基于5G技術的放射性固體廢物智能管理系統

周春燕　李振臣　劉辰龍　孫圣權　楊蘭菊　張家衡　周星雨

摘 要 針對放射性固體廢物管理現狀的痛點和難點，基于5G技術、物聯網技術等，根據業務需求設計放射性固體廢物智能管理系統，給出系統的總體架構和5G網絡架構，實現了放射性固體廢物的在線及數字化管理，為進一步實現放射性固體廢物的智能化管理打下基礎，滿足了核電企業、科研院所對放射性固體廢物的標準化、精細化、智能化管理升級轉型需求。

關鍵詞 智能管理系統 放射性固體廢物 5G網絡架構 遠程監管 無人化管控 全流程

中圖分類號 TP274? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0245?07

反應堆等核設施在運行、維修維護過程中會產生大量放射性固體廢物（以下簡稱“固廢”），這些固廢需由放射性廢物處理運行管理部門統一收集、整備、暫存、外運、處置。放射性廢物的安全管理是核安全的重要方面，根據我國相關法律法規，從各產廢廠房分散產生到廢物處理廠房集中整備，到最終填埋處置，需對固廢在整個過程中的處理、遷移信息及軌跡進行有效管控。目前，在役核電廠、科研院所等核設施運行單位尚未充分實現固廢從收集、整備、轉運、暫存到處置等全過程的數字化、自動化、智能化監管。

為滿足業務需求，基于第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）［1］、物聯網技術等，設計固廢智能管理系統，以實現固廢的在線及數字化管理。

1 固廢管理現狀及需求分析

固廢來源主要分為工藝廢物和技術廢物。工藝廢物包括濃縮蒸殘液、廢樹脂、水濾芯、空氣濾芯等。技術廢物包括可壓縮類和不可壓縮類，壓縮類包括檢修產生的塑料布、吸水紙、抹布，沾污的衣物、防護用品、工作服、鞋等；不可壓縮類包括檢修和去污過程的工藝管道、管道閥門、沾污工具。這些廢物經整備處理后形成的廢物種類包括水泥固化體、金屬廢物包、可燃廢物包等。對這些廢物從產生到最終處置的全過程管理涉及的種類多、環節多、周期長，對數據自動采集、存儲、統計、分析需求很大。并且由于廢物包體積及質量大，且有一定的輻照危害，在廢物流轉過程中呈現人工強度大、近距離作業輻射危害大的特點，對遠程監管和無人化管控需求很高。

傳統管理以人工為主，輔以計算機信息化技術，各環節管理系統獨立建設運行，數據傳遞性和共享性差，各環節需重復錄入數據，并且只能完成固廢管控信息的簡單電子化，管理流程與實體廢物包處于賬、物分離狀態，相互間的對應關系依賴人工識別，存在收/貯/存效率低、信息統計分析和溯源難、人因錯誤率高的問題，更無法滿足固廢在大范圍流轉過程中的軌跡實時動態監管、設備遠距離操控、放射性環境少人甚至無人化、業務流程網絡化的需求。

固廢管理涵蓋了這些廢物在廠區內的產廢廠房，整備處理廠房，暫存倉庫之間的收集、整備、轉運、暫存、外運、處置全過程，涉及范圍廣。傳統的有線通信方式需要在現有放射性廠房重新敷設網線，一是敷設距離長，組網復雜，組網靈活性差；二是容易破壞放射性場所的密閉要求，不能滿足放射性區域輻射管理要求；三是有線通信方式難以全面覆蓋廠房所有區域，無法滿足移動終端的通信需求。

2 基于5G技術的管理系統總體架構

基于5G技術的固廢智能管理系統以5G為無線網絡載體，搭建數據不出園的高可靠5G安全專網［2］，用以滿足系統無人叉車、移動識別終端的無線通信需求，并為后續其他智能設備、移動設備的引入預留接口和容量。同時，根據業務特性與需求，基于射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）和物聯網技術對業務管理流程、系統軟件功能進行設計，對硬件進行選型和安裝，構建基于5G技術的固廢智能管理系統。

2.1 系統總體架構

如圖1所示，基于5G技術的固廢智能管理系統采用成熟、先進的4層分布式的技術架構，包括移動終端層、通信網絡層、管控支撐層和應用業務層，提供了最大的系統吞吐能力和移植能力，具有全維度安全、多適配標準以及一體化管理能力。同時，每個應用在其相應位置起作用，擔負相應工作，并兼容多線程并發事件的處理。這種處理結構允許每個組件按其最優方式獨立地處理信息。

移動終端層采用定制5G安全終端，包括數據加密終端、用戶識別（Universal Subscriber Identity Module，USIM）卡及專網業務訪問安全貼芯密卡，可為用戶提供入網和業務訪問的數據安全、身份安全。

通信網絡層從安全性及應急可靠性兩方面，構建全新的5G專網架構體系。安全方面，該網絡架構提供了端到端的數據安全增強、控制面的接入認證增強、語音面的通話安全增強等功能。應急可靠性方面，該架構提供了網絡雙活熱備及多媒體集群調度等功能。

管控支撐層是本項目中的高安全5G專網管理平臺，基于云化、虛擬化等技術搭建，且運用人工智能（Artificial Intelligence，AI）機器學習等成熟技術，實時分析判斷用戶異常行為，達到無人化自主運行管控的目的。

應用業務層是針對固廢管理需求開發的應用系統，即通過構建互聯互通、安全可靠、覆蓋整個放射性基地的面向廢物全生命周期的智能管理系統，實現固廢從產生、接收、處理、轉運、暫存、處置全生命周期的信息自動采集和智能監管；無人轉運系統實現了廢物包在收集轉運環節的叉車無人化轉運操作和智能識別。

系統具備全維度安全性能，從管理機制、保障策略、技術支撐等方面構建全方位、多層次、一致性的5G專網安全防護體系，加強了用戶數據的安全保護。

2.2 數據不出園的高可靠5G安全專網局域網架構

5G網絡大寬帶、低延時、廣連接，能同時滿足無人叉車、RFID固定或移動識別終端、大量分布在園區各廠房的高清攝像機等智能終端設備的實時無線接入和數據高速、穩定傳輸需求，避免了部分設備敷線破壞放射性密閉廠房的完整性。

無人叉車用于廢物包的無人轉運和智能識別，是管理系統中對5G網絡實時數據傳輸技術需求最高的一項智能設備，如無人叉車對貨包的AI識別，路況識別、應急安全系統、邊緣計算等功能的運行。因此，5G安全專網技術參數主要以無人叉車運行需求為主，兼顧其他無線智能終端運行為輔，對5G安全專網局域網架構進行設計。

5G安全專網局域網解決方案架構如圖2所示，5G安全專網局域網主要由5G基站、終端設備、下沉園區的獨立核心網組成。

基站根據各產生或處理廠房分布、廠區流轉路線和區域需求擬定信號覆蓋區域，按覆蓋區域分布設計新增室分基站分布，實現指定區域的信號覆蓋。

終端設備包括5G客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）、安全SIM卡和終端安全加密組件。核心網采用專用的獨立布署的設備配合安全SIM卡、專網系統管理平臺，實現區別于普通公網用戶的控制面安全認證增強、終端身份防追蹤防定位、失控終端遙斃、可定制的控制面主認證策略等安全功能。在專用核心網后端布署安全網關，實現叉車和應用服務器間數據的端到端加密，加密終端設備即安裝在叉車上的終端通道加密設備。

3 系統設計與實現

固廢智能管理系統如圖3所示，系統基于5G網絡融合物聯網技術，采用RFID自動識別技術實現固廢包的信息電子化，利用5G無人叉車實現固廢接收轉運過程的無人化操作，對固廢在裝箱轉運、出入庫業務、暫存、外運等全過程管理中的信息進行實時、高效的采集與處理；管理信息數字化后進一步實現業務在線協同處理。

系統利用安裝在各產廢廠房出口的固定式識別終端和手持式移動設備、安裝在無人叉車上的識別終端對廠區流動的廢物進行信息采集和標記。現場管理數據通過5G網絡實時傳回控制中心的系統服務器處理分析，實現對固廢包的動態管理和軌跡管控。

在控制中心，將固廢包的動態管理和軌跡管控數據按預先指定的模板自動生成各類報表，可大幅降低人工統計工作量和錯誤率。系統還可以與大屏顯示系統連接，結合園區三維圖像組成具有廢物包動態軌跡展示、非法流轉報警、狀態標記、無人叉車運行狀態展示等功能的綜合看板，有效輔助管理人員實時跟蹤各廠房廢物收集轉運入庫的實時需求，協調分配廢物的收/貯/運資源。

3.1 業務流程設計

固廢經收集、整備后裝入鋼箱，形成廢物包。廢物包暫存是固廢包廠區流轉的終點，也是廢物包外運的起點。因此，將廢物包入庫前的收集轉運、入庫申請審批、入庫操作歸集為入庫流程；將廢物包暫存一段時間滿足出庫要求后的外運準備、外運審批、外運操作等流程歸集到出庫流程。

3.1.1 入庫流程設計

廢物包的入庫流程如圖4所示。

錄入廢物數據。手持終端錄入放射性廢物信息，錄入信息通過5G網絡傳回控制中心，管理人員可以在計算機客戶端（PC端）查看或編輯。

發起入庫申請。基于手持終端錄入的數據，管理人員可在計算機客戶端發起入庫申請。

入庫審批。審批人員在線進行入庫信息審批，審批通過即進入實體廢物的無人轉運，控制中心啟動無人叉車，遠程遙控叉車將廢物按預定軌跡從廠區的產廢廠房出口轉運至暫存庫入口，等待入庫操作；若未通過審批則申請終止，申請廢物數據作廢。

實體廢物入庫操作與復核。允許入庫的實體廢物由無人叉車收集轉運至暫存庫入口進行入庫掃描，入口的RFID讀寫器掃描識別到后，系統自動判斷是否與審批信息匹配，若信息匹配，則進行復核信息錄入；實體信息不匹配時不允許入庫，并提醒非法入庫。

錄入廢物入庫信息。錄入實體廢物質量、外觀完整性、源項測量等信息。

存放實體廢物。完成實體廢物位置存放，流程結束。

3.1.2 放射性廢物出庫

廢物包出庫流程如圖5所示。

發起出庫申請。申請人PC端發起出庫申請。

出庫審批。審批人審批出庫信息，允許出庫，廢物信息即進入待出庫狀態；如不允許，則反饋審批信息，流程終止。

實體廢物出庫操作與復核。允許出庫的實體廢物由出口的RFID讀寫器掃描識別到后，系統自動判斷是否與審批信息匹配，若匹配，則進行復核信息錄入；否則，不允許出庫，并提醒非法出庫。

廢物出庫。實體廢物完成出庫，系統廢物信息變更（如狀態從“庫存”變更為“出庫”），流程結束。

3.2 系統功能設計

放射性廢物管理系統由B/S系統和移動APP兩部分構成，分別安裝在管理計算機和手持式移動設備上。設計的系統功能（圖6）主要為實現對放射性廢物入庫、盤庫、出庫過程的信息自動識別、采集、存儲、分析、查詢、展示，流程管理、文件管理、報表生成等，包括手持終端裝箱（收集環節）、數據統計分析、入庫申請、出庫申請、入庫查詢、出庫查詢、盤庫、出入庫計劃、系統配置（人員管理、角色管理、菜單管理、部門管理）等。

3.3 硬件組成和選型

系統數據采集主要由前端的RFID識別裝置與電子標簽、移動手持終端、視頻監控設備、監測儀器等組成。其中，RFID識別裝置與電子標簽需根據應用場景和管理對象（廢物包）的實際情況選型設計。

RFID識別裝置讀寫距離選擇應根據現場應用廠房所需的識別距離和識別范圍選擇。確保設備可讀距離大于所需距離。同時，對于圓柱體外形的水泥固化體廢物包，因其外表綁定的電子標簽無固定方位，需采用圓極化天線降低系統對標簽方位的敏感性，再通過多個圓極化天線的布署設計構建一個360°的識別信號場。

每個廢物包裝箱都需要配備至少一個無源RFID標簽，進行廢物包的信息綁定。由于廢物經整備處理后形成的廢物包為金屬外殼，RFID電子標簽需要在金屬外殼的設備上配套使用，選用抗金屬類型標簽才能保證電子標簽對RFID讀寫器發射識別信號的穩定接收。

綜上，本項目中的RFID識別裝置與電子標簽選型參數如下：

a. 讀寫器，其輸出功率0～36 dBm，工作功耗20 W（輸出功率33 dBm時）。

b. 天線，圓極化9 dBic天線，輸出功率（端口）33 dBm，天線增益大于9 dBic，波束寬度70°。

c. 標簽，尺寸92 mm×24 mm×3.0 mm，固定方式采用3M背膠粘貼和標簽兩端帶孔固定。

4 固體廢物智能管理平臺

固體廢物智能管理平臺是整個固廢管理系統的信息中樞，從數字化系統中輸入固體廢物信息，同時采集實時的設備信息、人員信息等，實時管控綜合生產過程，實現對資源的優化高效運用。

固體廢物智能管理平臺基于物聯網云管家平臺構建，采用私有化布署的服務器、計算設備、網關、大屏顯示系統等搭建，能夠接收、處理、存儲前端設備發來的設備數據，映射為虛擬設備的參數，進行存儲、計算、分析，并通過計算機端監控軟件展示。同時，平臺向其他業務系統平臺提供豐富的數據訪問接口。

固體廢物智能管理平臺采用B/S構架，分為3個功能層，包括數據采集層、數據服務層、業務應用層。數據采集層負責對現場各類數據的采集，包括RFID數據采集、接收其他系統采集的數據，如人臉識別系統、視頻監控系統、設備及環境監控系統。數據服務層通過物聯實時數據監控網關，接收處理來自數據采集層的固廢管理數據、設備數據、環境數據、庫存數據、視頻監控數據。業務應用層提供與其他業務系統對接的數據接口，以及為管理決策直接服務的綜合信息展示看板。通過區域資源管理、人員信息管理、設備流轉管理、廢物包流轉管理、視頻監控管理、物資庫存管理、數據分析與展示、異常發現與應急處理等業務模塊，打通現場過程控制和運營管理之間的數據信息流，提高生產效率與現場管控力度。

5 結束語

5G技術與放射性廢物管理的結合是當前放射性廢物管理智能化研究的前沿，具有巨大的應用研究價值。未來，5G技術可賦能放射性廢物管理，將大量工人從危險繁重的放射性廢物管理工作中解放出來的同時，進一步提高該類危廢的管理效率和安全可控性，提升核環保水平，助推核能綠色應用，造福人類。

參 考 文 獻

［1］ 趙婧博，喬亞娟，張學智，等.5G在物流倉儲行業的融合應用研究［J］.電子技術應用，2021，47（11）：16-19.

［2］ 畢敏，周俊，王亮，等.5G智慧醫院安全醫療專網研究［J］.通信技術，2020，53（11）：2705-2712.

（收稿日期：2022-10-20）

Intelligent Management System for Radioactive?Solid Wastes Based on 5G Technology

ZHOU Chun?yan， LI Zhen?chen， LIU Chen?long， SUN Sheng?quan，??YANG Lan?ju， ZHANG Jia?heng， ZHOU Xing?yu

（Nuclear Power Institute of China）

Abstract? ?Considering both sore points and difficulties in managing radioactive solid wastes， having 5G technology and the Internet of Things as well as the operational requirements based to design an intelligent management system for the radioactive solid wastes was implemented， including that of both overall architecture and 5G network architecture so as to realized both the online and digital management of the solid wastes， and to lay a foundation for the further intelligent management of the radioactive solid wastes so as to meet the needs of nuclear power enterprises and scientific research institutes for the upgrading and transformation of standardized， refined and intelligent management of the radioactive solid wastes.

Key words? ? intelligent management system， radioactive solid waste， 5G network architecture， remote monitoring， unsupervised， complete flow scheme

作者簡介：周春燕（1989-），碩士研究生，從事放射性廢物處理技術及儀控系統的設計與研究工作。

通訊作者：劉辰龍（1988-），高級工程師，從事放射性廢物處理技術及儀控系統的設計與研究工作，329577782@qq.com。

引用本文：周春燕，李振臣，劉辰龍，等.基于5G技術的放射性固體廢物智能管理系統［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：245-251.