基于自組網(wǎng)技術(shù)的涉核環(huán)境人員安全系統(tǒng)研究

殷琪， 張宇星， 張安銳， 張弦， 王坤， 徐世超， 牛昊軒， 董岱林

（1.中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都610213；2.哈爾濱希塔科技有限公司，哈爾濱150000）

0 引 言

在核電站換料檢修期間，有大量的人員執(zhí)行操作和檢修試驗活動，然而由于環(huán)境復(fù)雜，不可避免地存在人員安全風(fēng)險和隱患。因此為了能實時掌握所有人員的安全狀態(tài)，需要建立一個實時傳輸所有現(xiàn)場人員身體和所處環(huán)境情況的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以便于后端指揮人員及時發(fā)現(xiàn)前端存在的問題并執(zhí)行正確的決策。

目前在煤礦井下作業(yè)、火災(zāi)現(xiàn)場應(yīng)急處理及軍事領(lǐng)域等特殊領(lǐng)域已經(jīng)在應(yīng)用分布式的無線自組網(wǎng)技術(shù)，建立人員或者設(shè)備的實時在線監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

本文簡要介紹了無線自組網(wǎng)通信技術(shù)，并將該技術(shù)與核電站換料檢修等應(yīng)用場合相結(jié)合，開展了涉核環(huán)境人員安全系統(tǒng)的探析研究。

1 自組網(wǎng)技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

無線自組網(wǎng)是一個具備臨時性自治功能的系統(tǒng)，主要由多個附帶無線收發(fā)裝置的移動終端組成，又被簡稱為“Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)”。在無線自組網(wǎng)系統(tǒng)中，每個用戶終端可以在一定范圍內(nèi)自由移動，并且每個移動終端都具備路由器和主機(jī)的功能。在實際使用時，每個用戶終端可以隨機(jī)或者特定地部署在目標(biāo)環(huán)境中，各個用戶終端間通過預(yù)先設(shè)定好的協(xié)議自組織起來，從而獲取環(huán)境信息并且相互協(xié)同完成特定任務(wù)。

1.2 技術(shù)特點

無線自組網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)的顯著不同點在于其不依賴于固定設(shè)施，因此可以在絕大多數(shù)地方展開并構(gòu)成臨時性的獨立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要技術(shù)優(yōu)勢有：1）自組織。各個移動終端地位平等，任意一個終端的加入和離開都不會影響整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行，抗干擾能力強(qiáng)。2）動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。自組網(wǎng)技術(shù)可實時監(jiān)測通信質(zhì)量和各終端狀態(tài)，并快速地調(diào)整由于終端位置的不斷變化、無線信道間的相互干擾、地形的復(fù)雜多變、終端的臨時開閉等因素導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。3）分布式控制。各個終端均具備獨立路由和中心控制功能, 分布式的控制方式使整個系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性，解決了單一中心控制損毀而導(dǎo)致的整個系統(tǒng)癱瘓的問題。

然而，無線自組網(wǎng)技術(shù)與我們常見的諸多無線設(shè)備一樣，還存在一定技術(shù)瓶頸，相對于有線通信，其主要技術(shù)劣勢有：1）能源受限。各個移動終端的能源供應(yīng)均來源于電池，受制于目前電池技術(shù)的發(fā)展，持續(xù)使用時間不長，尤其是自組網(wǎng)系統(tǒng)中作為主機(jī)的終端，因此需考慮節(jié)省能源。2）帶寬有限。相比于有線信道，無線信道的帶寬要低得多，并且由于無線信道衰減、相互間干擾等因素存在,使得終端實際帶寬遠(yuǎn)小于理論最大帶寬值，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。3）安全性較差。無線信道相比于有線通信，由于缺乏物理防護(hù)，容易被入侵、偽造、竊聽等各種網(wǎng)絡(luò)攻擊，導(dǎo)致信息傳輸存在泄漏和惡意篡改等風(fēng)險，需要對信息做加密技術(shù)處理，完善保密機(jī)制。

2 安全系統(tǒng)設(shè)計探析

2.1 涉核環(huán)境特點

1）屏蔽環(huán)境。涉核場所為了防止核輻射外放，設(shè)置了諸多的輻射屏蔽物，例如混凝土層、鉛層等，因此常規(guī)的信號通信技術(shù)應(yīng)用局限性很大。

2）人員分散，并行操作。換料檢修時往往需要人員分散到多個位置，并行操作，若是想將安全管理精確到每一個人，常規(guī)的現(xiàn)場人員安全管理方法具備很大的實施難度。

3）輻射危險。核輻射是無影無形的，操作人員可能會誤入較強(qiáng)的輻射區(qū)域，常規(guī)的輻射標(biāo)識物提示方法存在管理漏洞，管理人員也無法掌握每個人的運動軌跡。

4）高操作安全性。為了保證核安全，涉核操作需要很高的操作安全性，任何微小的操作失誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生，因此對于操作者的自身狀態(tài)要求較高，而目前采用的管理辦法為旁邊設(shè)置專人通過目視管理，但這樣只能關(guān)注到操作情況，無法了解操作者的狀態(tài)，存在事故發(fā)生的隱患。

2.2 系統(tǒng)組成設(shè)計

該人員安全系統(tǒng)主要由移動用戶終端、移動式信號中繼站、現(xiàn)場控制中心、遠(yuǎn)程指揮終端構(gòu)成。一線施工人員佩戴移動終端進(jìn)入目標(biāo)應(yīng)用區(qū)域，對施工人員自身狀態(tài)和所處環(huán)境情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以自組網(wǎng)的形式組成子系統(tǒng)，安全系統(tǒng)會自動識別出與信號中繼站通信質(zhì)量最佳的移動終端，并且指示信號中繼站移動至最佳位置，從而保證信號傳輸質(zhì)量。然后信號中繼站將信號發(fā)送到現(xiàn)場控制中心，便于控制中心調(diào)度人員實時監(jiān)控現(xiàn)場信息，及時做出正確的決策。若是有需要，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星的方式將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程指揮終端。該系統(tǒng)中所有的通信是雙向的，既可以自下而上，也可以自上而下，保證了施工作業(yè)的后端控制與現(xiàn)場反饋形成閉環(huán)，為施工人員的安全提供了堅實的技術(shù)保護(hù)盾。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)研究

在復(fù)雜的涉核環(huán)境中，由于存在信號屏蔽，通信路線基本不可能實現(xiàn)露天空曠環(huán)境下的直線傳輸，需要系統(tǒng)自動識別出最佳的多點傳輸路徑，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是該人員安全系統(tǒng)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

目前，主要的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)包括LoRa、SigFox、NB-IoT、ZigBee、6LoWPAN、Wireless HART、WIFI和BLE等。不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其適用場景不同。LoRa、SigFox和NB-IoT技術(shù)比較適合于傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗、數(shù)據(jù)速率低、傳輸數(shù)據(jù)量少的應(yīng)用場景（如智能抄表、智能物流）。LoRa和SigFox數(shù)據(jù)速率很低，NB-IoT成本相對較高。ZigBee、6LoWPAN這類比較適合于傳輸速率要求相對較高、距離短、需要雙向準(zhǔn)實時通信的場景。ZigBee和6LoWPAN都是無線多跳自組網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)速率較低，通常采用異步通信。異步通信網(wǎng)絡(luò)由于沖突、干擾、重傳等導(dǎo)致信道利用率低。Wireless HART基于TDMA設(shè)計，實現(xiàn)復(fù)雜，實時性高，常用于工業(yè)控制，其部署成本相對較高。WI-FI和BLE比較適合于數(shù)據(jù)傳輸速率要求高、距離短的應(yīng)用場景，如WI-FI適用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，BLE用于手環(huán)。目前主要的無線技術(shù)和高可靠時間同步技術(shù)（HRTS）對比如表1所示。

表1 主要無線技術(shù)和高可靠時間同步技術(shù)（HRTS）對比

我們的人員安全系統(tǒng)需要在屏蔽環(huán)境內(nèi)自組網(wǎng)形成局域管理網(wǎng)絡(luò)，同時需要較強(qiáng)的穩(wěn)定性及獨立運行能力，因此NB-IoT完全不能滿足應(yīng)用環(huán)境。為了保障作業(yè)人員生命安全，在核環(huán)境里，需要布置各種環(huán)境監(jiān)測傳感器（輻射監(jiān)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測等），人員需要佩戴生命體征（心跳、血氧、血壓等）傳感器和定位裝置，定位系統(tǒng)用于監(jiān)測人員活動范圍、人員搜救、突發(fā)情況報警等。

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基于TDMA思想可實現(xiàn)基于高可靠時間同步技術(shù)（HRTS）工作在SUB-GHZ頻段的自主基站組網(wǎng)方案。該技術(shù)方案可支持信息采集、人員定位、網(wǎng)絡(luò)管理、雙向?qū)崟r通信。相比于異步網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，雖然HRTS同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)計復(fù)雜度相對較高，但是HRTS信道利用率高、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、時延較低并且有保障。同時HRTS數(shù)據(jù)速率相對較高，能夠支持更多的終端設(shè)備。并且HRTS工作在Sub-GHz頻段，相比于2.4 GHz，Sub-GHz干擾很少，傳輸距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)。由于HRTS傳輸距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)，相比于2.4 GHz無線技術(shù)，中央基站能夠覆蓋的小基站數(shù)量多，只需要少量的中央基站就可以實現(xiàn)對整個封閉核作業(yè)環(huán)境的全覆蓋。并且在市場上已經(jīng)有過類似的技術(shù)應(yīng)用案例，比如哈爾濱希塔科技有限公司已將該技術(shù)運用于監(jiān)獄人員狀態(tài)監(jiān)測、大型管道檢修人員定位及環(huán)境采集等復(fù)雜封閉環(huán)境，因此基于高可靠時間同步技術(shù)（HRTS）工作在SUB-GHZ頻段的自主基站組網(wǎng)方案應(yīng)用于有核環(huán)境下人員安全保障的技術(shù)成熟度較高，具備很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

3 安全系統(tǒng)應(yīng)用探析

3.1 人員定位

該人員安全系統(tǒng)非常重要的一個功能便是提供現(xiàn)場每一個佩戴了移動終端人員的定位信息，便于現(xiàn)場控制中心調(diào)度人員能實時掌握每個人的活動軌跡，及時提醒接近危險區(qū)域的人員，在發(fā)生事故后也能及時救援。

3.2 人員生命體征監(jiān)測

移動終端搭載有生命體征傳感器，可以實時監(jiān)測佩戴人員的身體狀態(tài)，比如心率、血氧、血壓、體溫、脈搏等關(guān)鍵身體機(jī)能指標(biāo)，讓施工人員自己和控制中心人員都能實時了解，降低了人員安全事故的概率。

3.3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

移動終端搭載有環(huán)境監(jiān)測傳感器，可以實時采集佩戴人員的所處環(huán)境數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度、輻射、有毒氣體含量、氫氧含量等關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)，讓施工人員自己和控制中心人員都能實時了解，降低了人員安全事故的概率。

3.4 系統(tǒng)狀態(tài)反饋

定時自動檢測人員安全系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并在網(wǎng)絡(luò)、硬件等出現(xiàn)故障時向控制中心反饋，便于系統(tǒng)維護(hù)人員及時進(jìn)行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的維護(hù)。

3.5 應(yīng)急事故處置

在核環(huán)境下，一旦發(fā)生預(yù)料之外的事故，可能會導(dǎo)致一線施工人員與后端控制人員失去聯(lián)系，也就是信號中繼站與移動用戶終端通信中斷，在這種情況下，一定范圍內(nèi)的施工人員所佩戴的移動終端可自行形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，相互間可以交流并且了解彼此的身體和環(huán)境狀態(tài)，同時所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)將被存儲，當(dāng)救援通道打開時，可以更加快捷有序地撤離事故現(xiàn)場，并且存儲的信息也能為后續(xù)的事故研究提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 論

本文對有核環(huán)境下人員安全系統(tǒng)進(jìn)行了整體介紹，對系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)自組網(wǎng)通信展開了調(diào)研，分析了目前幾大主流的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，提出了基于高可靠時間同步技術(shù)（HRTS）工作在SUB-GHZ頻段的自主基站組網(wǎng)方案。結(jié)合目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境對該安全系統(tǒng)開展了應(yīng)用研究，為后續(xù)自組網(wǎng)技術(shù)在核環(huán)境下的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。