黃婧雯

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽(yáng) 621009)

0 引言

聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置作為我國(guó)高能激光領(lǐng)域的前沿，具有科技含量高、技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)苛、運(yùn)行難、維護(hù)度高等特點(diǎn)[1]。每年在該裝置上開展的物理實(shí)驗(yàn)排程緊密，運(yùn)行成本高。為了保障聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)的有效開展，必須在每輪物理實(shí)驗(yàn)前對(duì)各方面的技術(shù)條件和準(zhǔn)備情況進(jìn)行系統(tǒng)、全面的檢查與確定，保證各方條件滿足策劃要求，避免和減少在最終產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用等方面可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)評(píng)價(jià)具有涉及范圍廣、學(xué)科寬、層次深、因素多、指標(biāo)繁等特點(diǎn)，通過使用具有多體系、多指標(biāo)結(jié)構(gòu)描述、系統(tǒng)性、綜合性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法，可以將不確定信息定量化，同時(shí)引入熵值法修正模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，彌補(bǔ)和修正由主觀因素帶來的判斷偏差，可以科學(xué)、客觀、全局、有效地進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。因此，聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)評(píng)價(jià)擬采用熵值-模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

因該類項(xiàng)目的特殊性，國(guó)內(nèi)很少有關(guān)于聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方式。本文以聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)為背景，利用熵值客觀賦權(quán)及模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，建立準(zhǔn)備狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)模型，綜合使用定性和定量的科學(xué)方法，將不確定因素轉(zhuǎn)換為相對(duì)確定因素，在一定程度上消除主觀偏差，根據(jù)策劃的要求，滿足策劃的目的[4]。準(zhǔn)確地甄別問題，科學(xué)地解耦設(shè)計(jì)，規(guī)避因可控的因素導(dǎo)致不可控的后果，優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，提升物理實(shí)驗(yàn)管理模式，使用更科學(xué)、更客觀的評(píng)價(jià)體系，考慮各級(jí)因素帶來的后果，整合指標(biāo)之間的權(quán)重，滿足實(shí)驗(yàn)策劃要求，促進(jìn)整體精密化水平的提升。

1 熵值-模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立

熵值理論指出，一個(gè)系統(tǒng)的有序程度越高，信息熵越大；無序程度越高，信息熵越小[5]。熵值法根據(jù)較多客觀數(shù)據(jù)計(jì)算出權(quán)重，即確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量。步驟如下。

1.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象建立評(píng)價(jià)指標(biāo)論域和評(píng)價(jià)等級(jí)論域，如下

評(píng)價(jià)指標(biāo)論域U={u1，u2，…，un}

(1)

評(píng)價(jià)等級(jí)論域V={v1，v2，…，vm}

(2)

1.2 熵值法確定指標(biāo)的權(quán)向量

1.2.1 建立評(píng)判矩陣

設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，建立數(shù)據(jù)矩陣。本研究通過專家對(duì)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)打分獲得評(píng)價(jià)等級(jí)的評(píng)判結(jié)果，根據(jù)評(píng)判結(jié)果確定數(shù)據(jù)矩陣，如下

(3)

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化處理

為了消除評(píng)價(jià)指標(biāo)的不可公度性，運(yùn)用極差變換法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[6]。

對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象越大越好的指標(biāo)如下

(4)

對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象越小越好的指標(biāo)如下

(5)

通過上述變換后即可得到模糊關(guān)系評(píng)判矩陣Y

(6)

1.2.3 計(jì)算指標(biāo)值比重

計(jì)算指標(biāo)值yij在指標(biāo)j下的比重，如下

(7)

式中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

1.2.4 計(jì)算指標(biāo)的熵值

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值，如下

(8)

式中，k>0，k=1/ln(m)，ej≥0。

由此可得指標(biāo)j的差異性系數(shù)gi=1-ej。對(duì)于給定的指標(biāo)j，yij的差異性越小，則ej越大；當(dāng)yij全部相等時(shí)，ej=1；當(dāng)指標(biāo)之間的差異越大時(shí)，則該項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)的作用越大。

1.2.5 計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，如下

(9)

得到各指標(biāo)的權(quán)重向量為

W=(w1,w2,…,wm)

1.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

模糊關(guān)系矩陣如下

(10)

式中，R為單因素評(píng)價(jià)結(jié)果；rij為某一評(píng)價(jià)因素對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間的模糊評(píng)價(jià)集的隸屬度值。

R由隸屬函數(shù)確定，本文通過專家評(píng)分確定[7]。

1.4 模糊運(yùn)算

將上述步驟得到的模糊關(guān)系矩陣R及指標(biāo)的權(quán)重向量W，其評(píng)價(jià)結(jié)果為

=(b1，b2， …，bn)

(11)

1.5 項(xiàng)目評(píng)價(jià)分值計(jì)算

計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象最終得分為

C=B×A=(b1,b2,…,bn)×(a1,a2,…,an)T

(12)

式中，A為百分制下的4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的分?jǐn)?shù)所構(gòu)成的列向量，本文中A=(100，89，79，69)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)任務(wù)意義深遠(yuǎn)、影響面廣、經(jīng)費(fèi)投入巨大、運(yùn)行成本高昂，不容出現(xiàn)任何差錯(cuò)，要實(shí)現(xiàn)大型激光驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)驗(yàn)的“一次成功”和“次次成功”，必須樹立“嚴(yán)肅認(rèn)真、周到細(xì)致、穩(wěn)妥可靠、萬無一失”的理念[8]。承制單位總結(jié)吸收幾十年來形成的傳統(tǒng)質(zhì)量管理方法，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)質(zhì)量管理方法和理念，形成了獨(dú)具特色的評(píng)價(jià)方法。

2.2 評(píng)價(jià)流程

2.2.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，在每輪實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)質(zhì)量、安全、物理診斷、靶、驅(qū)動(dòng)器、精密裝校六大方面、36個(gè)子項(xiàng)進(jìn)行全方位、多角度的檢查與評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)要求和實(shí)現(xiàn)程度的量化判定，有4種狀態(tài)：完全具備(Completely possessed，CP)，基本具備(Basicly possessed，BP)，部分具備(Partially possessed，PP)，不具備(Unpossessed，UN)。

CP(完全具備)，是指該過程組能力滿足相應(yīng)等級(jí)≥90分的評(píng)價(jià)目標(biāo)要求。

BP(基本具備)，是指該過程組能力滿足了相應(yīng)等級(jí)≥80分且≤89分的評(píng)價(jià)目標(biāo)要求。

PP(部分具備)，是指該過程組能力滿足了相應(yīng)等級(jí)≥70分且≤79分的評(píng)價(jià)目標(biāo)要求。

UN(不具備)，是指該過程組能力滿足了相應(yīng)等級(jí)≤69分的評(píng)價(jià)目標(biāo)要求。

2.2.2 熵值法確定指標(biāo)的權(quán)向量。

由10名專家組成評(píng)價(jià)小組，根據(jù)質(zhì)量管理體系及聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)要求對(duì)具體評(píng)價(jià)因素進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，見表1。

表1 專家評(píng)分匯總表

(續(xù))

圖1 大型物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)專家評(píng)判情況進(jìn)行匯總，通過表1及式(3)～式(9)建立數(shù)據(jù)矩陣，運(yùn)用熵值法得到各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量如下

W=(0.193 67，0.178 80，0.155 03，0.174 75，0.117 78，0.179 98)

W1=(0.122 38，0.156 47，0.195 92，0.156 47，0.078 50，0.290 25)

W2=(0.132 57，0.314 40，0.132 57，0.240 68，0.080 89，0.098 89)

W3=(0.152 89，0.195 48，0.195 48，0.195 48，0.107 77，0.152 89)

W4=(0.173 42，0.173 42，0.160 85，0.113 33，0.173 42，0.205 57)

W5=(0.201 25，0.129 08，0.168 15，0.150 13，0.150 13，0.201 25)

W6=(0.239 11，0.199 60，0.131 70，0.131 70，0.199 63，0.098 26)

2.2.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)式(10)和隸屬函數(shù)，構(gòu)建表2所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及模糊關(guān)系矩陣R。

2.2.4 模糊運(yùn)算。

根據(jù)表2，由式(11)計(jì)算出二級(jí)評(píng)判結(jié)果向量如下

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及模糊關(guān)系矩陣R

B1=(0.086 67，0.775 23，0.102 81，0.035 29)

(續(xù))

B2=(0.074 85，0.816 39，0.088 98，0.019 78)

B3=(0.066 50，0.728 11，0.128 78，0.076 61)

B4=(0.098 34，0.712 99，0.120 56，0.068 11)

B5=(0.169 35，0.614 43，0.183 18，0.033 03)

B6=(0.059 16，0.777 92，0.162 92，0)

則綜合評(píng)判矩陣為

綜合評(píng)判結(jié)果為

B=W×R=(0.088 26，0.745 95，0.127 75，0.038 04)

2.2.5 項(xiàng)目評(píng)價(jià)分值計(jì)算

項(xiàng)目評(píng)價(jià)最終得分如下

C=B×A=(0.088 26，0.745 95，0.127 75，0.038 04)×(100，89，79，69)T=87.932 53

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

通過賦值修正及多因素制約的綜合評(píng)價(jià)，聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)評(píng)價(jià)最終得分為87.932 53分，說明綜合評(píng)價(jià)等級(jí)落在BP(基本具備)要求區(qū)域，聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備狀態(tài)效果總體良好。

通過熵值-模糊綜合評(píng)價(jià)的計(jì)算與分析得出：在制靶方面，靶的技術(shù)路線、原材料配置、制靶進(jìn)度、成品靶質(zhì)量與策劃要求中的技術(shù)路線的匹配程度總體良好。在精密裝校方面，精密裝校需求合理性、診斷設(shè)備切換、光學(xué)元件安裝、在線潔凈處理、特種作業(yè)人員的能力等方面總體良好，但其他一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中存在下列問題：

(1)在質(zhì)量方面，聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)大部分是對(duì)物理問題原理認(rèn)識(shí)不充分、探索性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)施過程中會(huì)涉及更改實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的某一局部參數(shù)等，多次頻繁調(diào)整后如未能實(shí)現(xiàn)有效控制，會(huì)導(dǎo)致過程狀態(tài)失控且不能在需要時(shí)進(jìn)行有效追溯。

(2)在安全方面，存在未制訂應(yīng)急預(yù)案、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)/警示不到位、相關(guān)方三級(jí)培訓(xùn)不到位，以及插線板串接、高空作業(yè)不系安全帶、密閉空間作業(yè)未按流程審批和作業(yè)等各類安全隱患。

(3)在物理診斷方面，測(cè)量結(jié)果的可用性在很大程度上取決于其不確定度的大小，但是發(fā)現(xiàn)在物理實(shí)驗(yàn)策劃階段，部分實(shí)驗(yàn)只給出了被測(cè)量的值，并未給出與該測(cè)量值相關(guān)的不確定度。

(4)在驅(qū)動(dòng)器方面，存在能量缺失、調(diào)焦機(jī)無法運(yùn)作、能量跳變、能庫(kù)異常、壓縮機(jī)老化、真空機(jī)組電控箱故障等問題，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取異常、實(shí)驗(yàn)發(fā)次減少、實(shí)驗(yàn)延期等問題。

3 改進(jìn)建議

本文針對(duì)聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系提出以下建議措施。

3.1 加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)控制

(1)細(xì)化物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更改要求，對(duì)更改進(jìn)行分類控制。

(2)加強(qiáng)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)更改的審核工作，保證更改被有效控制和追溯。

3.2 深化安全文化理念，加大安全管控力度

(1)通過“安全文化手冊(cè)”“安全小故事”“安全順口溜”等方式向員工宣貫安全意識(shí)。

(2)在管理上可以通過“負(fù)面清單”“現(xiàn)場(chǎng)巡查”“安全績(jī)效”等方式持續(xù)深化安全工作的重要性。

3.3 加強(qiáng)測(cè)量不確定度管理

(1)完善不確定度的評(píng)定工作，根據(jù)物理量診斷需求，明確不確定度指標(biāo)要求，建立數(shù)學(xué)模型，列出測(cè)量不確定度來源，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，評(píng)定擴(kuò)展不確定度，最終形成不確定度報(bào)告。

(2)建立不確定度的考核制度，對(duì)每輪物理實(shí)驗(yàn)的不確定度指標(biāo)情況進(jìn)行考核。

3.4 應(yīng)用科學(xué)方法

聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置因存在技術(shù)指標(biāo)要求高、裝置本身涉及多個(gè)學(xué)科、零配件部組件繁多、運(yùn)行能量高等客觀情況，加之運(yùn)行年限的增加，會(huì)造成一定程度的損壞和老化，可以通過人工智能、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、組件模塊化、軟件工程化、FMEA、FRACAS等科學(xué)方法協(xié)助解決。

4 結(jié)語

本文對(duì)聚變級(jí)激光驅(qū)動(dòng)裝置物理實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)大科學(xué)工程裝置特點(diǎn)，從質(zhì)量、安全、物理診斷、靶、驅(qū)動(dòng)器、精密裝校六大方面、36個(gè)子項(xiàng)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)量管理方法進(jìn)行總結(jié)吸收，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)質(zhì)量管理方法和理念，形成了獨(dú)具特色的評(píng)價(jià)方法，完善了該類項(xiàng)目的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用熵值客觀賦權(quán)及模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，建立數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，使用科學(xué)方法，將不確定因素轉(zhuǎn)換為相對(duì)確定因素，在一定程度上消除主觀偏差，為我國(guó)類似大科學(xué)工程項(xiàng)目或相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)評(píng)價(jià)提供參考。