发射场产品测试环境保障效果评估研究
2016-08-10张安理郑士文
张安理，张 平，郑士文
(太原卫星发射中心技术部，太原 030027)
发射场产品测试环境保障效果评估研究
张安理，张平，郑士文
(太原卫星发射中心技术部，太原030027)
摘要：依据提出的环境保障效果评估流程，介绍了发射场空调系统工作原理，分析了温度、湿度、洁净度及风量等环境保障参数的获取方式，并构建了各环境保障参数的评价函数。基于“聚合”思想建立了环境保障效果评估模型，该评估模型全面地考虑了所有环境保障参数，并阐释了模型中用到的单向链法权重确定方法。通过对环境效果实例的评估，验证了该评估方法的科学性与可行性。
关键词：环境保障；效果评估；评价函数；评估模型；单向链法
本文引用格式：张安理，张平，郑士文.发射场产品测试环境保障效果评估研究[J].兵器装备工程学报，2016(7):173-176.
Citation format:ZHANG An-li, ZHANG Ping, ZHENG Shi-wen.Study on Support Effect Assessment of Product Testing Environment in Launching Site[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):173-176.
航天产品运输至发射场区后在技术区厂房或塔架进行地面测试，测试环境是产品进行正常测试的前提与基础，其保障效果的优劣直接影响着产品品质，严重时甚至会损伤产品导致发射任务失败，因此对任务过程中产品测试环境保障效果进行评估具有重要意义，它是发射任务事后评价及品质管控的重要依据之一。测试环境保障贯穿发射任务全过程，持续时间长，且涉及多个保障参数，因此要合理地评估环境保障效果是一项复杂工作。
国内外对于效果评估研究已涉及到干扰毁伤[1-2]、攻击对抗[3]、伪装识别[4-5]、训练管理[6]等多个方面，评估方法也开展了诸多探索，比较常见的有层次分析法(AHP)、粗糙集法、动态/静态贝叶斯网络法、神经网络法、模糊综合评判法等。这些方法应用背景不同，各有优势与不足。虽然效果评估研究涉及范围较广，但在发射场环境保障方面仍处于探索阶段，作者尚未查找到相关文献资料。目前，发射场环境保障效果评估缺乏合理有效的评估方法与手段，通用方法是在采集保障期间环境数据的基础上，分别判断各类数据参数是否处于指标范围之内。这种方法能够检验保障数据是否合格，但不能从整体上反映保障效果，这已成为制约任务事后评价的瓶颈之一。鉴于此，本文提出一种基于“聚合”思想和函数构造法的评估方法，以实现产品测试环境保障效果评估。
1评估流程
所谓评估是依据某种目标、标准、技术或手段，对得到的信息按照一定的程序步骤进行分析、研究、判断的一种活动[7]。环境保障效果评估采用“聚合”思想开展评估，其核心在于参数评价函数构建，以及效果评估模型构造思路及过程，其具体评估流程如图1所示。
图1 环境保障效果评估流程
(1)保障参数选取
在环境保障效果评估中，确定保障参数集U={u1,u2,…,un}是实施评估的基础与前提，它直接关系到环境评估的合理性与可行性。通过对发射场中央空调系统的工作原理进行分析，明确空调保障环境的关键性参数，并分析目前发射场环境保障时各环境参数的获取方法。
(2)参数评价函数构建
获取各保障参数数据之后，还必须使之量纲一元化和指标归一化，如此方能基于某种评估方法进行各参数的综合，从而实现环境保障效果的综合评估及评价。量纲一元化的最佳方法是无量纲化。本文采用“构建参数评价函数”的方法获取各保障参数归一化的无量纲评价值。
(3)利用效果评估模型对保障效果实施评估
环境保障效果评估一是要考虑到各保障参数的影响，因而要采用聚合模型实现综合，二是由于保障时间较长，因而要考虑到随时间变化的特征，三是为更有效的体现任务保障过程中的保障效果，可将保障效果定义为保障状况处于最佳状况的程度，正是基于上述考虑构建了效果评估模型。另外，实现各指标综合时，由于每个保障参数对于保障效果而言，其重要程度不同，因而还要考虑各保障参数的重要程度。权重计算方法有层次分析法、德尔菲法、熵值法等[8]，这里采用单向链法(也称G1法)权重确定方法。
(4)给出效果评价结果
保障效果评价是开展效果评估的最终目的，这就需要提供评价划分标准。根据相关资料、专家经验及保障实际，按照评价结果好坏可将评语集确定为R={r1,r2,r3,r4}={差，中，良，优}，其中r1∈[0,0.2]，r2∈[0.2,0.5]，r3∈[0.5,0.8]，r4∈[0.8,1.0]。
2保障效果评估
2.1发射场空调系统工作原理
发射场中央空调系统的基本功能是对外界空气的相关参数进行适应性调节，以实现产品测试厂房、塔架封闭区、卫星整流罩、火箭舱段等测试区域的环境保障及通风换气等功能。目前，发射场中央空调系统的工作原理如图2所示。
图2 发射场中央空调系统工作原理
中央空调系统的保障环境参数包括温度(Temperature)、湿度(Humidity)、洁净度(Cleanliness)和风量(Air volume)。其中，温湿度参数主要是通过测试区域内的温湿度传感器进行测试来获取；洁净度参数主要通过人工采用粒子计数器设备进行定期测试获取；风量参数通常是在产品进场之前由参试各方现场测试获取，任务期间不再进行重测，亦即目前任务模式采用的是“定风量”供风方式。
2.2参数评价函数
依据评估步骤，要开展环境保障效果评估，首先必须构建各保障参数的评价函数。
2.2.1温度T与相对湿度H
温度T和相对湿度H保障要求是依据航天产品各元器件温度适应范围以及发射场中央空调保障能力，并经过发射任务参试多方协调得到的。温度T及相对湿度H指标要求提出形式为v∈(V±D)，其中，V为目标值或理想值，D为偏差值。
(1)
2.2.2洁净度C
洁净度C反映洁净环境中空气含尘粒多少的程度，洁净度C的指标要求通常以C≤C1的形式给出，其中，C1通常为万级或10万级。洁净度保障是不允许超标的，一旦超标便会对产品造成污染，因而其评价函数Y(c)需满足如下条件：① 当所测试的洁净度数据c低于或等于指标要求C1时，洁净度评价函数Y(c)输入值为1；② 当c超过C1时，Y(c)输入值为0。即评价函数Y(c)模型如下所示：
(2)
2.2.3风量a
风量a主要反映产品测试区域单位时间内的换气次数，风量a指标要求给出形式通常为A1～A2。当机组所送风量a满足指标要求时，该参数评价函数值为1，当风量a
(3)
2.3保障效果评估模型
测试区域的环境保障效果不仅与空调系统自身保障能力有关，而且与航天产品的保障要求密切相关。要开展环境效果评估，就需要从发射任务中所获取的保障参数，即温度、湿度、洁净度及风量中来进行。在发射任务保障过程中，其保障效果E是一个随时间t时刻变化的变量。但对于某次特定的发射任务而言，空调系统对测试区域的总保障效果应为“恒定”的量，且可通过某种聚合方法，将整个发射任务过程中的瞬时保障效果进行聚合获取，进而实现环境保障效果评估。
保障效果是一个模糊性概念，为开展保障效果评估，此处定义保障效果为[0,1]之间的数值。在任务保障期间[t1,t2]内，空调系统对产品测试区域的保障效果与其保障参数，即温度、湿度、洁净度以及风量等密切相关，且其主效应均为正，即该参数评价值越大，保障效果就越好。综上所述，空调系统的瞬时环境保障效果可作如下假设：
(4)
式中，“～”表示相关，T(t)为温度评价函数，H(t)为湿度评价函数，C(t)为洁净度评价函数，A(t)为风量评价函数。
通常情况下，聚合模型主要包括两种：加权积模型(幂函数法)和加权和模型[9]。其中，加权积模型主要应用于上下层指标关系相当密切的情况中。考虑到环境保障的四个参数中任一参数值发生变化都会严重影响其保障效果，因此本文聚合时采用加权积模型，即：
(5)
式中，y为上层指标，xi为组成这一指标的各下层指标，wi为第i个指标的权重值。
若在整个发射任务过程中，其评价函数值始终保持为1，则其保障效果为最佳，本文定义环境保障效果E为瞬时保障效果曲线下包络的面积Sf与整个环境保障过程中评价函数值恒为1时所围成的矩形面积S之比。即
(6)
2.4基于单向链法的权重确定
单向链权重确定方法(也称G1法、序关系分析法)计算量较少，计算过程简便直观，该方法的计算步骤[10]如下：
(1)对各指标参数的重要性进行排序。假设环境保障的指标参数分别为x1,x2,x3,…,xn，若xi的重要性大于xj，则记为：xi>xj。
(2)通过分析获取指标参数xk-1、xk之间相对重要性比值。假设决策者评价xk-1、xk之间相对重要性之比的理想判断值为：wk-1/wk=rk，k=2,3,4,…,m-1,m，则rk-1与rk必须满足：rk-1×rk>1。其中，rk的赋值可以参考表1。
表1 rk赋值参考表
(3)确定各指标的权重。若决策者给出的rk满足(2)，则指标参数xm的权重值wm为：
(7)
其他指标参数的权重值为：wk-1=rk·wk，k=2,3,4,…,m-1,m。
3实例应用
卫星整流罩是空调保障的关键部位之一，这里以某次任务中对卫星整流罩的空调保障数据为例对其保障效果进行评估。据《**任务对发射场的技术要求》，整流罩温度保障要求为20±5℃(目标值为20℃)，相对湿度保障要求为30%～60%(目标值为45%)，洁净度≤1万级，风量3 000～4 000m3/h。
在整流罩环境10天保障期间，整流罩温湿度测试数据(采集间隔为4h)如图3所示。
任务环境保障期间，整流罩洁净度及风量测试数据如表2所示。
图3 整流罩温湿度测试数据
表2 整流罩洁净度及风量测试数据
利用3.4节的单向链法权重确定方法，可得到温度T、湿度H、洁净度C及风量a等环境保障参数的权重向量为：
(0.315 2, 0.262 7, 0.225 1, 0.197 0)
通过3.2节参数评价函数以及3.3节保障效果评估模型，采用Matlab软件仿真可获取整流罩环境保障效果曲线如图4所示。
图4 整流罩环境保障效果曲线
由于洁净度保障数据满足任务指标要求，致使其评价函数值恒为1；发射任务中采用定风量供风方式，其评价函数值亦为恒值(数值为0.956 7)，由此可知，整流罩环境保障效果曲线变化主要来自于温湿度保障数据变化。从图4可以看出，起始阶段由于温度较低，而相对湿度较高，两者均偏离目标值较远，造成其保障效果较差，此后随着温度的升高，而与温度呈现负相关的相对湿度则开始降低，两者均接近目标值附近时，保障效果随之上升并达到较好程度，此后温度继续上升，湿度继续下降，两者偏离目标值越来越远，保障效果也随之下降。随后当温湿度保障数据又逐步趋向目标值时，保障效果又呈现出上升趋势。由此可见，环境保障效果曲线良好地反映了所有保障参数带来的影响。另外，依据保障效果评估模型，可得到在此次任务中，整流罩的环境保障效果为0.918，等级评价可为“优”，进而为发射任务事后评价提供依据。
4结束语
本文提出了一种基于“聚合”思想的效果评估方法。结合具体实例分析，对所构建的各保障参数评价函数，以及效果评估模型进行了验证，结果表明该评估思路与方法切实可行，能够有效反映发射场中央空调系统对产品测试区域的环境保障效果。由于模型的优劣直接影响到评估结果的可靠性，下一步应在模型细化及完善方面继续开展研究。
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(责任编辑杨继森)
收稿日期：2016-02-09；修回日期：2016-03-05
作者简介：张安理(1979—)，男，硕士，工程师，主要从事航天发射研究。
doi:10.11809/scbgxb2016.07.037
中图分类号：V555
文献标识码：A
文章编号：2096-2304(2016)07-0173-04
Study on Support Effect Assessment of Product Testing Environment in Launching Site
ZHANG An-li, ZHANG Ping, ZHENG Shi-wen
(Technology Department, Taiyuan Satellite Launch Center, Taiyuan 030027, China)
Abstract:According to the evaluation process of the environmental support effect, the working principle of air conditioning system was introduced. The access of environment support parameters such as temperature, humidity, cleanliness and air volume were analyzed. The evaluation function of each environment support parameter was constructed. The assessment model of environment support effect based on the idea of polymerization was established. The assessment model involved all environment support parameters. The method for determining weight that was one-way chain used in this model was expounded. The assessment method was proved to be scientific and feasible by the assessment of practical example on the environment support effect.
Key words:environment support; effect assessment; evaluation function; assessment model; one-way chain
【基础理论与应用研究】
