基于輻射信息的放射源實時監(jiān)控系統(tǒng)

占楊煒

（四川大學(xué) 物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院輻射物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610065）

放射源種類多，應(yīng)用廣[1]，幾十年來的應(yīng)用為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、提高國家實力、保障人民健康做出了重大貢獻(xiàn)。放射源在醫(yī)學(xué)方面用于診斷、治療和消毒滅菌等，在農(nóng)業(yè)方面用于輻照育種來改良品質(zhì)、增加產(chǎn)量及保鮮等，在工業(yè)方面用于石油煤炭等資源勘探、礦石成份分析和工業(yè)探傷等。但放射源也帶來很多危害，據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計，1988年至1998年，放射事故主要發(fā)生在小型密封源應(yīng)用的單位，約占全部事故的80%。該領(lǐng)域中的事故主要是丟失放射源，導(dǎo)致公眾受照，找源過程又占用大量勞動力，受照集體劑量和經(jīng)濟(jì)損失也均在各行業(yè)之首，分別約占總數(shù)的67%和58%[2]。直到今天，一些地區(qū)的放射源管理依舊隱患重重。如福島核事故及山西省亨澤輻照科技有限公司五名工作人員在未將放射源降至安全位置的情況下，攜帶壞的劑量儀進(jìn)入輻照室，其中一人死亡，另外4人患上放射病。因此，管理好放射源[3]，是關(guān)系到人民健康、安全的大事。

現(xiàn)有技術(shù)中對放射源的監(jiān)控系統(tǒng)，其各監(jiān)測單元以并聯(lián)的形式連接，因受到線路和接口的限制而不易擴(kuò)展，若是擴(kuò)展即需要更多的線路和接口；同時其數(shù)據(jù)通訊采用的是無線通訊技術(shù)，這會使得數(shù)據(jù)信息有被竊取風(fēng)險，容易泄密且通訊不穩(wěn)定易受干擾。

為此該系統(tǒng)利用可編程邏輯器件STC15單片機(jī)作為中樞，采用CAN總線通信收集各監(jiān)測單元的輻射信息[4]至主控器，再將主控器處理后的數(shù)據(jù)遵循TCP/IP協(xié)議模式傳至服務(wù)器[5]。各監(jiān)測單元和主控器用一根四芯線串聯(lián)起來，其中兩線用于供電，另兩線用于通信，這樣可便于擴(kuò)展且不需另外增加線路和接口；主控器與服務(wù)器用一根網(wǎng)線進(jìn)行通訊，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠且不被竊取。

1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由監(jiān)測單元（含屏蔽準(zhǔn)直器）、主控器、警報器、服務(wù)器組成，如圖1所示。

每一個放射源容器側(cè)壁安裝一個監(jiān)測單元并配有屏蔽準(zhǔn)直器，用G-M管實時測取容器內(nèi)放射源的輻射信息。所有的監(jiān)測單元測得的輻射信息通過CAN總線匯集到主控器同時由主控制器供給工作電壓。主控器上連有警報器，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)分析結(jié)果來決定警報器的工作狀態(tài)，并通過TCP/IP協(xié)議上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)至服務(wù)器同時可從服務(wù)器接受相關(guān)操作指令。從而實現(xiàn)放射源的遠(yuǎn)程實時監(jiān)管。

圖1 放射源貯存及實時監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1 Storage of radioactive sources&Frame diagram of the real-time monitoring system

1.1 主控器

主控器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括交直流轉(zhuǎn)換模塊、電流監(jiān)測模塊、CAN模塊、以太網(wǎng)模塊和STC15單片機(jī)。

圖2 主控器硬件功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware function structure chart of the host controller

主控器將外接交流220 V轉(zhuǎn)直流12 V，給主控板及各監(jiān)測單元供電。正常工作時，負(fù)載電流是一個較為穩(wěn)定的值，如果某部件或供電電纜發(fā)生短路、斷路或供電（通訊）電纜遭剪斷破壞，則電流值會發(fā)生較大變化。為此采用高精度的電流傳感器MAX9634對總負(fù)載電流進(jìn)行實時采樣，STC15單片機(jī)通過DAC口讀取MAX9634采集的數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前的負(fù)載電流值，根據(jù)獲取的正常電流值智能設(shè)定上下閾值，一旦電流值不在閾值內(nèi)立即啟動警報器。

該系統(tǒng)采用嵌入式控制CAN協(xié)議棧芯片MCP2515和TJA1050實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)[6]，對每一個數(shù)據(jù)包采用CRC16校驗，可以從根本上避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e。CAN總線通信走線少，只需2根總線，即可串聯(lián)起主控器和所有監(jiān)測單元，便于擴(kuò)展，通信帶寬最高1 Mbps時，對應(yīng)傳輸距離可達(dá)40 m，通信帶寬500 kbps時通信距離可達(dá)1 000 m。

主控器對CAN總線匯集的輻射信息和測得的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在正常狀態(tài)下智能設(shè)定置信區(qū)間即上下閾值，若監(jiān)測的數(shù)據(jù)不在置信區(qū)間內(nèi)則啟動警報器。主控器采用STC15單片機(jī)控制高速硬件以太網(wǎng)協(xié)議芯片W5300實現(xiàn)與服務(wù)器間TCP/IP通信[7]，上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器同時接受其下發(fā)的指令和參數(shù)，并下發(fā)給各監(jiān)測單元 ，有線以太網(wǎng)通信保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。

1.2 智能設(shè)定閾值

為減少誤報警和漏報警率，系統(tǒng)根據(jù)測量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計規(guī)律，實時動態(tài)智能調(diào)整報警閾值。

放射源衰變是隨機(jī)的，衰變產(chǎn)生的計數(shù)分布服從泊松分布，

其中M是計數(shù)N的期望值。當(dāng)衰變數(shù)較多時核衰變服從高斯分布，

其中σ是標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)3σ準(zhǔn)則[8]得：

1）輻射值分布在[M-2σ，M+2σ]中的概率為 0.977 250 即誤報警率是2.2750%，

由樣本標(biāo)準(zhǔn)差：

同理，

2）輻射值分布在[M-3σ，M+3σ]中的概率為 0.998 650 即誤報警率是0.1350%，得閾值區(qū)間為

同理，

3）輻射值分布在[M-4σ，M+4σ]中的概率為 0.999 968 即

在正常狀態(tài)下，系統(tǒng)定時測得放射源的部分輻射值作為樣本，動態(tài)智能設(shè)定上下閾值。

2 系統(tǒng)測試

由于放射性具有統(tǒng)計漲落使得G－M管計數(shù)不穩(wěn)定，因此采用滑動平均值法即每測得的一個輻射值與之前的4個輻射值取平均值作為當(dāng)前輻射值，改進(jìn)后有效的提高了穩(wěn)定性。使用Am－241源測試結(jié)果如下（見圖3）：

圖3 放射源距G－M管0.1m和0.5m的相對輻射值概率分布圖Fig.3 The relative radiation value probability distribution diagram of radioactive sources and G－M tube are separated in distance by 0.1 meter&0.5 meter

將放射源置G－M管0.1 m處時，正常狀態(tài)下系統(tǒng)會定時自動測取60個輻射值作為樣本來自動設(shè)定上下閾值：

1）閾值設(shè)為[M－2σ，M+2σ]對應(yīng)的置信區(qū)間為[23，31]，誤警率約為1.2200%；

2）閾值設(shè)為[M－3σ，M+3σ]對應(yīng)的置信區(qū)間為[21，33]，誤警率約為0.0200%；

3）閾值設(shè)為[M－4σ，M+4σ]對應(yīng)的置信區(qū)間為[19，35]，誤警率為0；

選擇的置信區(qū)間越寬，誤警率越低，但靈敏度會隨之降低。

當(dāng)把放射源移至G－M管0.5 m處時：測得此時放射源的輻射值，其范圍在3～11之間，都不在3種置信區(qū)間內(nèi)，即都會觸發(fā)聲光報警。

3 結(jié)束語

隨著社會發(fā)展放射源應(yīng)用越加廣泛，但伴隨而來的安全問題也日益嚴(yán)峻，所以需要對放射源進(jìn)行實時監(jiān)控。本監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)測單元與主控器間采用串聯(lián)式的 CAN[9－10]通信，便于擴(kuò)展；主控器與服務(wù)器間采用有線以太網(wǎng)通信保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠且不易被竊取。由硬件電路和服務(wù)端軟件相結(jié)合實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實時監(jiān)視放射源的輻射信息，可對放射源進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，有效提高放射源的監(jiān)控管理水平和效率，減少放射源丟失、被盜等事件的發(fā)生。

[1]范輝堂，謝華.湖北省放射源應(yīng)用情況調(diào)查[J].中國輻射衛(wèi)生，1997，6（3）:1－2.FAN Hui-tang，XIE Hua.Application of investigation of radioactive sources in hubei province[J].Chinese Journal of Radiological Health，1997，6（3）:1－2.

[2]范深根，賀青華，侯慶梅，等.放射性同位素應(yīng)用中的輻射防護(hù)概況與事故分析[J].中國輻射衛(wèi)生，2000，9（4）：200－204.FANShen-gen，HEQing-hua，HOUQing-mei，et al.Radioactive isotope application in radiation protection situation and accident analysis[J].Chinese Journal of Radiological Health，2000，9（4）：200－204.

[3]徐玉星.放射源應(yīng)用現(xiàn)狀及管理的幾點(diǎn)建議[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17（1）:1－2.XU Yu-xing.Some suggestions on the current application and management of radioactive sources[J].Sci-Tech Information Development&Economy，2007，17（1）:1－2.

[4]柯江民，孫淑霞，曹屹東.MCP2515及CAN通信驅(qū)動設(shè)計[J].網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，2008，17（12）：43－45.KEJiang-min，SUNShu-hua，CAOYi-dong.Design of MCP2515 and CAN communication driving[J].Network Technique，2008，17（12）：43－45.

[5]OU Quan-mei.The design and realization of embedded Ethernet[J].Computer Knowledge and Technology，2007（6）:35－37.

[6]Leen G，Heffernan D.TTCAN:a new-triggered controller area network[J].microprocessorsand Microsystems，2002，26:77－94.

[7]吳昊，嚴(yán)勝剛，薛雙喜.基于W5300的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2012，20（9）：1－3.WU Hao，YAN Sheng-gang，XUE Shuang-xi.Design and inplemengtation of Ethernet data transfer system based on W5300[J].Electronic Design Engineering，2012，20（9）：1－3.

[8]王宏寶.電子測量[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[9]張正揚(yáng)，劉方.一種基于CAN總線的電動車電池管理系統(tǒng)[J].電子科技，2014（3）：129－132.ZHANFZheng-yang，LIU Fang.A battery management system of electrical vehicle based on CAN bus[J].Electronic Science and Technology，2014（3）：129－132.

[10]韓彬.一種基于CAN總線的高精度角度變送器[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（12）：103－106.HAN Bin.High-precision angle converter based on CAN－bus[J].Modern Electronic Technique，2014（12）：103－106.