放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)設計

潘雨青 楊鑫焱

摘要：放射源污染已經(jīng)成為環(huán)境污染中的重要問題，放射源檢測是避免核污染的有效方法。闡述放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)的設計思路，該系統(tǒng)利用ZigBee技術，集輻射劑量測量、放射源定位、放射源追蹤、報警、輻射事故應急決策、監(jiān)管部門聯(lián)動等功能于一體。

關鍵詞：放射源；檢測；ZigBee；在線監(jiān)測系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.161578

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0071-03

0 引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，放射源應用日趨廣泛。由于放射源是一種特殊物質(zhì)，其輻射對人體健康具有危害性，因此對放射源的監(jiān)管極為重要。

國外關于放射源檢測方法的研究較多，并建立了相應的放射源監(jiān)控系統(tǒng)[1]。美國、日本、英國等發(fā)達國家研制的放射源檢測系統(tǒng)大大提高了核事故防治效果[2]。國內(nèi)關于放射源檢測的研究還處于起步階段，缺乏有效的放射源監(jiān)控系統(tǒng)。從20世紀50年代起，隨著核電站的興建和發(fā)展，核泄漏事件受到環(huán)保部門的高度重視[2-4]。設計一款高效的放射源監(jiān)控系統(tǒng)對及時、準確地掌握放射源狀況，確保放射源安全具有重要意義。

放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)要依托現(xiàn)有環(huán)保信息化監(jiān)管平臺，具有單個放射源的實時位置監(jiān)控、劑量監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)信息傳輸、事故報警、應急處置等功能，實現(xiàn)放射源管理自動化、信息化。環(huán)保監(jiān)管部門可以通過放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)對放射源輻射工作單位的情況進行實時在線監(jiān)管，使輻射安全監(jiān)管工作更加及時、有效、科學。

1 放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)設計框架

放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)測平臺和督管平臺，前者主要實現(xiàn)放射源使用和作業(yè)管理；后者實現(xiàn)放射源管理和對檢測平臺工作的督管。

（1）放射源工作環(huán)境檢測。獲取放射源工作狀態(tài)環(huán)境變量信息和工作檢測參數(shù)，包括放射源劑量檢測、周邊環(huán)境檢測等。

（2）綜合數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)在線分析。主要實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)實時匯集和在線分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一化管理和在線風險分析及預警，為業(yè)務處理提供相關數(shù)據(jù)。

（3）業(yè)務處理。主要包括風險管理、在線預警、統(tǒng)計分析和信息報送等。

（4）應急處置。實現(xiàn)對放射源事件的應急處置，主要包括應急事件處置、事件和整改信息發(fā)布等。

放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

安裝放射源自動監(jiān)測儀，對在用放射源劑量進行實時監(jiān)控。放射源監(jiān)測儀與放射源設備相連接，并且不可拆卸。放射源自動監(jiān)測儀對綁定的放射源信息進行實時監(jiān)測。同時放射源自動監(jiān)測儀通過GPRS網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測平臺。系統(tǒng)主要功能如下：

（1）實時接收“放射源監(jiān)測”數(shù)據(jù)，并實時顯示。

（2）如放射源劑量監(jiān)測值出現(xiàn)異常，如瞬間減少、瞬間增大等，則發(fā)出連續(xù)報警信號。

（3）放射源劑量監(jiān)控數(shù)據(jù)保存1年以上。

（4）及時向督管平臺上傳報警信號、監(jiān)控數(shù)據(jù)，隨時接收督管平臺數(shù)據(jù)復查。

督管平臺對監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)進行實時在線分析，一旦發(fā)現(xiàn)隱患能夠及時提供預警。同時當監(jiān)測平臺發(fā)出報警信號后，對監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)進行檢查。

（1） 角色用戶管理：對管理角色和用戶授權進行管理，用于信息訪問控制，保證信息安全。

（2） 預警配置管理：對預警參數(shù)進行配置，實現(xiàn)自動預警。

系統(tǒng)監(jiān)管架構(gòu)如圖2所示。

2 主要模塊設計

2.1 放射源監(jiān)測設計

監(jiān)測是放射源監(jiān)控管理的基礎，實現(xiàn)對放射源工作環(huán)境及狀態(tài)的檢測、辨識以及風險分析，監(jiān)測流程如圖3所示。

監(jiān)測平臺進行實時數(shù)據(jù)采集，每小時進行一次數(shù)據(jù)記載。檢測到放射源劑量異常后，采取應急處理，改為每10分鐘進行應急信息存儲，并進行放射源劑量信息評估與分析。

2.2 應急處理

應急處置主要保障環(huán)境安全、減低事故損失。通過放射源劑量分析進行風險辨識，對不同風險進行預警，實現(xiàn)監(jiān)控。

正常工作情況下，系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集和辨識，每小時進行一次數(shù)據(jù)記載，發(fā)生應急事件時，改變數(shù)據(jù)采樣存儲粒度，改為每10分鐘進行一次數(shù)據(jù)記載，為應急決策和處理提供實時數(shù)據(jù)。

應急處理流程如圖4所示。

2.3 督管平臺

監(jiān)管平臺主要實現(xiàn)以下功能：

（1）數(shù)據(jù)通訊。主要實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊。

（2）數(shù)據(jù)管理。實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換以及對本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，接口與數(shù)據(jù)采集儀間進行預警數(shù)據(jù)的交換。

（3）在線分析和預警。對監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)進行實時在線分析，一旦發(fā)現(xiàn)隱患能夠及時進行預警。

（4）業(yè)務管理。主要實現(xiàn)監(jiān)測平臺對放射源管理業(yè)務信息化處理，包括在線監(jiān)控分析、許可證管理和應急管理等。

（5）信息展示。使用GIS/圖表等手段實現(xiàn)可視化信息展示。

（6）安全管理。對用戶信息訪問授權進行管理。

3 通信方式

3.1 ZigBee技術

ZigBee[5]是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee的特點是：功耗低、傳輸速率低、可靠、網(wǎng)絡容量大、低成本、安全，所以ZigBee主要應用于傳輸距離短，并且在數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的電子設備之間。例如：設備自動化控制和遠程控制等相關領域，同時ZigBee也可以嵌入到各種設備中。

ZigBee Alliance[5]規(guī)定了該協(xié)議的安全層和網(wǎng)絡層，每個管理者都可以根據(jù)需求開發(fā)利用應用層，所以ZigBee的組網(wǎng)方式很靈活。簡而言之，ZigBee是一種可以給管理者帶來很多便利和實惠，且低消耗的短距離無線組網(wǎng)技術。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖6所示。

ZigBee設備為低功耗設備，通信距離為30～70m。ZigBee設備還具有鏈路質(zhì)量指示功能和能量檢測能力，從而在保障通信鏈路質(zhì)量的情況下，可以自動調(diào)整發(fā)射功率，使ZigBee設備功耗達到最小。

雖然可以說ZigBee和Bluetooth是同族兄弟，但是ZigBee協(xié)議更簡單、功耗也更低，同時價格更低[6]。因此本文選擇ZigBee的無線通信方式來實現(xiàn)放射源在線監(jiān)控。

3.2 通訊規(guī)約

通訊是聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎，也是系統(tǒng)可擴展性必須約束的基本要素。通訊協(xié)議約定了通訊方式、通訊包信息構(gòu)成等內(nèi)容。

本系統(tǒng)通訊規(guī)約設計如圖7所示。

（1）放射源工作環(huán)境和工作參數(shù)檢測由各類檢測設備完成，檢測設備通過ZigBee通訊向數(shù)采儀提供檢測數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)采儀進行數(shù)據(jù)匯集和在線風險辨識。數(shù)采儀采用有線方式向監(jiān)測平臺傳輸檢測和預警數(shù)據(jù)。數(shù)采儀使用無線方式（GPRS/WiFi/3G）向督管平臺傳輸預警數(shù)據(jù)，采用Scoket通訊方式。

（3）監(jiān)測平臺和監(jiān)管平臺間使用有線方式進行數(shù)據(jù)交互。主要數(shù)據(jù)包括業(yè)務數(shù)據(jù)、預警數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)等。

4 結(jié)語

利用放射源在線監(jiān)控系統(tǒng)可對放射源進行全方位管理，對核技術利用單位進行實時監(jiān)控和指導，對在用放射源實現(xiàn)追溯；加強對核技術利用單位實時管理；實現(xiàn)對放射源的信息管理、遠程定位、在線監(jiān)控、自動報警等，從而對放射源實施全面有效的在線自動監(jiān)控。

本文探討了放射源在線監(jiān)控平臺設計，設計了一個集輻射劑量測量、放射源定位、放射源追蹤、報警、輻射事故應急決策、監(jiān)管部門能動等功能于一體的網(wǎng)絡式輻射源在線監(jiān)測系統(tǒng)，使得安全監(jiān)管工作更加及時、更加有效、更加科學。

參考文獻：

[1]National Semiconductor Corporation. LF155/LF256/LF257/LF355/LF356/LF357JFET input operational amplifiers[Z].2001.

[2]王汝贍.核輻射測量與防護[M].北京：原子能出版社，1990.

[3]M RIZZOTTO.Temporal reduction of the external gamma dose rate due to 137Cs mobility in sandy beaches[J].Journal of Radioanalytical and NuclearChemistry，2009（28）：160-169.

[4]SOLIMAN H，SUDAN K，MISHRA A.A smart forest-fire early detection sensory system：another approach of utilizing wireless sensor and neural networks[C].IEEE Sensors 2010 Conference，2010：1990-1904

[5]ZIGBEE ALLIANCE.ZigBee specification[Z].2005.

[6]LUIGI ATZORIA，ANTONIO IERAB，GIACOMO MORABITO.The internet of things：a survey[J].Computer Networks，2010，54（15）：787-805.

（責任編輯：陳福時）