MTBF：1000 h；④ MTTR：1 h。

系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境：冬季，最高氣溫（14:00時）-16 °C，最低氣溫（06:00時）-32 °C，日氣溫年統(tǒng)計偏差(σ) 3 °C，降水概率30%，車體不密封，車內(nèi)車外溫度相同。作業(yè)地域為中等起伏地，個別路面起伏接近吉普車的接近角或離去角，系統(tǒng)的運(yùn)載車并無防滑鏈配備，屆時難以通過。作業(yè)地域約有20%這樣的路面。

試評估輻射監(jiān)測車（開啟車外探頭測γ劑量率，開啟車內(nèi)γ譜儀測能譜，同時開啟便攜式輻射儀測劑量率）一天中的作業(yè)效能。

通過實例分析，即可做出一條隨時間變化的溫度曲線，如圖2所示。

圖2 隨時間變化的溫度曲線Fig.2 Temperature curve with time.

該曲線中任意時刻的溫度統(tǒng)計漲落服從正態(tài)分布T-N(y,32)，其分布函數(shù)為：

通過變量代換，令式(7) u=(m-y)/σ，即可得到標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布M-N(0,1)。

由于輻射劑量率儀(Ra)和γ能譜分析儀(Rb)的實際工作溫度為[-20 °C, +50 °C]，便攜式輻射儀(Rc)的實際工作溫度為[-40 °C, +50 °C]，而環(huán)境溫度漲落為[-41 °C, -7 °C]。因此，通過公式代入即可求出三種設(shè)備受溫度影響的概率，而對于濕度和地域的影響可由實例分析得出，參見表1。

表1 環(huán)境影響因素Table 1 Environmental influence factors.

因為車載輻射劑量率儀(Ra)、γ能譜分析儀(Rb)和便攜式輻射儀(Rc)為并聯(lián)的工作狀態(tài)，所以作業(yè)組在開始工作時的狀態(tài)為：

由實例可知，輻射劑量率儀MTBF1=588 h， MTTR1=50 h；γ能譜分析儀MTBF2=400 h，MTTR2=45 h；便攜式輻射儀MTBF3=1000 h，MTTR3=1 h。當(dāng)t=24 h時，根據(jù)式(3)可求得可用性A為：

A=[0.8276, 0.070374, 0.09311, 0.000828, 0.000093, 0.00007, 0.007917, 0.000008]

由于任務(wù)期間不進(jìn)行維修，則根據(jù)式(4)可求得可信性D矩陣為：

根據(jù)式(5)可求得能力C矩陣為：

因此，核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效能為：

結(jié)果表明，受環(huán)境因素影響，車載輻射劑量率儀(Ra)的作業(yè)效能為16%，γ能譜分析儀(Rb)的作業(yè)效能為22%，便攜式輻射儀(Rc)的作業(yè)效能為65%；而為完成同一任務(wù)，車載輻射劑量率儀和便攜式輻射儀測沾染地域γ劑量率的作業(yè)效能為70%，γ能譜分析儀測沾染地域能譜的作業(yè)效能為22%。

4 結(jié)語

由實例分析可知，效能評估模型加入“記號”的表達(dá)方式，可清晰定量地區(qū)分不同設(shè)備完成同一任務(wù)的總體效能和不同設(shè)備對總體效能的貢獻(xiàn)，以及不同設(shè)備完成不同任務(wù)的作業(yè)效能，解決了技術(shù)指標(biāo)考核評估方式的不足，使核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)考核評估結(jié)果更真實地反映作業(yè)場所作業(yè)能力，便于準(zhǔn)確掌握核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)能力現(xiàn)狀，找出薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)不足，提高監(jiān)測能力以及為研發(fā)新型核應(yīng)急輻射監(jiān)測系統(tǒng)提供一定的借鑒和參考。

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Operational effectiveness evaluation of the nuclear emergency radiation monitoring system

LI Zhirong
(Research Institute of Chemical Defense, Beijing 102205, China)

Background:Currently, nuclear emergency radiation monitoring system (NERMS) contains a wide range of equipments of different performance. The operational effectiveness of NERMS can only be judged by its technical performance or through operational exercises under assumed environmental condition. However, such judgement of NERMS’s operational effectiveness can neither reflect the influence of the real environmental conditions to the NERMS, nor verify the particular contribution of different models of the same category to the operational effectiveness. While the Availability Dependability Capability (ADC) model developed by the Weapon System Effectiveness Industry Advisory Committee (WSEIAC) is widely used for quantitative evaluations of weapon systems, it is suitable only for evaluation of individual equipment rather than the whole system. And the ADC model can not reflect the influence of operational environmental conditions.Purpose:This study aims to propose a novel method for the evaluation of NERMS which is adaptable to the real operational environment.Methods:The evaluation of NERMS is divided into two parts, one is the system design capability, and the other is its adaptability to the real operational environment. The integrated evaluation index system of NERMS is constructed. And the ADC model is improved by using ‘mark’ expression.Results:The result of the evaluation can quantitatively reflect not only the total operational effectiveness of NERMS’s multiple different equipment on the same task and the contribution of NERMS’s particular equipment to the total operational effectiveness, but also the operational effectiveness of NERMS’s different equipment on different tasks.Conclusion:The model proposed in this paper may serve as a reference for developing and improving NERMS.

Nuclear emergency radiation monitoring, Improved ADC model, Effectiveness evaluation

TL75+1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120603

國家重大工程核生化安全保障技術(shù)裝備研制項目(No.2013BAK03B04)資助

李志榮，女，1973年出生，2006年于裝備指揮技術(shù)學(xué)院獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為在職博士研究生，輻射防護(hù)及環(huán)境保護(hù)專業(yè)

Supported by the National Major Project of Technology Research and Equipment Development about Nuclear Biological and Chemical Security (No.2013BAK03B04)

中國First author: LI Zhirong, female, born in 1973, graduated and awarded the master’s degree from the Academy of Equipment Command and Technology in 2006, PhD student, radiation protection and environment protection

2015-08-10，

2015-10-22

CLCTL75+1