遺傳算法在核輻射環境監測點分布規劃中的應用研究

楊 斌，李 鋼，侯躍新，2，肖 丹，2，李 巖，2

(1.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150010； 2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150020)

遺傳算法在核輻射環境監測點分布規劃中的應用研究

楊 斌1，李 鋼1，侯躍新1，2，肖 丹1，2，李 巖1，2

(1.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150010； 2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150020)

核輻射監測站點的布局規劃在核輻射環境監測中發揮著至關重要的作用。監測點的布局規劃不但要求實現對監測區域的覆蓋，同時還要盡可能降低投入成本。為了獲得這一有多目標性規劃問題的解，提出利用現代數值分析方法中的遺傳算法對監測點部署規劃進行分析求解，進而獲得最佳的規劃方案。

遺傳算法；分布規劃；輻射環境監測

核輻射環境的安全問題關系著經濟的可持續發展，更直接關系著公眾的生命財產安全及社會的穩定。而核輻射環境監測點的合理布局優化在核輻射環境監測中發揮著至關重要的作用[1]。然而，由于核輻射環境監測點的分布規劃問題涉及面較廣，不但要滿足對輻射環境區域監測全覆蓋需求，還要綜合考慮地理環境、周圍生態系統等多種因素，同時盡可能節約監測點的建設投入成本，屬于一個具有多個目標的復雜規劃難題，需要一套完善的科學理論加以指導[2-3]。本文提出利用蒙特卡羅算法對核輻射環境的輻射場進行建模分析，掌握輻射場的分布狀況，借助現代數值分析方法中的遺傳算法，通過確定初始種群和族群演變迭代來求解核輻射環境監測點布局規劃的最佳方案。

1 研究的目的和意義

利用遺傳算法進行核輻射環境監測點分布規劃研究的主要目的是利用遺傳算法解決核輻射環境中監測布點分布規劃這一具有多目標性的難題。

該項理論研究的意義主要體現在以下幾個方面：

第一，提高邊境核輻射環境監測的能力。由于我國幅員遼闊且與多國接壤或臨近，時常有放射性物質和輻射塵埃流入我國境內，而且這種輻射影響呈現一種動態性且無規律可循。因此，建立合理的監測點布局規劃方案，對于防控周邊國家和地區的放射性物質對我國周邊環境的侵害，提升我國核輻射環境監測能力及對周邊國家核輻射事故擴散影響處理的能力具有重要意義。

第二，推進重點核設施的輻射監測合理化布局。根據核電站、核反應堆等核設施的輻射劑量分布狀況并結合多種影響因素，綜合考慮各監測點的部署規劃有助于推進重點核設施內部及周邊環境的科學化監管。

第三，指導城市放射源安全監測網絡的部署規劃工作。近年來，由于涉核企業的安全防范工作不到位導致核安全事故時有發生，因此，在市區內的涉核企業周邊部署具有預判和安全預警能力的監測網絡是十分必要的。而建設監測網絡的核心就是監測點的選址規劃問題，進行該項研究對提高城市放射源安全管控能力具有重要的指導性意義。

2 監測點布局規劃算法

核輻射環境監測點的分布規劃屬于多目標組合優化問題，其目的就是布設最少的監測點完成目標區域的輻射場監測覆蓋，它需要綜合考慮輻射源強分布、障礙遮擋、傳輸信號間干擾等諸多因素[4-6]。為了滿足核輻射環境監測點動態規劃的需求，本文提出了一種基于改進遺傳算法的多目標核輻射環境監測點動態規劃算法。

為了獲得最優的輻射劑量監控點分布方案，首先要確定監測區域放射源輻射場劑量的分布情況，這里采用MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)軟件對輻射場進行建模仿真，確定監測區域內輻射劑量分布狀況，然后將監測區域按一定的精度離散化，并以點位來代表劃分的區塊。根據監測區域的場強分布情況為每一個點位分配權值，權值越大表明該點越需要部署監測點。監測區域的業務權值總和為1。

設x表示一個具體的監控分布方案(一個具體的解)，是一個矢量{x1,x2,...,xn}。定義總體目標函數為：

fobj=p1f1(x)+p2f2(x)+p3f3(x)

(1)

其中，f1(x)為監控點對輻射劑量場的面積覆蓋函數，f2(x)為監測點的建設成本函數，f3(x)為監控點的管理成本函數，pi(i=1,2,3)為對應各子函數的權值，其取值由綜合考量現場情況而確定。每一種輻射監測點規劃方案的優劣可以通過公式1計算獲得綜合評價目標數值，其取值區間為：[0，1]，該值越大表明方案越接近實際解。

第一，離散化編碼。對最優化問題的解進行離散化編碼是算法求解的關鍵。其編碼方式主要有兩種：一是基于浮點數編碼，二是基于二進制編碼。考慮到輻射監測點是以離散點形式存在的，因此，采用基于浮點數的編碼方式更加符合輻射監測規劃的實際需求。設每組解是由具有n個基因組的染色體來表示，每個輻射監測點的位置由一個基因組表示，橫縱坐標構成基因組的兩個代表性基因。如果一個基因組內出現負值，則表示該基因組所代表的基站為非法數值。

第二，種群初始化。定義遺傳算法的基因組的取值范圍(見公式2)，其中，L、W分別為規劃區域的橫向和縱向的最大值。

{Ω(x,y):0≤x≤L，0≤y≤W}

(2)

設初始種群由m個個體組成，則初始種群為：

(3)

公式3中gij=(xij,yij)(1≤i≤m,1≤j≤n)為第i個個體中第j個基因組所代表的坐標。對每一個j∈[1,n]，gij以概率p取值(v1,v2)，其中v1～U(0,L),v2～U(0,W)。

第三，數據準備。核輻射監測點的選址需要從多方面采集數據，本文的選址主要基于涉核企業的空間分布數據，因此數據主要應包括：基礎地理空間信息、放射性裝置的數量、輻射劑量場的影響范圍、規劃選址區域的無線或有線網絡可延伸的范圍。

第四，剔除不符合要求的地點。通過GIS空間運算剔除掉明顯不符合要求的區域以減少迭代求解的計算量。

第五，交叉和變異。為了能夠使輻射監測點規劃方案在求解過程中盡量能夠保存以前的解(即離散化的父代基因)，避免丟失已經獲得的最優解，不妨考慮采用類似于基因交叉的方法來使新的解保存部分前次求得的解的部分數據。基因變異操作則能夠提供新的解空間。為了不使最終的解產生過大的隨機變動并且能夠保持已經獲得的最佳方案，在進行變異操作時應只對原始解衍化的子解進行。

第六，選擇和適值評估。為了加快算法的收斂速度，可以考慮采用冪指數來標定函數并求解適值。為了防止算法獲得的最終解是局部最優解，可每隔若干次迭代求解就將父代和后代組成新的求解空間，這種操作方式類似于遺傳基因學的人工誘變操作，這樣既能保證在進行求解時獲得最優解，又可保證較好的收斂性和收斂速度。

3 應用效果

為了驗證算法的可行性，選定哈爾濱市某企業作為實驗研究對象。該企業擁有放射源近百枚，主要應用核子料位計對生產物資的料位進行測量，由于料位計等核儀表在廠區內分布較分散，給安全生產帶來很大隱患。圖1是廠區內現場情況及監測點輻射劑量變化情況以及點位的部署。通過對現場放射源種類、源強、工作方式及周邊設備布局等進行綜合分析，利用遺傳算法實現改進現場監控點位的布局設計，對現場監控點位、監控點數等進行相應調整。經過優化，目前已實現采用49個監控點位對廠區所轄近百枚放射源的監管覆蓋，達到了預期的優化目標。

圖1 某公司輻射區域監測布點規劃Fig.1 Radiation area monitoring distribution planning of a company

4 結論

該項目利用遺傳算法對核輻射環境監測點部署規劃進行求解，有利于優化放射源監控資源的配置，在降低監控投入成本的同時，達到對輻射區域的最優化監測覆蓋。此外，通過該項目的研究也可以促進核輻射環境監測網絡推廣進程，對提高放射源安全監控及輻射防護的手段具有重要的意義。

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Application research on the genetic algorithm in the radiation environmental monitoring distribution planning

YANG Bin1, LI Gang1, HOU Yue-xin1，2, XIAO Dan1，2, LI Yan1，2

(1.Technical Physics Institute of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150010, China;2. Institute of Advanced Technology Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China)

The layout planning of nuclear radiation monitoring site plays a vital role in the monitoring of nuclear radiation environment. But the layout of the monitoring points is not only to achieve the coverage of the monitoring area but also to reduce the cost of investment as much as possible. In order to get the solution of this multi-objects problem, the genetic algorithm to analyze the problem was put forward so as to obtain the best plan.

Genetic algorithm; Distribution planning; Radiation environmental monitoring

2016-09-13

楊斌(1983-)，男，助理研究員，碩士。

TN929.533

A

1674-8646(2016)23-0004-03