核電廠集成式污染監測和劑量管理系統開發與應用

楊策明，張礫支(國核示范電站有限責任公司，山東 榮成，264312)

李林珊(中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，四川 綿陽，621000)

個人輻射劑量和放射性污染事件的管理是核電廠輻射防護工作的重點。國內一些商運核電廠已經在污染監測和劑量管理系統的開發方面做過一些工作，例如中廣核集團的劑量聯網系統(PDUS)將輻射工作許可證任務信息與控制區進出控制系統中的人員信息進行了一定程度的關聯，并實現了多基地輻射工作人員授權和個人劑量信息的統一管理[1]。

個人劑量監測和放射性污染監測主要依靠熱釋光劑量計(TLD)、電子劑量計(EPD)、人員放射性污染監測儀(C1門、C2門)、全身計數器等設備，但是上述設備的數據接口往往不向用戶開放，相關系統和設備之間的數據無法聯通。因此，核電廠普遍面臨以下幾個問題：①各類設備普遍處于離線工作模式，無法對設備運行狀態和運行數據進行集中管理；②大量的個人劑量和表面污染監測數據沒有得到有效的保存、利用和分析；③在控制區通行證辦理、個人劑量檔案錄入與管理、個人劑量數據統計等工作上花費較多的人力，工作效率低。因此，急需開發基于我國核電廠輻射防護管理要求的集成式污染監測和劑量管理系統(簡稱DMS)[2]。本文對這一系統的開發和實際應用情況進行簡要介紹。

1 DMS系統組成和基本功能

DMS系統的總體組成框圖詳見圖1。DMS系統主要由內照射測量和管理系統、外照射測量和管理系統(包括電子式劑量管理子系統和熱釋光劑量管理子系統)、表面污染監測和管理系統以及全廠個人劑量管理系統等子系統組成。

圖1 DMS系統組成框圖

DMS各個子系統內部首先完成局域子網組網，然后通過安全網關將各子網連接完成DMS整個系統組網。在該網絡架構中，全廠個人劑量管理系統通過網絡通信協議與DMS系統的其他子系統、核電廠生產管理信息系統進行數據交互，從而對全廠輻射工作人員個人劑量水平、表面污染監測數據和DMS系統設備運行情況進行統一管理和分析處理。

DMS系統的主要設備均提供不間斷電源(UPS)，保證設備在失去正常電源后的2小時內能正常工作，從而保障核電站輻射防護工作的應急運行。

1.1 內照射測量和管理系統

內照射測量和管理系統主要由全身計數器(WBC)、全身計數器管理計算機及應用軟件、網絡交換機等組成，用于對工作人員體內放射性核素所發射的γ射線進行直接測量，并對測量數據進行處理、儲存及報表生成，評價和估算內照射劑量。

全身計數測量任務由經過初審通過的輻射控制區通行證申請流程自動推送，或由管理系統按照預設的內照射監測周期自動推送。內照射測量和管理系統將測量任務數據通過網絡定期發送到全廠個人劑量管理系統，生成工作人員個人劑量檔案中的內照射數據。

1.2 外照射測量和管理系統

外照射測量和管理系統包括電子式劑量管理子系統和熱釋光劑量管理子系統。

1.2.1電子式劑量管理子系統

電子式劑量管理子系統為進出各控制區的工作人員提供電子個人劑量計(EPD)，對工作人員的個人劑量進行實時的監測和報警，并在全廠范圍內進行個人劑量的管理，主要包括EPD、讀出裝置、管理計算機及應用軟件、旋轉門等。

人員進入輻射控制區時在讀出裝置上輸入身份和任務信息，讀出裝置從全廠個人劑量管理系統獲取并驗證信息，驗證通過后將任務信息中用于實施監測的相關限值數據寫入EPD并控制旋轉門開啟。人員退出輻射控制區時在讀出裝置上注銷EPD，劑量數據送往本地的個人劑量管理計算機和全廠個人劑量管理系統。出口的讀出裝置與全身表面污染監測儀(C2門)聯鎖，用于控制C2門的開啟。每個輻射控制區出入口的管理計算機在與全廠個人劑量管理系統的通信中斷期間，能繼續保持其個人劑量的測量和管理功能，在恢復通信后，將歷史數據通過補充傳輸的方式傳送到全廠個人劑量管理系統中[3]。

1.2.2熱釋光劑量管理子系統

熱釋光劑量管理子系統用于為放射工作人員配發熱釋光劑量計(TLD)，按照監測周期對TLD進行測量，并對測量數據進行處理、儲存及報表生成，評價和估算外照射劑量，主要包括TLD及其配發設備、測讀裝置、管理計算機及應用軟件等。

為節約資源，減少不必要的TLD測讀/退火工作，核電廠可采用TLD動態配發策略[4]。即在每個監測周期內工作人員首次進入輻射控制區時，由配發設備自動分配TLD并在本監測周期內與該人員綁定，單個監測周期內未進入輻射控制區的人員不占用固定TLD。采用該策略需要配置具備動態配發功能的設備，從全廠個人劑量管理系統獲取人員資質信息，并定期將分配和使用情況傳輸至熱釋光劑量管理子系統用于測量數據的管理。

熱釋光劑量管理子系統將生成的數據定期送往全廠個人劑量管理系統，用于生成工作人員個人劑量檔案中的外照射部分，并自動與電子式個人劑量管理子系統提供的外照射數據進行比對，比對結果偏差較大(具體標準由核電廠結合管理要求自行制定)時觸發異常調查任務，提醒管理人員調查處理。

1.3 表面污染監測和管理系統

表面污染監測和管理系統包括各種放射性表面污染監測設備，對離開輻射控制區的工作人員衣物、體表、所攜帶的小件物品和安全帽等進行表面污染測量，以避免污染擴散。主要包括設備集中管理計算機、手腳污染監測儀、小物品污染監測儀、安全帽污染監測儀、門框式污染監測儀(C1門)、全身表面污染監測儀(C2門)等。表面污染監測和管理系統將自身設備狀態和污染監測報警信息送往全廠個人劑量管理系統，以便對全廠污染監測設備的狀態進行統一監控，并對報警數據進行管理和長期趨勢分析。

1.4 全廠個人劑量管理系統

全廠個人劑量管理系統是DMS系統的數據管理中樞，主要由服務器A/B、工作站、網絡交換機、安全網關和全廠個人劑量管理系統軟件構成。全廠個人劑量管理系統與DMS其它子系統之間通過網絡進行通信，獲取各子系統測量數據進行集中管理，同時在線監管DMS各子系統主要設備的運行情況。

全廠個人劑量管理系統服務器為冗余設置：主服務器A工作時，備用服務器B定期更新數據庫；主服務器A發生故障時，備用服務器B自動接管系統管理功能；主服務器A故障恢復后，自動從備用服務器B讀取在故障期間丟失的數據，從而保障全廠劑量數據安全。

2 DMS系統內外部數據接口

DMS系統旨在實現各劑量測量和表面污染監測系統聯網基礎上的數據管理與應用，因此DMS系統內、外部數據接口設計尤為重要，如圖2所示。

圖2 DMS系統數據接口

2.1 外部數據接口

DMS系統的外部數據接口指DMS系統與核電廠SAP生產管理信息系統之間的數據接口，詳細內容見表1所列。該接口主要用于獲取核電廠工作人員基礎信息和輻射工作任務信息，這些信息通常來源于生產管理信息系統的輻射工作許可證(RWP)模塊和控制區通行證(RP證)辦理模塊。

表1 生產管理信息系統與DMS全廠個人劑量管理系統數據接口

RWP是核電廠輻射工作控制的主要工具，通過RWP的申請、審批、執行和關閉，實現輻射風險分析、劑量預估、防護措施制定、防護用品準備和過程控制等管理功能。RWP準備和審批過程中需要從全廠個人劑量管理系統獲取并審查工作任務執行人員的資格和歷史劑量信息，RWP審批生效后將必要的任務信息發送到全廠個人劑量管理系統用于后續管理。

RP模塊從核電廠人力資源(HR)數據庫中獲取工作人員基礎信息，從培訓授權(TR)模塊中獲取基本安全授權培訓有效期，從職業健康信息(OH)模塊中獲取工作適任性評價有效期，由責任方發起人員資格許可申請流程，經審批后將合格人員數據信息送至全廠個人劑量管理系統。

2.2 內部數據接口

DMS系統的內部數據接口是指全廠個人劑量管理系統與其它各子系統之間的數據接口，詳細內容見表2所列。

表2 DMS系統內部數據接口

3 DMS系統應用效果分析

DMS打通了系統內外數據接口，實現對全廠個人劑量和表面污染監測數據的有效管理、數據融合和深化應用，主要體現在智能化個人劑量調查(預警)與干預、輻射防護最優化(ALARA)執行反饋、集體劑量統計與趨勢分析、輻射數據聯合分析和處置決策、個人劑量檔案的生成與管理等方面。

3.1 智能化個人劑量調查(預警)與干預

核電廠通常會制定比個人劑量國標限值更為嚴格的劑量約束值和管理目標值，并設置調查(預警)水平和行政干預水平，用來開展對放射工作人員職業照射情況的過程控制。

DMS系統應用后，實現了個人劑量調查(預警)與干預過程的智能管控。電子式劑量管理子系統將個人劑量數據實時傳送到全廠個人劑量管理系統，后者將上述劑量數據統計結果與預先設定的調查(預警)水平值、行政干預水平值進行比較，達到設定值時系統自動觸發相應動作，系統對觸發的任務進行智能跟蹤和閉環管理，相關調查和行政審批表單長期保存，并自動計入個人劑量檔案。智能化的個人劑量調查(預警)與干預，有效減輕了輻射防護人員管控負擔，提升了對工作人員的職業健康安全保護水平。

DMS系統對個人劑量調查(預警)與干預管理功能詳見表3。

表3 DMS個人劑量調查(預警)與行政干預水平功能表

3.2 輻射防護最優化(ALARA)執行反饋

核電廠在輻射工作準備和審批過程中，基于風險類型和大小對工作進行了ALARA分級，并根據工作時間、區域輻射水平和歷史任務信息設定了工作集體劑量和工作最大個人劑量預估值，可通過與該工作實際劑量情況對比來優化工作任務設置。

DMS系統不僅擁有全廠個人劑量和表面污染監測數據，同時還能與核電廠生產管理信息系統之間交互RWP和RP數據，因此在工作ALARA分級限定和實際任務劑量追蹤上有天然優勢。在某一工作執行過程中，DMS系統一般不會對ALARA劑量控制值進行管控，而是通過設定EPD單次進入允許最大劑量(報警)值、環境最大劑量率(報警)值，并在系統中設定調查(預警)、干預水平，以確保劑量限值滿足控制要求。但在該工作完工后，DMS系統會將該項工作(以RWP許可證號進行統計)實際的集體劑量、個人累積劑量與相應的預估值進行比較，當偏差較大時應當觸發最優化分析任務，分析工作準備過程中預估偏差的來源或工作執行過程中待改進的問題，從而對該工作任務的設置和分配進行優化。

輻射防護最優化(ALARA)執行反饋的管理方式詳見表4。

表4 輻射防護最優化(ALARA)執行反饋功能表

3.3 集體劑量統計與趨勢分析

核電廠需對全廠范圍內的集體劑量和人工時進行詳細的分類統計，并進行階段性(例如大修期間)和長期趨勢分析，統計內容包括：

?大修機組日劑量、人工時統計柱狀圖和趨勢線；

?大修期間按工作分類的集體劑量、人工時統計柱狀圖和餅狀圖；

?大修期間按劑量區間分布的人數、集體劑量占比統計柱狀圖；

?按部門和單位(承包商)分類的集體劑量、人工時統計柱狀圖和餅狀圖；

?歷史大修輪次總集體劑量、總人工時統計柱狀圖和趨勢線。

在目前核電站輻射防護管理實踐中，上述數據統計分析工作依賴人工方式進行篩選、組合及圖表的繪制。DMS系統應用后，能夠根據實際管理需要，基于多字段篩選組合自動生成統計報表和趨勢分析圖。若核電廠進一步配置有輻射防護指標展示相關的數據管理系統，則上述統計圖表可以周期自動生成并推送至指標展示界面，為高級管理人員提供更為即時高效的監控和管理手段。

3.4 輻射數據聯合分析和處置決策

DMS系統涉及的輻射報警信息主要包括兩大類，一是人員劑量報警(包括EPD單次累積劑量和劑量率超限值報警、人員周期劑量限值報警等)，二是人員體表、衣物、物品等表面污染監測設備測量結果超限值報警。

上述兩大類輻射報警信息和測量數據是對輻射防護目標的不同維度的數據反映，但是在目前核電站輻射防護管理體系中，這兩類報警數據分屬不同信息系統，需要分別進行行為分析和報警處置。EPD發生報警時工作人員首先通知輻射防護人員進行響應，經核實可以繼續工作的應注銷并重新啟用EPD。報警數據上傳至系統并觸發調查任務，由輻射防護人員填寫報警響應情況，并對報警的性質(例如設備故障、人員違章、安全事件等)進行歸類。表面污染監測設備報警時工作人員首先通知輻射防護人員進行響應，對于C1門、C2門和小物品監測儀的報警，系統自動觸發調查任務，同時附帶報警前后的視頻監控畫面。輻射防護人員填寫報警響應情況，并對報警的性質和嚴重程度進行歸類。安全帽污染監測儀和手腳污染監測儀一般不觸發調查任務，僅上傳報警信息。

DMS系統應用后，實現了對這兩類報警信息的實時采集和集中管理，并開展聯合分析和統一處置，輻射報警信息管理功能詳見表5。DMS系統能夠針對特定報警事件/時間/人員進行統計分析，生成報警信息、測試數據、處置記錄等聯合數據報告。通過上述不同維度報警數據映照分析，能夠進一步為輻射防護人員快速判定報警性質和執行處置提供決策建議。同時，DMS系統能夠對所有報警信息和調查處理記錄進行儲存、統計和長期趨勢分析，按照報警類型、數量、嚴重程度和響應時效性等要素定期生成行為績效管理報告，供核電廠高級管理人員進行輻射防護績效目標評估，并尋找改進機會。

表5 輻射報警信息管理功能表

3.5 個人劑量檔案電子化與數據共享

按照國家職業性內、外照射個人監測規范的要求，TLD和WBC的測讀數據經必要的修正和評價后作為職業照射監測結果計入個人劑量檔案，檔案數據可參考表6。

表6 個人劑量檔案生成與管理功能表

目前核電廠個人劑量檔案多采用人工方式跟蹤記錄存檔。人員的TLD/WBC測讀數據僅在TLD/WBC管理計算機本地保存，相應數據處理和評價主要在TLD管理計算機和WBC管理計算機中使用專門軟件完成[5]，只將最終評價的結果數據采用紙質文件或者離線數據(如EXCEL文件)方式送往管理部門，并采用人工方式錄入和統計形成個人劑量檔案。同時，工作人員在本核電廠以外從事放射性工作期間形成的監測數據、新入職人員的歷史劑量數據則通過劑量申報的方式人工補錄入個人劑量檔案。這種方式存在著很多缺陷：個人劑量數據源分散且不易查詢追溯、評價數據更新不及時、可能發生漏報或者重復申報等，增加了輻射防護管理成本和難度。

DMS系統應用后，全廠個人劑量管理系統能夠從熱釋光劑量管理子系統、內照射測量和管理系統中實時獲取人員的內、外照射數據和評價結果，免除人工記錄存檔的繁瑣錯漏，同時便于個人劑量數據的查詢追溯和統計分析；同時DMS系統個人劑量檔案也可以與核電廠生產管理信息系統、甚至同集團其它核電廠DMS系統等外部系統進行數據共享，可以減少跨廠區工作人員劑量申報次數，同時避免重復報送造成的數據篩除等諸多問題。

綜上所述，DMS系統的應用推動了輻射防護管理工作的信息化和智能化，提升了輻射防護人員的工作效率，加快了輻射污染事件響應速度，降低了污染擴散的風險，最終有助于提高核電廠整體運作效率和安全水平。

4 DMS系統改進方向和建議

(1)DMS系統目前包括了布置在控制區衛生出入口的監測設備，核電廠實物保護區和廠區邊界出入口車輛/人員通道監測設備、核洗衣房的衣物污染分揀儀、非核島廠房的劑量率監測儀等設備均未實現組網運行，未來可以考慮將上述設備集成至DMS系統中管理。

(2)核電廠普遍使用的EPD主要為離線工作模式，在啟動和注銷時才會與管理系統進行數據交互。某些新建核電廠(例如AP1000機組)已在核島廠房內布置了無線網絡，可支持EPD在使用中實時上傳數據，可以應用這一技術實現人員實時定位和對高風險工作的實時劑量監督。

(3)全廠個人劑量管理系統目前僅獲取表面污染監測和管理系統的設備狀態和報警信息，改進可考慮雙向數據傳輸，通過遠程控制的方式實現效率刻度、運行參數調整、誤報警測試和通訊測試等功能，并對設備巡檢、維修相關活動的數據管理進行整合。