基于無線傳感網的核電安全監控系統設計

楊海峰，宋祖榮

(環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

基于無線傳感網的核電安全監控系統設計

楊海峰，宋祖榮

(環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

低碳經濟和能源可持續發展的要求下，新能源的開發和使用越來越受到世界各國的青睞；核電在新能源領域發電效率最高，電能質量最穩定，近年來取得長足的進步和豐碩的成果，然而，福島核輻射事故的發生導致核電發展阻力重重，核電安全問題被提升到前所未有的高度;基于傳感網技術的核電安全監控系統采用“檢測層-接入層-匯聚層-數據中心”四層傳感網結構，實時采集核電廠關鍵設備的運行狀態和參數，并通過傳感網傳輸到遠程服務器，在數據中心對采集的數據進行數據挖掘和數據融合處理，對核電廠運行狀態進行實時監測和預測，確保核電廠安全運營;核電安全監測網絡的生命周期是保證整個網絡使用可靠性和穩定性的前提和基礎，從節點布局優化的角度出發，研究該監測網絡的能量管理方法。

核電安全；傳感網監控；能量管理；節點布局

0 引言

隨著傳統能源的枯竭和環境污染越來越嚴重，核電能源的發展和利用成為未來能源利用的主力軍，正在得到越來越廣泛的應用。然而，核電的安全使用是關乎核電及人類能源利用的最重要的前提。日本福島核事故事件造成世界各地“談核色變”的情景仍歷歷在目，一旦發生核安全事故，將會造成災難性后果，甚至危及人類的生存和發展[1]。為了保護核電設備的安全、可靠及高效運行，有必要對核電安全設備的運行狀態進行檢測和監測。傳統的核電設備運行狀態監測系統主要采用有線網絡，其線纜鋪設困難、數據采集困難、施工成本高等缺點限制了監測網絡的廣泛應用；無線傳感網技術因其安裝簡單、節點布局方便及成本低等優點，適合在核電設備運行狀態監測中使用，有效提高監測的范圍、監測的實時性及可靠性等，提升核電設備運行的安全性及可靠性，對于核電的大力發展具有深遠的意義。

無線傳感網安全監控系統由四層架構組成，分別包括檢測層、接入層、匯聚層和數據中心。檢測層主要使用傳感器對核電設備的運行狀態進行實時檢測，接入層負責接收檢測層檢測到的狀態數據，匯聚層負責接收接入層的數據并進行數據融合等處理，數據中心負責對狀態數據進行綜合數據挖掘、狀態分析、預警及展示等?；跓o線傳感網的核電設備運行狀態監測技術，可以實現分布式、大范圍、低成本及實時監測；基于ZigBee通信技術自組網的特性，系統可以方便的增減監測節點，個別節點故障不影響整體監控系統的穩定性，從而確保核電設備運行安全監測系統的穩定性和可靠性。

1 核電設備運行狀態監測的現狀

核電設備運行狀態的監測技術的應用對與保證核電設備的安全運行至關重要。從安全運行的角度出發，核電的發展和應用為人類能源的開發和利用帶來新的希望，但是核電事故帶來的災難是不可估量的，所以需要對核電的安全使用進行實時的監測和預測，最大程度的降低核電泄露的風險。通過現場對核電設備的運行狀態、核電設備運行環境等進行實時的監測，并通過對監測檢測數據的分析、評估、預警，實時對可能故障的設備進行預處理和維修，從而避免事故的發生[2]。

傳統的核電設備運行狀態監測系統是由監測站和數據處理站組成，監測站是在監測對象處安裝傳感器等監測裝置，監測核電設備及現場環境的運行溫度、振動的狀態信息，并將信息傳送到數據處理站，通過對現場采集數據的處理分析，評估核電廠的運行安全狀態。傳統的監測系統都是基于有線網絡的信息傳輸系統，該監測系統需要在每個監測節點布設監測裝置和傳輸線纜，由于核電廠運行設備多，運行環境復雜，很難將所有的設備的監測網絡統一到一個網絡中，不僅網絡布局難度大、成本高，而且網絡的穩定性也很難得到保證。因此，需要一種基于無線的、自組網的、低成本的監測網絡，兼具數據采集和傳輸的監測傳感網進行核電運行狀態的監測和管理。

2 基于傳感網的核電監測系統

2.1 系統的組成

基于傳感網的核電監測系統是由檢測層、接入層、匯聚層和數據中心四部分組成。檢測層是通過現場布設的溫度、振動等傳感器，感知核電設備的運行溫度、振動狀態等信息；接入層負責將檢測層檢測監測到的數據信息通過有線(RJ45、RS232/485)、無線(ZigBee、Wifi)等方式進行接收并傳輸到匯聚層；匯聚層負責接收接入層接收的數據，并對這些數據進行初步的處理和分析，壓縮冗余信息，從而減少系統給數據中心傳輸的數據量，保證傳輸數據的準確性、全面性和有效性；數據中心負責接收匯聚層傳輸的數據，并對數據進行數據挖掘、數據融合等處理，通過分析采集信息的特點，評估核電設備運行的狀態，并作出相應的預警處理[3]。

圖1 核電安全監測無線傳感網系統結構原理圖

2.2 系統的特點

基于傳感網的核電監測系統將整個核電運行系統作為一個整體，監測核電設備及其運行環境的實時狀態。核電運行環境復雜、設備數量多、分布范圍大，構建的基于傳感網的監測系統具備以下特點：

1)監測網絡系統龐大，由于核電是一個非常復雜的系統，要實現對核電運行狀態的綜合監控，不能從單點的監測進行片面的評估和判斷，需要綜合整個系統各個節點的狀態，進行系統的分析，所以建立的監測系統非常龐大；

2)能量均衡、高效，保證在系統運行過程中，各節點通信負載和能量消耗達到均衡狀態，避免個別節點能量耗盡導致監測系統癱瘓。

3)低傳輸延遲，為了保證檢測數據的實時傳輸，要保證傳輸時延最小化，保證關鍵傳輸節點的能量供給。

4)魯棒性，核電運行現場設備數量多，網絡結構復雜，構建的無線傳感網監測系統傳輸協議需具備自組網功能，在個別節點失效或者新節點加入過程中，保證系統的穩定性。

5)數據融合，由于節點的冗余覆蓋或冗余部署，節點感知的信息具有較大的相關性和冗余性，可以通過數據融合、數據壓縮等技術對需要傳輸的數據進行合并、計算和處理，通過減少傳輸的數據量來降低節點的能量消耗。

2.3 基于無線傳感網核電檢測網絡系統設計及解決的技術難點

基于無線傳感網核電監測網絡系統設計是一種更加高效，節能的監測系統解決方案。然而由于無線傳感網自身存在的一些缺陷，為了更加方便的利用傳感網系統給核電系統服務，需要克服以下技術難點：

1)能量優化協議，由于傳感網檢測傳感器原件一般體積很小，同時集成了感知，處理和傳輸單元為一體，而且電源模塊很難進行更換或者充電，所以為了保證監測的持續性和穩定性，需要研究優化的傳輸協議，在節省節點能量消耗的同時，要均衡網絡各節點的能量消耗，最大程度的延長監測網絡的使用壽命；

2)數據融合算法，由于傳感網節點數據處理能力和傳輸帶寬的限制，而且在進行網絡布局的時候，為了增加系統的容錯能力，在進行某個性能監測的時候，通常都有多個感知節點來完成，這就造成在數據處理和傳輸過程中存在數據冗余的發生，造成系統傳輸帶寬和能量的浪費，需要研究數據融合算法，在數據進行傳輸之前對監測到的原始數據進行處理，減少數據傳輸量，在匯聚節點處進行多傳感器數據融合，提升監測的穩定性和準確性。

3)節點布局，由于核電設備運行要求嚴格，而且環境非常復雜，在進行監測網絡布局的時候，要充分考慮核電廠的實際運行環境，在不影響核電設備正常工作的前提下，設計合理的布局模式，實現核電設備運行狀態的監測和傳輸，并在數據中心處理完成后，可以及時的做出預警分析。

2.4 基于無線傳感網核電監測網絡節點能耗分析

在核電安全監測無線傳感器網絡中，監測傳感器節點一般由信息檢測單元、信息處理單元、信息傳輸單元和能量供應單元4部分組成。信息檢測單元負責檢測核電設備及周圍運行環境的溫度及振動的狀態信息；信息處理單元負責對檢測單元檢測到的數據信息進行存儲、處理；信息傳輸單元負責將處理完的數據信息進行傳輸，傳輸到附近的監測節點或者匯聚節點。信息傳輸單元有發送、接收、空閑和睡眠4種狀態，根據節點的監測任務在這4種狀態間切換；能量供應單元為信息監測單元、信息處理單元和信息傳輸單元提供工作所需要的能量。在進行核電安全監測時，先由信息檢測單元對核電設備運行狀態進行檢測，然后對檢測數據進行處理，然后經傳輸單元傳送到遠端進行綜合預警分析[4]。

核電安全監測無線傳感器節點的能量供應單元在使用周期內無法進行能量補充，能量供應單元攜帶的能量一般很有限，為了保證監測的穩定性和連續性，需要研究節點能量管理優化技術，以最大限度延長監測網生命周期。核電安全監測節點的能量消耗主要集中信息檢測單元、信息處理單元和信息傳輸單元等模塊上。核電安全監測無線傳感器節點的能量消耗如圖2所示，能量消耗主要發生在數據傳輸單元上，信息檢測和處理單元的能量消耗是很有限的。而且，無線傳輸的能量消耗和節點傳輸數據量、傳輸距離等相關，通過研究節點的布局來實現能量管理的優化。

圖2 核電安全監測無線傳感器節點結構

2.5 基于無線傳感網核電監測網絡節點能耗模型

基于無線傳感網的核電安全監測網絡節點的能量消耗主要集中在數據傳輸單元，在發射端能量消耗主要是發射電路和功率放大電路產生，接收端主要能量消耗是由接收電路產生。發射端消耗能量如公式(1)所示，接收端消耗能量如公式(2)所示：

(1)

Erx(k)=kEelec

(2)

2.6 基于無線傳感網核電監測網絡節點布局優化

基于無線傳感網的核電監測網絡由很多個檢測節點組成，為了最大程度的延長監測網絡的使用壽命，從整個網絡節點布局優化的角度出發，研究合理的節點布局結構，減少因為布局不合理帶來的能量損耗[5]。假設：

1)監測網絡區域長度為L，基站位于區域的一側；

2)每個檢測節點初始能量均為e，節點發送單位數據的能量消耗為et，接收單位數據的能量消耗為er；

3)節點感知的區域內單位長度的數據生成速度為λ；

從整個網絡的角度分析節點的能量消耗，將線性區域均勻劃分為n個小區域，如圖3所示。設每個區域分別為a1,a2,…,an-1,an，設每個區域的長度為d，則d=L/n。

圖3 傳感器能耗分析圖

設網絡生命周期T為網絡生成到網絡中某一個區域能量耗盡的時間，T=min{T1，T2，…，Tn}。要使整個網絡有最長的網絡生命周期，就必須均衡各個區域的能量消耗，即滿足T1= … =Ti -1=Ti= … =Tn，即區域的總能量和能量消耗速度滿足：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

當節點按照上式的節點密度部署時，整個網絡的能量消耗均衡，即滿足：T1= … =Ti -1=Ti= … =Tn，網絡的生命周期為：

(8)

當采用均勻部署時，ρ1=ρi=ρn，由于區域an承擔更多的通信負載，其能量最快耗盡。因此，均勻部署下的網絡生命周期為：

(9)

結合式(6)和式(7)可得，節點非均勻部署網絡生命周期與節點均勻部署網絡生命周期的比值為：

當節點采用非均勻部署方案時，整個網絡的生命周期提高約為兩倍。由于檢測地點、檢測對象的特殊要求，當網絡中感知節點的位置已經確定時，假設區域ai里感知節點和中繼節點的密度函數分別為ρsi,ρri，由ρsi+ρri=ρi可得區域ai內需要部署的中繼節點的密度函數為：

(11)

3 仿真分析

針對不同的應用場景，提出了區域化節點優化部署方案，并通過理論推導證明區域化節點優化部署方案的生命周期約為均勻部署方案的2倍。以Matlab為仿真工具對節點優化部署方案進行實例分析。

以Matlab為仿真工具對3個不同的應用場景進行仿真，假定每個節點的初始能量e=1000 J，每個感知節點的感知數據包大小為1兆字節(k=1024*1024*8比特)。應用場景1：感知節點數n=5，節點間的距離d={400,400,400,400,400}；應用場景2：感知節點數n=5，節點間的距離d={500,400,400,300,300}；應用場景3：感知節點數n=10，節點間的距離d={400,400,400,400,400,400,400,400,400,400}；仿真結果分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖4 傳感器傳輸模塊能耗原理圖

圖5 節點優化部署

圖6 中繼節點優化部署實例分析1

圖7 中繼節點優化部署實例分析2

圖8 中繼節點優化部署實例分析3

從圖6～8可以看出，網絡生命周期不斷增大，因為源節點傳輸距離的減小，部署在感知節點間的中繼節點數增大，相鄰節點間的傳輸距離變小，每個節點的傳輸能耗減小。但隨著部署的中繼節點數量增加，網絡成本也開始增加，從6～8圖可以看出，網絡效率曲線為向下的拋物線，因此在實際應用時，需要網絡的部署成本，而不能過度追求網絡的生命周期。當源節點的傳輸距離分別為120 m、120 m、140 m時，網絡效率值最大。

4 結論

研究了核電安全監測網絡的基本架構，在分析無線傳感器網絡能耗模型和能量消耗的基礎上，以最大程度延長監測網絡生命周期為目標，研究了核電安全監測網絡節點優化部署方案；并通過理論推導證明其生命周期約為均勻部署方案的2倍；最后，以MATLAB進行仿真，驗證本提出的節點布局優化策略可以有效提升系統的生命周期，保證了監測網絡的有效性和可靠性。

[1] 張生玲，李 強.低碳約束下中國核電發展及其規模分析[J]. 中國人口資源與環境, 2015, 6: 47-52.

[2] 張平華, 核電廠現場無線通信網絡的設計與應用[J]. 電子技術與軟件工程, 2015, 13:30-30.

[3] 劉永闊, 夏 紅, 等.核電設備監測與故障診斷系統的研究[J]. 原子能科學技術, 2008,42(3): 200-205.

[4] 王云飛, 基于ZigBee的高壓帶電體溫度監測系統研究[J]. 無線互聯科技,2015, 10:61-70.

[5] 林小蘭,肖明波.無線傳感器網絡MAC層協議的分析比較[J]. 現代電子技術, 2010, 27: 33-36.

Nuclear Power Safety Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

Yang Haifeng, Song Zurong

(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082， China)

The development and use of new energy sources are becoming more and more popular all over the world under the requirement of low carbon economy and sustainable development of energy. Nuclear power in the field of new energy efficiency, power quality is the most stable in recent years has made great progress and fruitful results, however, the Fukushima nuclear radiation accidents obstruct nuclear power development, nuclear safety issues have been raised to the height of hitherto unknown. Nuclear safety monitoring system of sensor network adopt four layer structure:“detecting layer-access layer-gathering layer-Data Center” based on sensor network, real-time acquisition of key equipment of nuclear power plant operation status and parameters, and through the sensor network transmission to a remote server of the data collected in the data center, data mining and data fusion the real-time monitoring and prediction, the running state of the nuclear power plant, to ensure the safe operation of nuclear power plant. The life cycle of nuclear power safety monitoring network is the premise and foundation of the whole network using reliability and stability, and the energy management method of the monitoring network is studied from the point of view of node layout optimization.

nuclear power safety; sensor network monitoring; energy management; node layout

2016-10-11；

2016-12-03。

楊海峰(1976-)，男，湖北黃岡市人，碩士，高級工程師，主要從事核安全審評方向的研究。

1671-4598(2017)04-0036-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.012

TP273

A