李志榮

核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)效能評(píng)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(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)考核評(píng)估結(jié)果能全面、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)場(chǎng)所中的作業(yè)能力，依據(jù)核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)作業(yè)保障特點(diǎn)，構(gòu)建了核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上提出采用“記號(hào)”的表達(dá)方式改進(jìn)美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢(xún)委員會(huì)提出的用于評(píng)估可靠性、可用性和能力的系統(tǒng)效能評(píng)估模型(Availability-Dependability-Capability-Model, ADC模型)，使其評(píng)估結(jié)果不僅能定量地反映核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在作業(yè)過(guò)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(duì)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(cè)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(cè)，改進(jìn)ADC模型，效能評(píng)估

目前，評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)設(shè)備的優(yōu)異主要依據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)行考核[1]。功能齊全、指標(biāo)先進(jìn)、可靠性高的監(jiān)測(cè)設(shè)備被認(rèn)為是優(yōu)良的設(shè)備，但在實(shí)際復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下，監(jiān)測(cè)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(chǎng)需要越好[2]。由此可知，評(píng)價(jià)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(lái)考慮，即依據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備在實(shí)際使用中能否達(dá)到較高的作業(yè)效能（或稱(chēng)貢獻(xiàn)率）來(lái)評(píng)價(jià)儀器設(shè)備的好壞。

核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)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(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)，其作業(yè)效能高低（或稱(chēng)貢獻(xiàn)率大?。┲苯佑绊懙酵瓿扇蝿?wù)的效果。如何評(píng)估核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)效能，是應(yīng)急保障分隊(duì)和作業(yè)指揮決策中應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。而科學(xué)合理地構(gòu)建核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系，是評(píng)估核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系有助于克服與避免評(píng)估工作中的主觀(guān)偏好，從而使評(píng)估做到全面、客觀(guān)、公正，便于準(zhǔn)確掌握核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)作業(yè)保障特點(diǎn)，對(duì)于小面積沾染區(qū)域監(jiān)測(cè)，通常采用核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的車(chē)載輻射監(jiān)測(cè)儀實(shí)施偵察。在車(chē)輛無(wú)法進(jìn)入時(shí)，再由偵察人員攜帶便攜式輻射監(jiān)測(cè)儀徒步進(jìn)入實(shí)施偵察。對(duì)大面積沾染區(qū)域監(jiān)測(cè)，通常采用車(chē)載式與機(jī)載式輻射監(jiān)測(cè)儀實(shí)施快速偵察[3]。

偵察不同沾染區(qū)域，環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)作業(yè)效能會(huì)有所不同。

為準(zhǔn)確掌握核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能力現(xiàn)狀，構(gòu)建核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系時(shí)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(jiǎn)單地將各設(shè)備性能指標(biāo)進(jìn)行羅列。因?yàn)橄到y(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(píng)估構(gòu)建核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)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(cè)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?yàn)榉秶綄挕?shù)量越多，分散對(duì)主要指標(biāo)因素的評(píng)價(jià)，反而會(huì)適得其反[5]。

圖1 核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)效能評(píng)估模型的建立

美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢(xún)委員會(huì)(Weapon System Effectiveness Industrial Advisory Committee, WSEIAC)提出的ADC (Availability-Dependability-Capability-Model)效能評(píng)估模型[6-7]是一種定量的效能評(píng)估模型，它可以將評(píng)估的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，使評(píng)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(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)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(guò)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(shí)（未考慮作業(yè)場(chǎng)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(shí)踐效果意義。而核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)效能是一種動(dòng)態(tài)的評(píng)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(shí)采用“記號(hào)”的表達(dá)方式，對(duì)ADC評(píng)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(jì)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(cè)系統(tǒng)由n個(gè)相同的獨(dú)立監(jiān)測(cè)單元組成時(shí)，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(shí)間；TMR為平均故障修復(fù)時(shí)間。

當(dāng)核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由n個(gè)不相同的獨(dú)立監(jiān)測(cè)單元組成時(shí)，只需按式(3)把原本相同的單元展開(kāi)寫(xiě)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(cè)系統(tǒng)由n個(gè)相同的獨(dú)立監(jiān)測(cè)單元組成時(shí)，在監(jiān)測(cè)過(guò)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(kāi)始時(shí)所處的狀態(tài)；j表示系統(tǒng)完成任務(wù)時(shí)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(shí)間。

當(dāng)核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由n個(gè)不相同的獨(dú)立監(jiān)測(cè)單元組成時(shí)，同樣可根據(jù)式(4)把原本相同的單元展開(kāi)寫(xiě)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(cè)系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)體系可知，實(shí)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(jì)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(cè)系統(tǒng)作業(yè)能力由對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力和靜態(tài)的設(shè)計(jì)能力兩部分組成，其公式為：

式中，記號(hào)Ci表示系統(tǒng)的初始狀態(tài)；記號(hào)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(guò)程；e-(λi-λj)t為變化過(guò)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(lèi)。

2.4 作業(yè)效能模型的建立

由于核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各設(shè)備可單獨(dú)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(duì)于完成相同任務(wù)的同類(lèi)項(xiàng)式需進(jìn)行合并與整理，其公式為：

3 應(yīng)用實(shí)例

以一機(jī)動(dòng)式核電應(yīng)急場(chǎng)外輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由車(chē)載輻射監(jiān)測(cè)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(chē)載輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備的輻射監(jiān)測(cè)車(chē)為越野吉普底盤(pán)，監(jiān)測(cè)設(shè)備主機(jī)設(shè)置在車(chē)內(nèi)，γ能譜分析儀探頭設(shè)置在車(chē)內(nèi)，輻射劑量率儀探頭設(shè)置在車(chē)外。其技術(shù)性能為：① γ射線(xiàn)測(cè)量范圍：0.1 μSv·h-1-1 Sv·h-1；② 自然環(huán)境適應(yīng)性：車(chē)外探頭為-40 - +50 °C，相對(duì)濕度≤95%；γ能譜分析儀為-20 - +50 °C，可淋雨；車(chē)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(chē)運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)與沖擊；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(chē)內(nèi)，可離車(chē)由作業(yè)人員攜持徒步進(jìn)行測(cè)量。其技術(shù)性能為：① γ射線(xiàn)測(cè)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(duì)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(shí)）-16 °C，最低氣溫（06:00時(shí)）-32 °C，日氣溫年統(tǒng)計(jì)偏差(σ) 3 °C，降水概率30%，車(chē)體不密封，車(chē)內(nèi)車(chē)外溫度相同。作業(yè)地域?yàn)橹械绕鸱兀瑐€(gè)別路面起伏接近吉普車(chē)的接近角或離去角，系統(tǒng)的運(yùn)載車(chē)并無(wú)防滑鏈配備，屆時(shí)難以通過(guò)。作業(yè)地域約有20%這樣的路面。

試評(píng)估輻射監(jiān)測(cè)車(chē)（開(kāi)啟車(chē)外探頭測(cè)γ劑量率，開(kāi)啟車(chē)內(nèi)γ譜儀測(cè)能譜，同時(shí)開(kāi)啟便攜式輻射儀測(cè)劑量率）一天中的作業(yè)效能。

通過(guò)實(shí)例分析，即可做出一條隨時(shí)間變化的溫度曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 隨時(shí)間變化的溫度曲線(xiàn)Fig.2 Temperature curve with time.

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

通過(guò)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(shí)際工作溫度為[-20 °C, +50 °C]，便攜式輻射儀(Rc)的實(shí)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(guò)公式代入即可求出三種設(shè)備受溫度影響的概率，而對(duì)于濕度和地域的影響可由實(shí)例分析得出，參見(jiàn)表1。

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

因?yàn)檐?chē)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(kāi)始工作時(shí)的狀態(tài)為：

由實(shí)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(shí)，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(cè)系統(tǒng)作業(yè)效能為：

結(jié)果表明，受環(huán)境因素影響，車(chē)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(chē)載輻射劑量率儀和便攜式輻射儀測(cè)沾染地域γ劑量率的作業(yè)效能為70%，γ能譜分析儀測(cè)沾染地域能譜的作業(yè)效能為22%。

4 結(jié)語(yǔ)

由實(shí)例分析可知，效能評(píng)估模型加入“記號(hào)”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(duì)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(píng)估方式的不足，使核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)考核評(píng)估結(jié)果更真實(shí)地反映作業(yè)場(chǎng)所作業(yè)能力，便于準(zhǔn)確掌握核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)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(cè)能力以及為研發(fā)新型核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)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(guó)家重大工程核生化安全保障技術(shù)裝備研制項(xiàng)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(zhuān)業(yè)

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

中國(guó)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