基于模糊FMECA方法的空中辐射监测系统可靠性分析

张梅 王伟鹏 白春星

摘 要：为分析空中辐射监测系统的可靠性，建立该系统故障模式FMECA模型，进行模糊FMECA分析，通过模糊评判和层次分析法降低主管评价对系统可靠性评价的影响，最终计算出系统可靠性等级。

关键词：可靠性;模糊综合评判;FEMCA

1.引言

随着辐射测量仪表数字化程度的提高、核探测技术以及无人机技术的发展，空中辐射监测系统已在大气环境放射性监测、区域放射源搜寻、核应急监测等领域得到了广泛的应用，我院自主研制的空中辐射监测系统是将碘化钠探测器和气溶胶探测器安装在无人机上，在无人机飞行过程中探测空中γ辐射强度变化，并据此获得地面及空中的放射性信息。

现有空中辐射监测系统可靠性分析主要基于给定零部件MTBF值进行平均故障间隔时间计算实现。该方法仅能大致描述设备整体可靠性，难以针对具体故障模式与故障部位在设计、研发、生产等各个阶段进行特异性改进。针对现有缺陷与同类型产品故障模式，采用模糊FMECA方法，对空中辐射监测系统进行可靠性分析，确定可靠性等级并提出改进措施。

2.空中辐射监测系统故障模式分析

2.1 空中辐射监测系统FMEA分析

该设备采用主要包括一枚大体积的碘化钠探测器和气溶胶探测器，利用该探测器的高探测效率，可在高空中发现地面的剂量率异常，绘制核辐射污染分布;搭载双G-M计数管可测量从环境水平到10Gy/h的高放射性环境剂量;溴化镧探测器可以利用其高能量分辨率的特性实现多种放射性核素的空中在线识别。

信号处理系统处理各辐射探测器的信号，转换为数字信号后通过数据通讯模块发送给地面保障系统。

软件系统在生态环境部核技术中心现有软件基础上进行适应性改进，具备实时绘制飞行轨迹、单核素及其剂量率;实时接入任务区域气象数据和地理信息数据;远程设置谱仪刷新频率、实时存储数据;图像分析与信息结合;绘制核辐射污染分布，概略预报核辐射污染扩散趋势等功能。

采用FMECA方法对设备进行可靠性分析。该方法的关键在于利用统计方法对故障模式的严重度、发生度、探测度进行赋值，并进而计算风险优先系数RPN。根据相关技术文件、客户意见以及相关标准得到空中辐射监测系统表如下：

风险优先系数RPN即用于评定故障模式的风险等级，其数值等于发生度等级、严酷度等级、可探度等级的乘积。

2.2 基于模糊FMECA风险决策模型

2.3.1模糊逻辑原理在FMECA的应用

在对故障模式做危害度评价的过程中，由于个体间认识的差异，定量分析的结果往往存在很多主观色彩，而且随着影响因素的增多，各因素互相制约、互相影响，很难客观地给出综合评判结果。为了改善 FMECA 在应用过程中存在的弊端，现有理论将模糊理论引入其中来弥补不足。

2.3.2确定因素集、评语集与模糊评价矩阵

为了进行综合评定，需首先确定单因素评价的因素集于评语集。

由因素集与评语集可得因素水平等级表，该表最为评价小组建立评价矩阵的基础。

建立10人评价小组对故障模式进行模糊综合评价，对i个影响因素评价进行统计，即可得到该故障模式的综合评价矩阵R。

统计 15 個故障模式的每个评价因素相应评价等级的隶属度数值，即可得到总的评价隶属度矩阵。

2.3.3确定各因素的权重

对于不同使用场景的不同功用系统来说，严酷度、发生度与可探度对可靠性的影响可能有较大差距。而系统各种故障模式对整体可靠性的影响也存在一定差距，所以需要对各个因素设置权重。通过对不同因素设置不同的比例权数体现每个因素的重要程度。

（1）一级权重判定

对一级因素集严酷度、发生度与可探度由于其因素数量较少，定义明确，采用判断更精细的九标度判断尺度法进行对比评价。

注意若i对j的判断尺度为a，则j对i的判断尺度为1/a。

依据以上步骤得到一级因素权重计算表：

在实际操作过程中，由于情况的复杂性可能导致评价矩阵不满足一致性要求，所以在得到评价矩阵后首先需对矩阵进行一致性检验。一致性指标CI可表示为：

式中λmax为矩阵的最大特征根，n为矩阵维度。

理想情况下CI=0，矩阵满足一致性要求，但一般情况下CI≠0，此时我们需约定CI为一略大于0值即可认定矩阵满足一致性要求。一般设置为CI<0.1。

CI=0，矩阵符合一致性要求，得到一级权向量W1=[0.429，0.429，0.143]

（2）二级权重判定

将多种故障模式对可靠性的影响作为二级权重判定，由于故障模式多样，故障情况复杂，此时使用九标度法会给专家的评判带来困难。一般采用更容易判断的三标度法得到简介判断矩阵，并进一步的将三标度矩阵换算为九标度矩阵，换算系数如下：

bm为基点比较标度，当换算为九标度时取9。

沿用一级权重的评判方法并引用三标度矩阵至九标度矩阵的换算系数，并对多名专家的给出的权重值结果进行算数平均，最终计算得到二级权重：

2.3.4多级评判结果及清晰化

（1）一级模糊评判

采用加权平均模型进行模糊评判，该模型考虑了全部因素的影响，模型表达式为：

实际应用以故障模式F1为例，使用一级权向量W1=[0.429，0.429，0.143]对模糊矩阵进行评级，结果为：

依次类推可得到全部故障模式的模糊评价集。

（2）二级模糊评判

将一级模糊矩评价集组合即可作为二级评判中的模糊评级矩阵：

二级评判集的计算过程与一级模糊评判计算相同，将表9中二级权重值代入，可得二级模糊评价集[8]：

（3）评判结果的清晰化

用过两级模糊评判，最终我们得到了系统可靠性的评判集。但评判结果依然是一个模糊向量，无法对系统可靠性进行准确评判。为得到定量的结果需要对模糊评判集进行清晰化。

使用重心法对评价集进行清晰化处理，该方法的计算公式如下：

VI为评语集，即（1，2，3，4，5）。

将二级模糊评价集代入公式（2-10），可得评判可靠性结果为D=2.454。

D即为空中辐射监测系统的安全等级。根据同类产品相关国标及文献相关标准，提出了可靠性评判标准，见表6。

参考文献：

[1]叶凯，蔡冲，陆兆鹏.基于模糊FMECA的克令吊可靠性分析[J].船舶标准化工程师，2020，53（04）：23-28+44.

[2]赵俊豪. 基于模糊FMEA的实习船主机燃油系统安全评估[D].大连海事大学，2007.

[3]康锐，郑涛.危害性分析中的模糊数学方法[J].北京航空航天大学学报，1995（04）：60-65.