熵值-模糊綜合評價法在實驗準備狀態評價中的應用
——以聚變級激光驅動裝置物理實驗為例

黃婧雯

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621009)

0 引言

聚變級激光驅動裝置作為我國高能激光領域的前沿，具有科技含量高、技術難度大、結構復雜、對環境要求嚴苛、運行難、維護度高等特點[1]。每年在該裝置上開展的物理實驗排程緊密，運行成本高。為了保障聚變級激光驅動裝置物理實驗的有效開展，必須在每輪物理實驗前對各方面的技術條件和準備情況進行系統、全面的檢查與確定，保證各方條件滿足策劃要求，避免和減少在最終產品質量、實驗進度和實驗費用等方面可能產生的風險[2]。

聚變級激光驅動裝置物理實驗準備狀態評價具有涉及范圍廣、學科寬、層次深、因素多、指標繁等特點，通過使用具有多體系、多指標結構描述、系統性、綜合性強等優點的模糊綜合評價法，可以將不確定信息定量化，同時引入熵值法修正模糊綜合評價指標權重，彌補和修正由主觀因素帶來的判斷偏差，可以科學、客觀、全局、有效地進行評價[3]。因此，聚變級激光驅動裝置物理實驗準備狀態評價擬采用熵值-模糊綜合評價法進行分析與評價。

因該類項目的特殊性，國內很少有關于聚變級激光驅動裝置物理實驗準備狀態的系統評價體系和評價方式。本文以聚變級激光驅動裝置物理實驗為背景，利用熵值客觀賦權及模糊數學的隸屬度理論，建立準備狀態的綜合評價模型，綜合使用定性和定量的科學方法，將不確定因素轉換為相對確定因素，在一定程度上消除主觀偏差，根據策劃的要求，滿足策劃的目的[4]。準確地甄別問題，科學地解耦設計，規避因可控的因素導致不可控的后果，優化物理實驗評價體系，提升物理實驗管理模式，使用更科學、更客觀的評價體系，考慮各級因素帶來的后果，整合指標之間的權重，滿足實驗策劃要求，促進整體精密化水平的提升。

1 熵值-模糊綜合評價模型建立

熵值理論指出，一個系統的有序程度越高，信息熵越大；無序程度越高，信息熵越小[5]。熵值法根據較多客觀數據計算出權重，即確定評價指標的權向量。步驟如下。

1.1 確定評價指標和評價等級

根據評價對象建立評價指標論域和評價等級論域，如下

評價指標論域U={u1，u2，…，un}

(1)

評價等級論域V={v1，v2，…，vm}

(2)

1.2 熵值法確定指標的權向量

1.2.1 建立評判矩陣

設有n個評價指標和m個評價等級，建立數據矩陣。本研究通過專家對不同的評價指標打分獲得評價等級的評判結果，根據評判結果確定數據矩陣，如下

(3)

1.2.2 標準化處理

為了消除評價指標的不可公度性，運用極差變換法進行標準化處理[6]。

對評價對象越大越好的指標如下

(4)

對評價對象越小越好的指標如下

(5)

通過上述變換后即可得到模糊關系評判矩陣Y

(6)

1.2.3 計算指標值比重

計算指標值yij在指標j下的比重，如下

(7)

式中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

1.2.4 計算指標的熵值

計算第j項指標的熵值，如下

(8)

式中，k>0，k=1/ln(m)，ej≥0。

由此可得指標j的差異性系數gi=1-ej。對于給定的指標j，yij的差異性越小，則ej越大；當yij全部相等時，ej=1；當指標之間的差異越大時，則該項指標評價的作用越大。

1.2.5 計算指標的權重

計算第j項指標的權重，如下

(9)

得到各指標的權重向量為

W=(w1,w2,…,wm)

1.3 構建模糊關系矩陣

模糊關系矩陣如下

(10)

式中，R為單因素評價結果；rij為某一評價因素對評價等級區間的模糊評價集的隸屬度值。

R由隸屬函數確定，本文通過專家評分確定[7]。

1.4 模糊運算

將上述步驟得到的模糊關系矩陣R及指標的權重向量W，其評價結果為

=(b1，b2， …，bn)

(11)

1.5 項目評價分值計算

計算評價對象最終得分為

C=B×A=(b1,b2,…,bn)×(a1,a2,…,an)T

(12)

式中，A為百分制下的4個評價等級的分數所構成的列向量，本文中A=(100，89，79，69)。

2 應用實例

2.1 工程概況

聚變級激光驅動裝置物理實驗任務意義深遠、影響面廣、經費投入巨大、運行成本高昂，不容出現任何差錯，要實現大型激光驅動裝置實驗的“一次成功”和“次次成功”，必須樹立“嚴肅認真、周到細致、穩妥可靠、萬無一失”的理念[8]。承制單位總結吸收幾十年來形成的傳統質量管理方法，借鑒國內外先進質量管理方法和理念，形成了獨具特色的評價方法。

2.2 評價流程

2.2.1 確定評價指標和評價等級

根據聚變級激光驅動裝置物理實驗特點，在每輪實驗開始前對質量、安全、物理診斷、靶、驅動器、精密裝校六大方面、36個子項進行全方位、多角度的檢查與評價。評價指標體系如圖1所示。

根據評價目標要求和實現程度的量化判定，有4種狀態：完全具備(Completely possessed，CP)，基本具備(Basicly possessed，BP)，部分具備(Partially possessed，PP)，不具備(Unpossessed，UN)。

CP(完全具備)，是指該過程組能力滿足相應等級≥90分的評價目標要求。

BP(基本具備)，是指該過程組能力滿足了相應等級≥80分且≤89分的評價目標要求。

PP(部分具備)，是指該過程組能力滿足了相應等級≥70分且≤79分的評價目標要求。

UN(不具備)，是指該過程組能力滿足了相應等級≤69分的評價目標要求。

2.2.2 熵值法確定指標的權向量。

由10名專家組成評價小組，根據質量管理體系及聚變級激光驅動裝置物理實驗準備狀態評價指標體系(圖1)要求對具體評價因素進行等級評價，見表1。

表1 專家評分匯總表

(續)

圖1 大型物理實驗準備狀態評價指標體系

根據專家評判情況進行匯總，通過表1及式(3)～式(9)建立數據矩陣，運用熵值法得到各級指標的權重向量如下

W=(0.193 67，0.178 80，0.155 03，0.174 75，0.117 78，0.179 98)

W1=(0.122 38，0.156 47，0.195 92，0.156 47，0.078 50，0.290 25)

W2=(0.132 57，0.314 40，0.132 57，0.240 68，0.080 89，0.098 89)

W3=(0.152 89，0.195 48，0.195 48，0.195 48，0.107 77，0.152 89)

W4=(0.173 42，0.173 42，0.160 85，0.113 33，0.173 42，0.205 57)

W5=(0.201 25，0.129 08，0.168 15，0.150 13，0.150 13，0.201 25)

W6=(0.239 11，0.199 60，0.131 70，0.131 70，0.199 63，0.098 26)

2.2.3 構建模糊關系矩陣

根據式(10)和隸屬函數，構建表2所示的評價指標權重及模糊關系矩陣R。

2.2.4 模糊運算。

根據表2，由式(11)計算出二級評判結果向量如下

表2 評價指標權重及模糊關系矩陣R

B1=(0.086 67，0.775 23，0.102 81，0.035 29)

(續)

B2=(0.074 85，0.816 39，0.088 98，0.019 78)

B3=(0.066 50，0.728 11，0.128 78，0.076 61)

B4=(0.098 34，0.712 99，0.120 56，0.068 11)

B5=(0.169 35，0.614 43，0.183 18，0.033 03)

B6=(0.059 16，0.777 92，0.162 92，0)

則綜合評判矩陣為

綜合評判結果為

B=W×R=(0.088 26，0.745 95，0.127 75，0.038 04)

2.2.5 項目評價分值計算

項目評價最終得分如下

C=B×A=(0.088 26，0.745 95，0.127 75，0.038 04)×(100，89，79，69)T=87.932 53

2.3 評價結果分析

通過賦值修正及多因素制約的綜合評價，聚變級激光驅動裝置物理實驗準備狀態評價最終得分為87.932 53分，說明綜合評價等級落在BP(基本具備)要求區域，聚變級激光驅動裝置物理實驗前準備狀態效果總體良好。

通過熵值-模糊綜合評價的計算與分析得出：在制靶方面，靶的技術路線、原材料配置、制靶進度、成品靶質量與策劃要求中的技術路線的匹配程度總體良好。在精密裝校方面，精密裝校需求合理性、診斷設備切換、光學元件安裝、在線潔凈處理、特種作業人員的能力等方面總體良好，但其他一級評價指標中存在下列問題：

(1)在質量方面，聚變級激光驅動裝置物理實驗大部分是對物理問題原理認識不充分、探索性較強的實驗，實施過程中會涉及更改實驗目的、實驗內容、技術路線、實驗設計的某一局部參數等，多次頻繁調整后如未能實現有效控制，會導致過程狀態失控且不能在需要時進行有效追溯。

(2)在安全方面，存在未制訂應急預案、現場標識/警示不到位、相關方三級培訓不到位，以及插線板串接、高空作業不系安全帶、密閉空間作業未按流程審批和作業等各類安全隱患。

(3)在物理診斷方面，測量結果的可用性在很大程度上取決于其不確定度的大小，但是發現在物理實驗策劃階段，部分實驗只給出了被測量的值，并未給出與該測量值相關的不確定度。

(4)在驅動器方面，存在能量缺失、調焦機無法運作、能量跳變、能庫異常、壓縮機老化、真空機組電控箱故障等問題，容易導致實驗數據獲取異常、實驗發次減少、實驗延期等問題。

3 改進建議

本文針對聚變級激光驅動裝置物理實驗準備狀態評價體系提出以下建議措施。

3.1 加強物理實驗技術狀態控制

(1)細化物理實驗設計更改要求，對更改進行分類控制。

(2)加強對物理實驗技術狀態更改的審核工作，保證更改被有效控制和追溯。

3.2 深化安全文化理念，加大安全管控力度

(1)通過“安全文化手冊”“安全小故事”“安全順口溜”等方式向員工宣貫安全意識。

(2)在管理上可以通過“負面清單”“現場巡查”“安全績效”等方式持續深化安全工作的重要性。

3.3 加強測量不確定度管理

(1)完善不確定度的評定工作，根據物理量診斷需求，明確不確定度指標要求，建立數學模型，列出測量不確定度來源，評定標準不確定度分量，計算合成標準不確定度，評定擴展不確定度，最終形成不確定度報告。

(2)建立不確定度的考核制度，對每輪物理實驗的不確定度指標情況進行考核。

3.4 應用科學方法

聚變級激光驅動裝置因存在技術指標要求高、裝置本身涉及多個學科、零配件部組件繁多、運行能量高等客觀情況，加之運行年限的增加，會造成一定程度的損壞和老化，可以通過人工智能、設計標準化、組件模塊化、軟件工程化、FMEA、FRACAS等科學方法協助解決。

4 結語

本文對聚變級激光驅動裝置物理實驗準備狀態進行評價，根據大科學工程裝置特點，從質量、安全、物理診斷、靶、驅動器、精密裝校六大方面、36個子項構建評價指標體系，對傳統質量管理方法進行總結吸收，借鑒國內外先進質量管理方法和理念，形成了獨具特色的評價方法，完善了該類項目的評價指標體系。利用熵值客觀賦權及模糊數學的隸屬度理論，建立數學評價模型，使用科學方法，將不確定因素轉換為相對確定因素，在一定程度上消除主觀偏差，為我國類似大科學工程項目或相關領域的科學評價提供參考。