核電儀控系統(tǒng)技術(shù)就緒度評估方法研究

孫凌宇，李鑫寶，朱麗莉，呂曉玲

（河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300000）

1 引言

人類對于能源的需求日益增長，核能具備清潔、高效等優(yōu)點備受青睞。盡管核能具有廣闊的發(fā)展前景，但是核能的發(fā)展一直受到核電廠安全性的制約。從1979年文獻[1]放射性物質(zhì)泄漏事故，核電廠的安全日益受到社會的關(guān)注。核電儀控系統(tǒng)作為整個核電站的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對確保核電站的安全、經(jīng)濟運行起著至關(guān)重要的作用。故應(yīng)關(guān)注核電廠儀控系本身的安全性、可靠性。事實上，核電儀控系統(tǒng)因為生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、被控制量繁多、模型復(fù)雜難以進一步深入，設(shè)計、生產(chǎn)、裝配、監(jiān)測要求嚴苛。

核電儀控系統(tǒng)項目是一個大型的復(fù)雜系統(tǒng)，往往具有建設(shè)周期長、成本高、風險較大等特點。且涉及的技術(shù)復(fù)雜繁多，現(xiàn)有的研究對于核電儀控系統(tǒng)進行技術(shù)水平分析時，多是從環(huán)境效益與經(jīng)濟效益方面對技術(shù)先進性和適用性進行評價，對于應(yīng)用條件方面，目前尚未有一個標準的度量方法可判斷技術(shù)處于什么水平狀態(tài)、能否用于大規(guī)模推廣應(yīng)用。文獻[2?3]提出了技術(shù)就緒度在核電研發(fā)中的設(shè)想，初步探究了基于技術(shù)就緒度評估的研發(fā)管理體系及評價細則的制定。并沒有細致探究技術(shù)就緒度評估體系方法。

國內(nèi)出臺了一系列的技術(shù)就緒度標準文件，但是在不同行業(yè)中關(guān)于技術(shù)就緒度評估的評價標準方法不盡相同，目前國內(nèi)還未有核電系統(tǒng)專用的技術(shù)就緒度評估方法。現(xiàn)有的系統(tǒng)技術(shù)就緒度評估方法為平均法、技術(shù)就緒度因子法、系統(tǒng)成熟度矩陣法等[4]。平均法沒有考慮到關(guān)鍵技術(shù)元素的權(quán)重問題；技術(shù)就緒度因子法表征系統(tǒng)距目標技術(shù)就緒度值的距離，并不能反映當前項目系統(tǒng)的技術(shù)就緒度值；系統(tǒng)成熟度矩陣法考慮了關(guān)鍵技術(shù)單元間的相互作用，卻不能反映技術(shù)單元對于整個系統(tǒng)的影響程度。關(guān)鍵技術(shù)單元是指在工作分解結(jié)構(gòu)中能夠獨立表達、獨立測量、獨立評價的基本單元，不僅僅可以是某一種技術(shù)，可以是幾種技術(shù)集成的模塊、組件。在核電儀控系統(tǒng)中，由于其在研發(fā)過程中側(cè)重于技術(shù)的改進及環(huán)境的應(yīng)用。在進行關(guān)鍵技術(shù)元素篩選確定時，一般以組件或單個非購買的零部件作為關(guān)鍵技術(shù)元素。

這里針對核電儀控系統(tǒng)自身的技術(shù)特點和行業(yè)特征，提出一種適用于核電儀控系統(tǒng)的技術(shù)就緒度評價方法。分析提出注重于環(huán)境試驗、可靠性分析與鑒定試驗的技術(shù)就緒度等級評價準則，在技術(shù)就緒度評價時，綜合專家權(quán)重和關(guān)鍵技術(shù)元素權(quán)重，運用熵值法，充分結(jié)合主觀與客觀有效信息。最后將新的技術(shù)就緒度評價方法運用到堆芯運行狀態(tài)監(jiān)測儀，并將基于TRL的技術(shù)就緒度評價方法引入到核電儀控系統(tǒng)的項目評價中。

2 核電儀控系統(tǒng)技術(shù)就緒度

技術(shù)就緒度，顧名思義，是指技術(shù)就緒的程度，可理解為當前的技術(shù)水平相對于技術(shù)生命周期所處的發(fā)展狀態(tài)；現(xiàn)在廣義上是指在項目研制進程中其技術(shù)要素、制造要素以及資源管理等相對于整個項目進程所處的位置，也稱作技術(shù)成熟度，其客觀、量化地反映了技術(shù)對于項目預(yù)期目標的滿足程度。技術(shù)就緒度最早是由美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出的，并于1995年發(fā)布了《TRL白皮書》，將技術(shù)就緒度按照技術(shù)的發(fā)展程度劃分為9 個等級，并給出了各個等級的定義、具體含義等。2001 年美國國防部（DoD）開始運用技術(shù)就緒度。隨后，英國、加拿大以及北約國家都引入并開展技術(shù)就緒度評價工作[5?6]。我國自20世紀90年代初引入技術(shù)就緒度以來，對于技術(shù)就緒度的研究與應(yīng)用主要開展在軍工、航空航天、醫(yī)療器械等多個領(lǐng)域[7]。

這里基于傳統(tǒng)的技術(shù)就緒度評估方法，改進了評價流程，如圖1所示。

圖1 技術(shù)就緒度評價流程圖Fig.1 Flow Chart of Technical Readiness Assessment

主要分為以下步驟：

（1）建立技術(shù)就緒度評價小組，并制定技術(shù)就緒度評價工作計劃；

（2）成立評價專家組，專家組成員應(yīng)由從事核電專業(yè)的技術(shù)專家、項目管理專家、行政專家及財務(wù)專家等組成，由于專家對于項目的了解方面、學(xué)術(shù)知識水平等不同，為保證評價的準確性，運用AHP等方法賦予專家相應(yīng)的權(quán)重；

（3）評價小組根據(jù)系統(tǒng)項目特點和目標要求，制定技術(shù)就緒度評價細則。

（4）評價小組對于項目進行工作結(jié)構(gòu)分解，并從分解的體系結(jié)構(gòu)中整理技術(shù)元素清單，專家打分篩選出關(guān)鍵技術(shù)元素并計算出關(guān)鍵技術(shù)元素重要度。

（5）收集關(guān)鍵技術(shù)元素及整機的等級評價支撐信息。

（6）對照評價細則，進行項目綜合等級評價；根據(jù)各關(guān)鍵技術(shù)元素成熟度評定的等級，分析系統(tǒng)項目的技術(shù)狀態(tài)、制造狀態(tài)、管理狀態(tài)等。綜合評定項目的技術(shù)就緒度等級，并完成技術(shù)就緒度評價報告。

（7）專家進行現(xiàn)場的檢查及技術(shù)就緒度評價。

2.1 核電儀控系統(tǒng)技術(shù)就緒度等級的定義

技術(shù)就緒度等級表征全壽命周期內(nèi)技術(shù)的發(fā)展狀態(tài)[8]，技術(shù)就緒度在不同的領(lǐng)域應(yīng)用時，由于系統(tǒng)自身的特殊性、差異性、運用通用等級評價準則往往會造成評價對象技術(shù)成熟度特性及要求描述不夠準確。應(yīng)該結(jié)合評價對象的實際特點，制定更具有針對性和特殊性的成熟度等級評價準則。在制定評價準則時應(yīng)遵循：對應(yīng)性、一致性以及術(shù)語轉(zhuǎn)換原則。當前，我國電行業(yè)具有其特殊性，對于可靠性和安全性要求較高，目前尚未有關(guān)于專門適用于核電儀控系統(tǒng)的技術(shù)就緒度評價方法?；诖?，本文提出一種適用于核電儀控系統(tǒng)的技術(shù)就緒度9級等級描述，如表1所示。

表1 TRL 9級含義及描述Tab.1 TRL Level 9 Meaning and Description

為了確定系統(tǒng)項目是否達到該等級，應(yīng)對每一個等級制定相應(yīng)的評價細則，并進行權(quán)重方面的量化。細則的準確制定應(yīng)根據(jù)對應(yīng)級別中以取該級別所需的技術(shù)狀態(tài)、制造狀態(tài)、項目規(guī)劃方面的關(guān)鍵要素。核電儀控系統(tǒng)中各模塊之間需要進行數(shù)據(jù)的傳輸，硬件上一般配有背板總線與接口，數(shù)據(jù)的傳輸不僅需要硬件同時需要軟件的正確運行。故一般在進行技術(shù)就緒度評價時考慮集成就緒度，接口是零部件的一部分，在TRL5級時原理樣機已經(jīng)完成，整機的功能性能需要組件間的集成?；诖?，在進行核電儀控系統(tǒng)技術(shù)就緒度評價時一般不考慮集成就緒度。

在進行技術(shù)就緒度評估（TRA）時，根據(jù)TRL九級的定義并結(jié)合技術(shù)狀態(tài)、制造狀態(tài)、項目規(guī)劃等制定技術(shù)就緒度評估細則，并形成調(diào)查問卷打分表。在判斷關(guān)鍵技術(shù)元素達到某一級別時，不同關(guān)鍵技術(shù)元素可能達到的級別程度不一致，則整個系統(tǒng)的技術(shù)就緒度等級若按照平均值來計算顯得不合理；故對關(guān)鍵技術(shù)元素進行權(quán)重的賦值。

3 關(guān)鍵技術(shù)元素識別

傳統(tǒng)識別CTE 的過程一般采用專家打分法，即根據(jù)項目或系統(tǒng)的特點，進行工作/技術(shù)/功能結(jié)構(gòu)分解，找到技術(shù)單元，由人工篩選出CTE的清單，然后由專家打分并給出意見，通過討論得出最終一致性的關(guān)鍵技術(shù)元素清單。一般來說，這種方法有很大的弊端，由于專家人數(shù)較少，即樣本較少，導(dǎo)致結(jié)果主觀性大、不確定性大[9]。

基于此，這里在傳統(tǒng)專家打分的基礎(chǔ)上提出了基于信息熵的專家打分法，融合了專家的權(quán)重，使得評價結(jié)果更加貼近實際，更科學(xué)、更合理。關(guān)鍵技術(shù)元素權(quán)重是進行技術(shù)就緒度等級評價的重要的一個步驟，每個關(guān)鍵技術(shù)元素的重要度不同，其在研制過程中存在的技術(shù)風險也不相同，每個關(guān)鍵技術(shù)元素在研制過程中，其進度也不一定相同，故所處的技術(shù)就緒度等級也存在差異，如何確定整個技術(shù)就緒度等級情況。根據(jù)準則對于各關(guān)鍵技術(shù)元素進行合理的定性定量分析，確定其權(quán)重大小是技術(shù)就緒度等級評估關(guān)鍵的一步。

專家的選擇是進行技術(shù)就緒度必不可少的一步，一般在選擇專家時，由于項目涵蓋的領(lǐng)域較廣，故一般不僅要選擇行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜?，也要選擇一些財務(wù)專家、行政專家及技術(shù)工程師等使得評估結(jié)果更全面合理[10]。

3.1 熵值法

熵值法最初表示的是一個熱力學(xué)的物理概念，其用來表示一種能量在空間中分布的均勻程度。而在系統(tǒng)論中，用事件發(fā)生的概率的倒數(shù)表示該事件的信息[11]。設(shè)第j項指標在第i項評價指標上的觀測值為xij，計算第j個指標的熵權(quán)為：

式中：m—指標值。

第j項指標的權(quán)為：

3.2 基于信息熵的關(guān)鍵技術(shù)元素評價

專家分別對子技術(shù)元素進行評價，依據(jù)美軍《技術(shù)就緒評估手冊》中的CTE 判定準則，根據(jù)大型項目的特點，判定準則建議如下：

（1）該技術(shù)對系統(tǒng)性能、進度、成本、實際使用有重大影響；

（2）該技術(shù)可能引起主要的開發(fā)風險或演示驗證風險；

（3）該技術(shù)是新技術(shù)或者是已重新包裝以適用于新的相關(guān)環(huán)境；

（4）該技術(shù)已經(jīng)從曾經(jīng)的成功應(yīng)用中被修改。

專家依據(jù)準則對每個子技術(shù)元素進行賦值評價，根據(jù)重要程度與風險程度對子技術(shù)元素分為以下五個等級，如表2所示。

表2 重要程度等級表Tab.2 Iimportance Scale

運用信息熵進行關(guān)鍵技術(shù)元素識別及權(quán)重賦值的步驟為：

（1）選擇m位專家，運用德爾菲法或?qū)哟畏治龇ǖ确椒?，得到每個專家的權(quán)重為：

（2）專家根據(jù)自己的先驗知識，綜合系統(tǒng)項目的特點以及各子技術(shù)元素的重要程度、風險大小，對每一個子技術(shù)元素進行打分，每行歸一化后即可得到專家對于子技術(shù)元素權(quán)重矩陣。其權(quán)重矩陣為：

式中：wij—第i位專家評定的第j項子技術(shù)元素的權(quán)重。且：

（3）計算子技術(shù)元素主觀權(quán)重。權(quán)重矩陣中融和專家的權(quán)重，得到主觀評價后的各子技術(shù)元素的權(quán)重為：

（4）計算熵權(quán)。運用式（1）、式（2）計算子技術(shù)元素的客觀權(quán)重。

（5）計算整體權(quán)重?？陀^權(quán)重修正主觀權(quán)重，主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相乘，并進行歸一化處理，即可得到子技術(shù)元素的權(quán)重[12]。

（6）關(guān)鍵技術(shù)元素及權(quán)重的確定。權(quán)重過小的則認為非關(guān)鍵技術(shù)元素，重新計算關(guān)鍵技術(shù)元素的權(quán)重。設(shè)關(guān)鍵技術(shù)元素個數(shù)為p個。則各關(guān)鍵技術(shù)元素的權(quán)重為：

4 技術(shù)就緒度等級確認

4.1 調(diào)差問卷表的制定

技術(shù)就緒度評估維度的權(quán)重依據(jù)不同的項目背景而有所區(qū)別，同時也跟項目所處的階段有關(guān)系；同時每個維度下檢查的內(nèi)容不止一條，對于每條檢查內(nèi)容重要程度不同，其權(quán)重也不相同。專家采用德爾菲法對于每一條檢查內(nèi)容根據(jù)重要程度設(shè)定相應(yīng)的分值。并根據(jù)滿足情況分成四個滿足程度：完全滿足、基本滿足、部分滿足、不滿足，分別為四個滿足情況設(shè)置滿足系數(shù)分別為：完全滿足（1），基本滿足（0.8），部分滿足（0.5），不滿足（0）。進行技術(shù)就緒度評分時可以根據(jù)滿足程度，得到整個關(guān)鍵技術(shù)元素等級的滿足程度[13]。進而考慮到各關(guān)鍵技術(shù)元素的權(quán)重以及專家的權(quán)重，對于極端專家意見可重新進行評估，后加權(quán)平均可以得到整個系統(tǒng)的技術(shù)就緒度等級。綜合分析項目的技術(shù)狀態(tài)、制造狀態(tài)、項目規(guī)劃狀態(tài)，以及存在的問題，潛在的風險等。

表3 技術(shù)就緒度評估調(diào)查問卷示例表Tab.3 Sample Table of the Technical Readiness Assessment Questionnaire

5 實例驗證

堆芯水位監(jiān)測系統(tǒng)針對核電壓力容器內(nèi)正常運行和事故后水位的連續(xù)在線監(jiān)測。是核反應(yīng)堆安全運行必需的核心測量一起。

這里以某堆芯水位監(jiān)測儀為應(yīng)用實例，識別出該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)元素，為進行系統(tǒng)的技術(shù)就緒度評估奠定基礎(chǔ)。

堆芯水位監(jiān)測系統(tǒng)主要包含水位信號采集和信號處理兩個子系統(tǒng)，分別對子系統(tǒng)進行工作結(jié)構(gòu)分解，如圖2所示。

圖2 堆芯水位監(jiān)測系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)分解圖Fig.2 Working Structure Decomposition Diagram of Core Water Level Monitoring System

由圖可知，堆芯水位監(jiān)測系統(tǒng)子技術(shù)元素為：探測器一體式集成技術(shù)、加熱功率優(yōu)化技術(shù)[14]、信號實時傳輸技術(shù)、A/D信號轉(zhuǎn)換技術(shù)、信號延遲消除技術(shù)、模塊化技術(shù)、信息交互技術(shù)。

邀請5名專家分別是來自行業(yè)技術(shù)專家3名，項目管理專家1名和行政管理專家1名。

對各位專家采用互評的方式，通過AHP方法得到專家的權(quán)重分別為，0.24，0.22，0.21，0.17，0.16。

歸一化后得到:

結(jié)合專家的權(quán)重得到：

結(jié)合表中數(shù)據(jù)得到各關(guān)鍵技術(shù)元素的主觀權(quán)重評價結(jié)果分別為：

同理，得到：

根據(jù)公式計算得到：

某項指標的信息熵與1之間的差值表征該指標的信息效用價值，其直接影響指標的權(quán)重，信息的效用值越大，對評價的影響程度越大，則指標權(quán)重越大，反之亦然。

信息的效用值計算公式為：

由上述計算結(jié)果可以得出，專家普遍認為A/D信號轉(zhuǎn)換技術(shù)與信息交互技術(shù)重要程度較低，認為其為非關(guān)鍵技術(shù)元素，對其他五個關(guān)鍵技術(shù)元素的權(quán)重重新計算為：

專家依據(jù)關(guān)鍵技術(shù)元素技術(shù)就緒度證明資料，采用德爾菲法進行調(diào)查問卷的填寫，統(tǒng)計調(diào)查問卷可以得到各關(guān)鍵技術(shù)元素的技術(shù)就緒度等級，分別為：

根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)元素的權(quán)重加權(quán)后可以得到整個系統(tǒng)的技術(shù)就緒度等級為7.14.等級去整數(shù)即為達到了技術(shù)就緒度7級水平。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)技術(shù)就緒度評估方法只進行關(guān)鍵技術(shù)元素的篩選與確認，在進行系統(tǒng)技術(shù)就緒度等級計算時，只采用了算術(shù)平均法。而核電儀控系統(tǒng)整個項目制作復(fù)雜，涉及應(yīng)用到的技術(shù)種類繁多，且有的技術(shù)新穎又風險較大，故應(yīng)該把整個關(guān)鍵技術(shù)元素的重要程度考慮在內(nèi)。通過實例表明，將信息熵理論引入關(guān)鍵技術(shù)元素的權(quán)重研究，能綜合多個專家的意見使專家的評價更客觀，且能反映各關(guān)鍵技術(shù)元素在整個系統(tǒng)中的重要程度。但如何更加科學(xué)賦值專家的權(quán)重，以及在技術(shù)就緒度計算中考慮技術(shù)風險與進度是下一步的研究重點。