核电仪控系统技术就绪度评估方法研究

孙凌宇，李鑫宝，朱丽莉，吕晓玲

（河北工业大学机械工程学院，天津 300000）

1 引言

人类对于能源的需求日益增长，核能具备清洁、高效等优点备受青睐。尽管核能具有广阔的发展前景，但是核能的发展一直受到核电厂安全性的制约。从1979年文献[1]放射性物质泄漏事故，核电厂的安全日益受到社会的关注。核电仪控系统作为整个核电站的中枢神经系统，对确保核电站的安全、经济运行起着至关重要的作用。故应关注核电厂仪控系本身的安全性、可靠性。事实上，核电仪控系统因为生产环节多、被控制量繁多、模型复杂难以进一步深入，设计、生产、装配、监测要求严苛。

核电仪控系统项目是一个大型的复杂系统，往往具有建设周期长、成本高、风险较大等特点。且涉及的技术复杂繁多，现有的研究对于核电仪控系统进行技术水平分析时，多是从环境效益与经济效益方面对技术先进性和适用性进行评价，对于应用条件方面，目前尚未有一个标准的度量方法可判断技术处于什么水平状态、能否用于大规模推广应用。文献[2−3]提出了技术就绪度在核电研发中的设想，初步探究了基于技术就绪度评估的研发管理体系及评价细则的制定。并没有细致探究技术就绪度评估体系方法。

国内出台了一系列的技术就绪度标准文件，但是在不同行业中关于技术就绪度评估的评价标准方法不尽相同，目前国内还未有核电系统专用的技术就绪度评估方法。现有的系统技术就绪度评估方法为平均法、技术就绪度因子法、系统成熟度矩阵法等[4]。平均法没有考虑到关键技术元素的权重问题；技术就绪度因子法表征系统距目标技术就绪度值的距离，并不能反映当前项目系统的技术就绪度值；系统成熟度矩阵法考虑了关键技术单元间的相互作用，却不能反映技术单元对于整个系统的影响程度。关键技术单元是指在工作分解结构中能够独立表达、独立测量、独立评价的基本单元，不仅仅可以是某一种技术，可以是几种技术集成的模块、组件。在核电仪控系统中，由于其在研发过程中侧重于技术的改进及环境的应用。在进行关键技术元素筛选确定时，一般以组件或单个非购买的零部件作为关键技术元素。

这里针对核电仪控系统自身的技术特点和行业特征，提出一种适用于核电仪控系统的技术就绪度评价方法。分析提出注重于环境试验、可靠性分析与鉴定试验的技术就绪度等级评价准则，在技术就绪度评价时，综合专家权重和关键技术元素权重，运用熵值法，充分结合主观与客观有效信息。最后将新的技术就绪度评价方法运用到堆芯运行状态监测仪，并将基于TRL的技术就绪度评价方法引入到核电仪控系统的项目评价中。

2 核电仪控系统技术就绪度

技术就绪度，顾名思义，是指技术就绪的程度，可理解为当前的技术水平相对于技术生命周期所处的发展状态；现在广义上是指在项目研制进程中其技术要素、制造要素以及资源管理等相对于整个项目进程所处的位置，也称作技术成熟度，其客观、量化地反映了技术对于项目预期目标的满足程度。技术就绪度最早是由美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出的，并于1995年发布了《TRL白皮书》，将技术就绪度按照技术的发展程度划分为9 个等级，并给出了各个等级的定义、具体含义等。2001 年美国国防部（DoD）开始运用技术就绪度。随后，英国、加拿大以及北约国家都引入并开展技术就绪度评价工作[5−6]。我国自20世纪90年代初引入技术就绪度以来，对于技术就绪度的研究与应用主要开展在军工、航空航天、医疗器械等多个领域[7]。

这里基于传统的技术就绪度评估方法，改进了评价流程，如图1所示。

图1 技术就绪度评价流程图Fig.1 Flow Chart of Technical Readiness Assessment

主要分为以下步骤：

（1）建立技术就绪度评价小组，并制定技术就绪度评价工作计划；

（2）成立评价专家组，专家组成员应由从事核电专业的技术专家、项目管理专家、行政专家及财务专家等组成，由于专家对于项目的了解方面、学术知识水平等不同，为保证评价的准确性，运用AHP等方法赋予专家相应的权重；

（3）评价小组根据系统项目特点和目标要求，制定技术就绪度评价细则。

（4）评价小组对于项目进行工作结构分解，并从分解的体系结构中整理技术元素清单，专家打分筛选出关键技术元素并计算出关键技术元素重要度。

（5）收集关键技术元素及整机的等级评价支撑信息。

（6）对照评价细则，进行项目综合等级评价；根据各关键技术元素成熟度评定的等级，分析系统项目的技术状态、制造状态、管理状态等。综合评定项目的技术就绪度等级，并完成技术就绪度评价报告。

（7）专家进行现场的检查及技术就绪度评价。

2.1 核电仪控系统技术就绪度等级的定义

技术就绪度等级表征全寿命周期内技术的发展状态[8]，技术就绪度在不同的领域应用时，由于系统自身的特殊性、差异性、运用通用等级评价准则往往会造成评价对象技术成熟度特性及要求描述不够准确。应该结合评价对象的实际特点，制定更具有针对性和特殊性的成熟度等级评价准则。在制定评价准则时应遵循：对应性、一致性以及术语转换原则。当前，我国电行业具有其特殊性，对于可靠性和安全性要求较高，目前尚未有关于专门适用于核电仪控系统的技术就绪度评价方法。基于此，本文提出一种适用于核电仪控系统的技术就绪度9级等级描述，如表1所示。

表1 TRL 9级含义及描述Tab.1 TRL Level 9 Meaning and Description

为了确定系统项目是否达到该等级，应对每一个等级制定相应的评价细则，并进行权重方面的量化。细则的准确制定应根据对应级别中以取该级别所需的技术状态、制造状态、项目规划方面的关键要素。核电仪控系统中各模块之间需要进行数据的传输，硬件上一般配有背板总线与接口，数据的传输不仅需要硬件同时需要软件的正确运行。故一般在进行技术就绪度评价时考虑集成就绪度，接口是零部件的一部分，在TRL5级时原理样机已经完成，整机的功能性能需要组件间的集成。基于此，在进行核电仪控系统技术就绪度评价时一般不考虑集成就绪度。

在进行技术就绪度评估（TRA）时，根据TRL九级的定义并结合技术状态、制造状态、项目规划等制定技术就绪度评估细则，并形成调查问卷打分表。在判断关键技术元素达到某一级别时，不同关键技术元素可能达到的级别程度不一致，则整个系统的技术就绪度等级若按照平均值来计算显得不合理；故对关键技术元素进行权重的赋值。

3 关键技术元素识别

传统识别CTE 的过程一般采用专家打分法，即根据项目或系统的特点，进行工作/技术/功能结构分解，找到技术单元，由人工筛选出CTE的清单，然后由专家打分并给出意见，通过讨论得出最终一致性的关键技术元素清单。一般来说，这种方法有很大的弊端，由于专家人数较少，即样本较少，导致结果主观性大、不确定性大[9]。

基于此，这里在传统专家打分的基础上提出了基于信息熵的专家打分法，融合了专家的权重，使得评价结果更加贴近实际，更科学、更合理。关键技术元素权重是进行技术就绪度等级评价的重要的一个步骤，每个关键技术元素的重要度不同，其在研制过程中存在的技术风险也不相同，每个关键技术元素在研制过程中，其进度也不一定相同，故所处的技术就绪度等级也存在差异，如何确定整个技术就绪度等级情况。根据准则对于各关键技术元素进行合理的定性定量分析，确定其权重大小是技术就绪度等级评估关键的一步。

专家的选择是进行技术就绪度必不可少的一步，一般在选择专家时，由于项目涵盖的领域较广，故一般不仅要选择行业领域专家，也要选择一些财务专家、行政专家及技术工程师等使得评估结果更全面合理[10]。

3.1 熵值法

熵值法最初表示的是一个热力学的物理概念，其用来表示一种能量在空间中分布的均匀程度。而在系统论中，用事件发生的概率的倒数表示该事件的信息[11]。设第j项指标在第i项评价指标上的观测值为xij，计算第j个指标的熵权为：

式中：m—指标值。

第j项指标的权为：

3.2 基于信息熵的关键技术元素评价

专家分别对子技术元素进行评价，依据美军《技术就绪评估手册》中的CTE 判定准则，根据大型项目的特点，判定准则建议如下：

（1）该技术对系统性能、进度、成本、实际使用有重大影响；

（2）该技术可能引起主要的开发风险或演示验证风险；

（3）该技术是新技术或者是已重新包装以适用于新的相关环境；

（4）该技术已经从曾经的成功应用中被修改。

专家依据准则对每个子技术元素进行赋值评价，根据重要程度与风险程度对子技术元素分为以下五个等级，如表2所示。

表2 重要程度等级表Tab.2 Iimportance Scale

运用信息熵进行关键技术元素识别及权重赋值的步骤为：

（1）选择m位专家，运用德尔菲法或层次分析法等方法，得到每个专家的权重为：

（2）专家根据自己的先验知识，综合系统项目的特点以及各子技术元素的重要程度、风险大小，对每一个子技术元素进行打分，每行归一化后即可得到专家对于子技术元素权重矩阵。其权重矩阵为：

式中：wij—第i位专家评定的第j项子技术元素的权重。且：

（3）计算子技术元素主观权重。权重矩阵中融和专家的权重，得到主观评价后的各子技术元素的权重为：

（4）计算熵权。运用式（1）、式（2）计算子技术元素的客观权重。

（5）计算整体权重。客观权重修正主观权重，主观权重与客观权重相乘，并进行归一化处理，即可得到子技术元素的权重[12]。

（6）关键技术元素及权重的确定。权重过小的则认为非关键技术元素，重新计算关键技术元素的权重。设关键技术元素个数为p个。则各关键技术元素的权重为：

4 技术就绪度等级确认

4.1 调差问卷表的制定

技术就绪度评估维度的权重依据不同的项目背景而有所区别，同时也跟项目所处的阶段有关系；同时每个维度下检查的内容不止一条，对于每条检查内容重要程度不同，其权重也不相同。专家采用德尔菲法对于每一条检查内容根据重要程度设定相应的分值。并根据满足情况分成四个满足程度：完全满足、基本满足、部分满足、不满足，分别为四个满足情况设置满足系数分别为：完全满足（1），基本满足（0.8），部分满足（0.5），不满足（0）。进行技术就绪度评分时可以根据满足程度，得到整个关键技术元素等级的满足程度[13]。进而考虑到各关键技术元素的权重以及专家的权重，对于极端专家意见可重新进行评估，后加权平均可以得到整个系统的技术就绪度等级。综合分析项目的技术状态、制造状态、项目规划状态，以及存在的问题，潜在的风险等。

表3 技术就绪度评估调查问卷示例表Tab.3 Sample Table of the Technical Readiness Assessment Questionnaire

5 实例验证

堆芯水位监测系统针对核电压力容器内正常运行和事故后水位的连续在线监测。是核反应堆安全运行必需的核心测量一起。

这里以某堆芯水位监测仪为应用实例，识别出该系统的关键技术元素，为进行系统的技术就绪度评估奠定基础。

堆芯水位监测系统主要包含水位信号采集和信号处理两个子系统，分别对子系统进行工作结构分解，如图2所示。

图2 堆芯水位监测系统工作结构分解图Fig.2 Working Structure Decomposition Diagram of Core Water Level Monitoring System

由图可知，堆芯水位监测系统子技术元素为：探测器一体式集成技术、加热功率优化技术[14]、信号实时传输技术、A/D信号转换技术、信号延迟消除技术、模块化技术、信息交互技术。

邀请5名专家分别是来自行业技术专家3名，项目管理专家1名和行政管理专家1名。

对各位专家采用互评的方式，通过AHP方法得到专家的权重分别为，0.24，0.22，0.21，0.17，0.16。

归一化后得到:

结合专家的权重得到：

结合表中数据得到各关键技术元素的主观权重评价结果分别为：

同理，得到：

根据公式计算得到：

某项指标的信息熵与1之间的差值表征该指标的信息效用价值，其直接影响指标的权重，信息的效用值越大，对评价的影响程度越大，则指标权重越大，反之亦然。

信息的效用值计算公式为：

由上述计算结果可以得出，专家普遍认为A/D信号转换技术与信息交互技术重要程度较低，认为其为非关键技术元素，对其他五个关键技术元素的权重重新计算为：

专家依据关键技术元素技术就绪度证明资料，采用德尔菲法进行调查问卷的填写，统计调查问卷可以得到各关键技术元素的技术就绪度等级，分别为：

根据关键技术元素的权重加权后可以得到整个系统的技术就绪度等级为7.14.等级去整数即为达到了技术就绪度7级水平。

6 结论

传统技术就绪度评估方法只进行关键技术元素的筛选与确认，在进行系统技术就绪度等级计算时，只采用了算术平均法。而核电仪控系统整个项目制作复杂，涉及应用到的技术种类繁多，且有的技术新颖又风险较大，故应该把整个关键技术元素的重要程度考虑在内。通过实例表明，将信息熵理论引入关键技术元素的权重研究，能综合多个专家的意见使专家的评价更客观，且能反映各关键技术元素在整个系统中的重要程度。但如何更加科学赋值专家的权重，以及在技术就绪度计算中考虑技术风险与进度是下一步的研究重点。