放射源在線監控系統設計

潘雨青 楊鑫焱

摘要：放射源污染已經成為環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。闡述放射源在線監控系統的設計思路，該系統利用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、監管部門聯動等功能于一體。

關鍵詞：放射源；檢測；ZigBee；在線監測系統

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

隨著工業經濟的快速發展，放射源應用日趨廣泛。由于放射源是一種特殊物質，其輻射對人體健康具有危害性，因此對放射源的監管極為重要。

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控系統[1]。美國、日本、英國等發達國家研制的放射源檢測系統大大提高了核事故防治效果[2]。國內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控系統。從20世紀50年代起，隨著核電站的興建和發展，核泄漏事件受到環保部門的高度重視[2-4]。設計一款高效的放射源監控系統對及時、準確地掌握放射源狀況，確保放射源安全具有重要意義。

放射源在線監控系統要依托現有環保信息化監管平臺，具有單個放射源的實時位置監控、劑量監控、狀態監控以及數據信息傳輸、事故報警、應急處置等功能，實現放射源管理自動化、信息化。環保監管部門可以通過放射源在線監控系統對放射源輻射工作單位的情況進行實時在線監管，使輻射安全監管工作更加及時、有效、科學。

1 放射源在線監控系統設計框架

放射源在線監控系統主要包括監測平臺和督管平臺，前者主要實現放射源使用和作業管理；后者實現放射源管理和對檢測平臺工作的督管。

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

（2）綜合數據采集和數據在線分析。主要實現檢測數據實時匯集和在線分析，實現數據歸一化管理和在線風險分析及預警，為業務處理提供相關數據。

（3）業務處理。主要包括風險管理、在線預警、統計分析和信息報送等。

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

放射源在線監控系統整體架構如圖1所示。

安裝放射源自動監測儀，對在用放射源劑量進行實時監控。放射源監測儀與放射源設備相連接，并且不可拆卸。放射源自動監測儀對綁定的放射源信息進行實時監測。同時放射源自動監測儀通過GPRS網絡將監測數據發送至監測平臺。系統主要功能如下：

（1）實時接收“放射源監測”數據，并實時顯示。

（2）如放射源劑量監測值出現異常，如瞬間減少、瞬間增大等，則發出連續報警信號。

（3）放射源劑量監控數據保存1年以上。

（4）及時向督管平臺上傳報警信號、監控數據，隨時接收督管平臺數據復查。

督管平臺對監測平臺數據進行實時在線分析，一旦發現隱患能夠及時提供預警。同時當監測平臺發出報警信號后，對監測平臺數據進行檢查。

（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：對預警參數進行配置，實現自動預警。

系統監管架構如圖2所示。

2 主要模塊設計

2.1 放射源監測設計

監測是放射源監控管理的基礎，實現對放射源工作環境及狀態的檢測、辨識以及風險分析，監測流程如圖3所示。

監測平臺進行實時數據采集，每小時進行一次數據記載。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，實現監控。

正常工作情況下，系統進行實時數據采集和辨識，每小時進行一次數據記載，發生應急事件時，改變數據采樣存儲粒度，改為每10分鐘進行一次數據記載，為應急決策和處理提供實時數據。

應急處理流程如圖4所示。

2.3 督管平臺

監管平臺主要實現以下功能：

（1）數據通訊。主要實現系統網絡通訊。

（2）數據管理。實現與外部系統的數據交換以及對本系統的數據管理，接口與數據采集儀間進行預警數據的交換。

（3）在線分析和預警。對監測平臺數據進行實時在線分析，一旦發現隱患能夠及時進行預警。

（4）業務管理。主要實現監測平臺對放射源管理業務信息化處理，包括在線監控分析、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協議。ZigBee的特點是：功耗低、傳輸速率低、可靠、網絡容量大、低成本、安全，所以ZigBee主要應用于傳輸距離短，并且在數據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]規定了該協議的安全層和網絡層，每個管理者都可以根據需求開發利用應用層，所以ZigBee的組網方式很靈活。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技術。ZigBee協議棧結構如圖6所示。

ZigBee設備為低功耗設備，通信距離為30～70m。ZigBee設備還具有鏈路質量指示功能和能量檢測能力，從而在保障通信鏈路質量的情況下，可以自動調整發射功率，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放射源在線監控。

3.2 通訊規約

通訊是聯網系統的基礎，也是系統可擴展性必須約束的基本要素。通訊協議約定了通訊方式、通訊包信息構成等內容。

本系統通訊規約設計如圖7所示。

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

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

（3）監測平臺和監管平臺間使用有線方式進行數據交互。主要數據包括業務數據、預警數據、作業數據等。

4 結語

利用放射源在線監控系統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控和指導，對在用放射源實現追溯；加強對核技術利用單位實時管理；實現對放射源的信息管理、遠程定位、在線監控、自動報警等，從而對放射源實施全面有效的在線自動監控。

本文探討了放射源在線監控平臺設計，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、監管部門能動等功能于一體的網絡式輻射源在線監測系統，使得安全監管工作更加及時、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）