基于模糊FMECA方法的空中輻射監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)的可靠性，建立該系統(tǒng)故障模式FMECA模型，進行模糊FMECA分析，通過模糊評判和層次分析法降低主管評價對系統(tǒng)可靠性評價的影響，最終計算出系統(tǒng)可靠性等級。

關鍵詞：可靠性;模糊綜合評判;FEMCA

1.引言

隨著輻射測量儀表數字化程度的提高、核探測技術以及無人機技術的發(fā)展，空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)已在大氣環(huán)境放射性監(jiān)測、區(qū)域放射源搜尋、核應急監(jiān)測等領域得到了廣泛的應用，我院自主研制的空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)是將碘化鈉探測器和氣溶膠探測器安裝在無人機上，在無人機飛行過程中探測空中γ輻射強度變化，并據此獲得地面及空中的放射性信息。

現有空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)可靠性分析主要基于給定零部件MTBF值進行平均故障間隔時間計算實現。該方法僅能大致描述設備整體可靠性，難以針對具體故障模式與故障部位在設計、研發(fā)、生產等各個階段進行特異性改進。針對現有缺陷與同類型產品故障模式，采用模糊FMECA方法，對空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)進行可靠性分析，確定可靠性等級并提出改進措施。

2.空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)故障模式分析

2.1 空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)FMEA分析

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

信號處理系統(tǒng)處理各輻射探測器的信號，轉換為數字信號后通過數據通訊模塊發(fā)送給地面保障系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)在生態(tài)環(huán)境部核技術中心現有軟件基礎上進行適應性改進，具備實時繪制飛行軌跡、單核素及其劑量率;實時接入任務區(qū)域氣象數據和地理信息數據;遠程設置譜儀刷新頻率、實時存儲數據;圖像分析與信息結合;繪制核輻射污染分布，概略預報核輻射污染擴散趨勢等功能。

采用FMECA方法對設備進行可靠性分析。該方法的關鍵在于利用統(tǒng)計方法對故障模式的嚴重度、發(fā)生度、探測度進行賦值，并進而計算風險優(yōu)先系數RPN。根據相關技術文件、客戶意見以及相關標準得到空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)表如下：

風險優(yōu)先系數RPN即用于評定故障模式的風險等級，其數值等于發(fā)生度等級、嚴酷度等級、可探度等級的乘積。

2.2 基于模糊FMECA風險決策模型

2.3.1模糊邏輯原理在FMECA的應用

在對故障模式做危害度評價的過程中，由于個體間認識的差異，定量分析的結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判結果。為了改善 FMECA 在應用過程中存在的弊端，現有理論將模糊理論引入其中來彌補不足。

2.3.2確定因素集、評語集與模糊評價矩陣

為了進行綜合評定，需首先確定單因素評價的因素集于評語集。

由因素集與評語集可得因素水平等級表，該表最為評價小組建立評價矩陣的基礎。

建立10人評價小組對故障模式進行模糊綜合評價，對i個影響因素評價進行統(tǒng)計，即可得到該故障模式的綜合評價矩陣R。

統(tǒng)計 15 個故障模式的每個評價因素相應評價等級的隸屬度數值，即可得到總的評價隸屬度矩陣。

2.3.3確定各因素的權重

對于不同使用場景的不同功用系統(tǒng)來說，嚴酷度、發(fā)生度與可探度對可靠性的影響可能有較大差距。而系統(tǒng)各種故障模式對整體可靠性的影響也存在一定差距，所以需要對各個因素設置權重。通過對不同因素設置不同的比例權數體現每個因素的重要程度。

（1）一級權重判定

對一級因素集嚴酷度、發(fā)生度與可探度由于其因素數量較少，定義明確，采用判斷更精細的九標度判斷尺度法進行對比評價。

注意若i對j的判斷尺度為a，則j對i的判斷尺度為1/a。

依據以上步驟得到一級因素權重計算表：

在實際操作過程中，由于情況的復雜性可能導致評價矩陣不滿足一致性要求，所以在得到評價矩陣后首先需對矩陣進行一致性檢驗。一致性指標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，此時我們需約定CI為一略大于0值即可認定矩陣滿足一致性要求。一般設置為CI<0.1。

CI=0，矩陣符合一致性要求，得到一級權向量W1=[0.429，0.429，0.143]

（2）二級權重判定

將多種故障模式對可靠性的影響作為二級權重判定，由于故障模式多樣，故障情況復雜，此時使用九標度法會給專家的評判帶來困難。一般采用更容易判斷的三標度法得到簡介判斷矩陣，并進一步的將三標度矩陣換算為九標度矩陣，換算系數如下：

bm為基點比較標度，當換算為九標度時取9。

沿用一級權重的評判方法并引用三標度矩陣至九標度矩陣的換算系數，并對多名專家的給出的權重值結果進行算數平均，最終計算得到二級權重：

2.3.4多級評判結果及清晰化

（1）一級模糊評判

采用加權平均模型進行模糊評判，該模型考慮了全部因素的影響，模型表達式為：

實際應用以故障模式F1為例，使用一級權向量W1=[0.429，0.429，0.143]對模糊矩陣進行評級，結果為：

依次類推可得到全部故障模式的模糊評價集。

（2）二級模糊評判

將一級模糊矩評價集組合即可作為二級評判中的模糊評級矩陣：

二級評判集的計算過程與一級模糊評判計算相同，將表9中二級權重值代入，可得二級模糊評價集[8]：

（3）評判結果的清晰化

用過兩級模糊評判，最終我們得到了系統(tǒng)可靠性的評判集。但評判結果依然是一個模糊向量，無法對系統(tǒng)可靠性進行準確評判。為得到定量的結果需要對模糊評判集進行清晰化。

使用重心法對評價集進行清晰化處理，該方法的計算公式如下：

VI為評語集，即（1，2，3，4，5）。

將二級模糊評價集代入公式（2-10），可得評判可靠性結果為D=2.454。

D即為空中輻射監(jiān)測系統(tǒng)的安全等級。根據同類產品相關國標及文獻相關標準，提出了可靠性評判標準，見表6。

參考文獻：

[1]葉凱，蔡沖，陸兆鵬.基于模糊FMECA的克令吊可靠性分析[J].船舶標準化工程師，2020，53（04）：23-28+44.

[2]趙俊豪. 基于模糊FMEA的實習船主機燃油系統(tǒng)安全評估[D].大連海事大學，2007.

[3]康銳，鄭濤.危害性分析中的模糊數學方法[J].北京航空航天大學學報，1995（04）：60-65.