核应急辐射监测系统作业效能评估

李志荣

核应急辐射监测系统作业效能评估

李志荣

（北京防化研究院 北京 102205）

为使核应急辐射监测系统性能指标考核评估结果能全面、准确地反映系统在实际作业场所中的作业能力，依据核应急辐射监测作业保障特点，构建了核应急辐射监测系统作业指标体系，并在此基础上提出采用“记号”的表达方式改进美国工业界武器系统效能咨询委员会提出的用于评估可靠性、可用性和能力的系统效能评估模型(Availability-Dependability-Capability-Model, ADC模型)，使其评估结果不仅能定量地反映核应急辐射监测系统在作业过程中不同设备完成同一任务的总体效能，以及不同设备对总体效能的贡献，而且还能定量地反映核应急辐射监测系统中不同设备完成不同任务的作业效能。

核应急辐射监测，改进ADC模型，效能评估

目前，评价监测设备的优异主要依据监测设备的性能指标来进行考核[1]。功能齐全、指标先进、可靠性高的监测设备被认为是优良的设备，但在实际复杂的作业环境下，监测设备并不是性能指标越先进越好，而是越适应现场需要越好[2]。由此可知，评价设备好坏不能单从功能齐全，性能指标先进与否出发，而是应从设备的环境适应层面来考虑，即依据监测设备在实际使用中能否达到较高的作业效能（或称贡献率）来评价仪器设备的好坏。

核应急辐射监测系统（包括地理信息、数据传输、数据处理等部分）作为遂行监测任务的基础，其作业效能高低（或称贡献率大小）直接影响到完成任务的效果。如何评估核应急辐射监测系统作业效能，是应急保障分队和作业指挥决策中应关注的问题。而科学合理地构建核应急辐射监测系统作业指标体系，是评估核应急辐射监测系统作业效能的关键。科学合理的核应急辐射监测系统作业指标体系有助于克服与避免评估工作中的主观偏好，从而使评估做到全面、客观、公正，便于准确掌握核应急辐射监测系统能力现状，找出薄弱环节和改进不足。

1 核应急辐射监测系统作业指标体系构建

根据核应急辐射监测作业保障特点，对于小面积沾染区域监测，通常采用核应急辐射监测系统中的车载辐射监测仪实施侦察。在车辆无法进入时，再由侦察人员携带便携式辐射监测仪徒步进入实施侦察。对大面积沾染区域监测，通常采用车载式与机载式辐射监测仪实施快速侦察[3]。

侦察不同沾染区域，环境对监测设备的影响不同，采用不同的侦察方案，核应急辐射监测系统作业效能会有所不同。

为准确掌握核应急辐射监测系统能力现状，构建核应急辐射监测系统作业指标体系时不仅要考虑系统的固有能力（自身性能），而且还要考虑系统的环境适应能力。但是，即便是系统自身固有能力，其指标也不能是简单地将各设备性能指标进行罗列。因为系统性能指标是系统技术性能的抽象，是技术层面的表述，而系统作业指标是系统作业能力的抽象，是使用层面的表述，前者是后者的概括，后者是前者的细化。

所以，评估构建核应急辐射监测系统作业指标体系应包含多指标、多层次，并且这些指标按照一定的功能排列，能全面、系统地反映核应急辐射监测任务中各种因素的影响，如图1所示[4]。但是这些指标并非范围越宽、数量越多越好，因为范围越宽、数量越多，分散对主要指标因素的评价，反而会适得其反[5]。

图1 核应急辐射监测系统作业指标体系Fig.1 Operation index system of nuclear emergency radiation monitoring system.

2 核应急辐射监测系统效能评估模型的建立

美国工业界武器系统效能咨询委员会(Weapon System Effectiveness Industrial Advisory Committee, WSEIAC)提出的ADC (Availability-Dependability-Capability-Model)效能评估模型[6-7]是一种定量的效能评估模型，它可以将评估的数据进行量化分析，使评估人员快速做出合理的选择，提高作业人员工作效率，其公式为：

式中，A为可用性，表示系统在开始执行任务时所处状态的量度；D为可信性，表示系统在执行任务过程中所处状态的量度；C为固有能力，表示系统完成规定任务之能力的量度。

该模型是系统处于静态时（未考虑作业场环境因素的影响）系统间技术能力的比较，是由系统技术状态决定的，不具有实践效果意义。而核应急辐射监测系统作业效能是一种动态的评估，效能不仅由系统固有技术状态决定，而且还由系统作业环境因素决定。因此，本文依据WSEIAC提出的ADC模型，引入环境因素，同时采用“记号”的表达方式，对ADC评估模型进行合理改进，其公式为：

式中，E为系统作业效能；CD为系统设计能力；CE为环境适应能力。

2.1 可用性模型的建立

当核应急辐射监测系统由n个相同的独立监测单元组成时，其当前技术状态由可用性向量表示为：

式中，TBF为平均故障间隔时间；TMR为平均故障修复时间。

当核应急辐射监测系统由n个不相同的独立监测单元组成时，只需按式(3)把原本相同的单元展开写成由不同单元组成即可。

2.2 可信性模型的建立

当核应急辐射监测系统由n个相同的独立监测单元组成时，在监测过程中系统技术状态变化由可信性矩阵表示为：

其中：式中，i表示系统在任务开始时所处的状态；j表示系统完成任务时所处的状态；λ为故障率；μ为修复率；t为任务工作时间。

当核应急辐射监测系统由n个不相同的独立监测单元组成时，同样可根据式(4)把原本相同的单元展开写成由不同单元组成即可。

2.3 能力模型的建立

根据核应急辐射监测系统作业指标体系可知，实际作业中表现出的能力是系统自身固有能力（由设计决定，以技术特征指标体系表述）和作业环境因素相互作用的结果，因而核应急辐射监测系统作业能力由对动态环境的适应能力和静态的设计能力两部分组成，其公式为：

式中，记号Ci表示系统的初始状态；记号Cj表示系统完成任务状态；Ci- Cj表示系统由初始状态向完成任务状态变化的过程；e-(λi-λj)t为变化过程中系统的可靠性；Pk(t)为系统各影响因素出现的概率；S为环境因素的种类。

2.4 作业效能模型的建立

由于核应急辐射监测系统中各设备可单独执行任务，也可彼此以并联形式相互结合共同执行任务，因此，根据式(2)对于完成相同任务的同类项式需进行合并与整理，其公式为：

3 应用实例

以一机动式核电应急场外辐射监测系统为例，该系统由车载辐射监测设备（包括辐射剂量率仪和γ能谱分析仪两部分）和便携式辐射仪组成。(1) 车载辐射监测设备的辐射监测车为越野吉普底盘，监测设备主机设置在车内，γ能谱分析仪探头设置在车内，辐射剂量率仪探头设置在车外。其技术性能为：① γ射线测量范围：0.1 μSv·h-1-1 Sv·h-1；② 自然环境适应性：车外探头为-40 - +50 °C，相对湿度≤95%；γ能谱分析仪为-20 - +50 °C，可淋雨；车内主机为-20 - +50 °C；③ 机械环境适应性：适应汽车运输的振动与冲击；④ 可靠性(Mean-Time-Between-Failure, MTBF)：辐射剂量率仪为588 h；γ能谱分析仪为400 h；⑤ 维修性(Mean-Time-To-Repair, MTTR)：辐射剂量率仪为50h；γ能谱分析仪为45 h；(2) 便携式辐射仪置于车内，可离车由作业人员携持徒步进行测量。其技术性能为：① γ射线测量范围：0.1 μSv·h-1- 0.1Sv·h-1；② 环境适应性：-40 - +50 °C，相对湿度≤95%，可淋雨；③MTBF：1000 h；④ MTTR：1 h。

系统作业环境：冬季，最高气温（14:00时）-16 °C，最低气温（06:00时）-32 °C，日气温年统计偏差(σ) 3 °C，降水概率30%，车体不密封，车内车外温度相同。作业地域为中等起伏地，个别路面起伏接近吉普车的接近角或离去角，系统的运载车并无防滑链配备，届时难以通过。作业地域约有20%这样的路面。

试评估辐射监测车（开启车外探头测γ剂量率，开启车内γ谱仪测能谱，同时开启便携式辐射仪测剂量率）一天中的作业效能。

通过实例分析，即可做出一条随时间变化的温度曲线，如图2所示。

图2 随时间变化的温度曲线Fig.2 Temperature curve with time.

该曲线中任意时刻的温度统计涨落服从正态分布T-N(y,32)，其分布函数为：

通过变量代换，令式(7) u=(m-y)/σ，即可得到标准正态分布M-N(0,1)。

由于辐射剂量率仪(Ra)和γ能谱分析仪(Rb)的实际工作温度为[-20 °C, +50 °C]，便携式辐射仪(Rc)的实际工作温度为[-40 °C, +50 °C]，而环境温度涨落为[-41 °C, -7 °C]。因此，通过公式代入即可求出三种设备受温度影响的概率，而对于湿度和地域的影响可由实例分析得出，参见表1。

表1 环境影响因素Table 1 Environmental influence factors.

因为车载辐射剂量率仪(Ra)、γ能谱分析仪(Rb)和便携式辐射仪(Rc)为并联的工作状态，所以作业组在开始工作时的状态为：

由实例可知，辐射剂量率仪MTBF1=588 h， MTTR1=50 h；γ能谱分析仪MTBF2=400 h，MTTR2=45 h；便携式辐射仪MTBF3=1000 h，MTTR3=1 h。当t=24 h时，根据式(3)可求得可用性A为：

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

由于任务期间不进行维修，则根据式(4)可求得可信性D矩阵为：

根据式(5)可求得能力C矩阵为：

因此，核应急辐射监测系统作业效能为：

结果表明，受环境因素影响，车载辐射剂量率仪(Ra)的作业效能为16%，γ能谱分析仪(Rb)的作业效能为22%，便携式辐射仪(Rc)的作业效能为65%；而为完成同一任务，车载辐射剂量率仪和便携式辐射仪测沾染地域γ剂量率的作业效能为70%，γ能谱分析仪测沾染地域能谱的作业效能为22%。

4 结语

由实例分析可知，效能评估模型加入“记号”的表达方式，可清晰定量地区分不同设备完成同一任务的总体效能和不同设备对总体效能的贡献，以及不同设备完成不同任务的作业效能，解决了技术指标考核评估方式的不足，使核应急辐射监测系统考核评估结果更真实地反映作业场所作业能力，便于准确掌握核应急辐射监测系统能力现状，找出薄弱环节，改进不足，提高监测能力以及为研发新型核应急辐射监测系统提供一定的借鉴和参考。

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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

国家重大工程核生化安全保障技术装备研制项目(No.2013BAK03B04)资助

李志荣，女，1973年出生，2006年于装备指挥技术学院获硕士学位，现为在职博士研究生，辐射防护及环境保护专业

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

中国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