基于北斗RDSS的核輻射監測應急通訊方法①

王廷銀,林明貴,陳 達,吳允平

1(福建師范大學光電與信息工程學院,福州 350007)

2(福建省輻射環境監督站,福州 350013)

3(福建省光電傳感應用工程技術研究中心,福州 350007)

4(數字福建環境監測物聯網實驗室,福州 350007)

1 引言

我國北斗RDSS的短報文通訊功能極具特色,能將通訊覆蓋到廣袤的崇山峻嶺及荒涼的孤島等,非常適合我國地理地貌特征的通訊需求,已在國防工程、交通運輸、海洋觀測、抗震救災、核電工程等諸多領域得到深入應用[1-9].但民用北斗報文服務還存在：單次通信容量有限、通信頻率有限(通常一分鐘一次)、丟包率較高等問題.在行業中應用和推廣北斗系統,需要結合數據特點開展針對性研究與設計[10-17],重點解決好兩個問題：協議設計和會話機制.

李文金等[18]結合Redis應用,通過擴展北斗短報文傳輸協議,提出最大重傳次數和超時等待控制因子,建立北斗長報文傳輸差錯重傳機制,實現對長報文丟包的差錯重傳功能,可控制“盲目發送”現象,提高有效信息率.張志峰等[19]提出了一套應急情況傳輸機制,將信息按照緊急程度進行劃分,優先發送重要信息.為解決電力遙控實時性問題,傅寧等[20]在饋線終端中加入北斗多卡管理機制,將遙控數據與遙測、遙信數據分別采用不同的卡進行傳送.

國外發達國家核輻射監測較早實現了數字化、智能化、網絡化等[21-23],新技術進步如通訊網和無人機等推動了設備向便攜性好、功能全、性能可靠等發展,整體趨勢是一機多能、高可靠、寬量程以及平臺綜合集成[24].近年來,我國科技的發展也體現在核輻射監測領域[25-30],整體跟進了國際的發展趨勢,自主研發的“華龍一號”已成為中國制造的一張名片,核電基地周圍輻射環境監督性監測已形成了國家輻射環境監測網[31],技術方案成熟、可靠[32].我國核電以瀕海為主,按照規范要求,監督性監測站圍繞核電廠環形放射狀設置,有一些站點就會在核電外圍的島嶼上或深山中,易被臺風、暴雨等自然條件因素影響,存在通訊中斷、宕機等問題[33,34]；文獻[35]研制了基于4G與北斗衛星通信技術的環境輻射監測儀,通過北斗衛星短報文通信與4G移動通信實時上傳輻射劑量信息與定位信息,在無線網絡覆蓋區域采用4G移動通信,否則采用北斗短報文,但未進一步就如何克服北斗通信的局限性即通信頻率一分鐘一次進行詳細說明.

由于核輻射監測的數據產生速度快,狀態指示重要,因此,將北斗衛星通信作為核輻射監測站的第二應急通訊通道,需研究探索一種可靠的、高效的應急通訊方法,優先將數據池中最有輻射特征的數據上報中心,揚北斗之長,避北斗之避,是現實需求的驅動,也具有實際意義.

2 核輻射監測中北斗RDSS設計

通常,省控輻射環境自動監測系統由外圍監測子站、傳輸網絡和省數據中心組成[36],系統架構如圖1所示.子站設備有氣象儀、感雨傳感器、高壓電離室、NaI譜儀、各種采樣設備等；省數據中心可監控、存儲各類輻射、氣象、子站狀態的數據,具有對各子站的監測設備進行遠程管理、生成報表,提供日報、月報、季報和年報輸出功能；傳輸網絡以公網VPN方式為主.子站基于工控機設計實現,由數據采集模塊、數據傳輸模塊等組成,模塊化設計好,獨立性強,硬件資源富裕,有多個RS-232接口,方便與北斗模塊直連；子站與省數據中心采用C/S結構,多任務處理有序,具有較強的數據處理能力,為在核輻射監測中開展北斗RDSS應急通訊提供了較好的硬、軟件支持.

圖1 省控輻射環境自動監測系統架構圖

由于現有應用系統整體的數據結構、存儲方式和通信交互等已成熟定型多年,仍然在役運行,因此,在這樣的系統中新增北斗RDSS作為第二通信通道,應以對原有系統影響小甚至沒有影響為要.

2.1 硬件設計

通過串口新增北斗控制電路如圖2所示.

圖2 北斗控制電路圖

圖2中,U101為福大北斗FB-CZ-01型北斗通訊機,U102為工控機串口,U103為DC-DC模塊,為U101供電,U104為串口電平轉換芯片,二極管D1、電阻R1R2R3、三極管Q1組成一個北斗模塊供電的控制電路,受串口第7引腳RTS端控制,具體方法是：當RTS信號有效接通時,Q1導通,U103的En端為低電平,U103斷電狀態即北斗模塊未通電,當RTS信號無效斷開時,Q1截止,U103的En端為高電平,U103工作狀態即北斗模塊通電工作,從而為北斗上電初始化、低功耗應用等功能提供硬件支持[37]；圖2中,北斗模塊的1PPS(1 Pulse Per Second)信號亦通過電平轉換芯片U104后接入到系統,為系統基于北斗系統開展精確授時提供信號源.

2.2 流程設計

北斗RDSS作為第二應急通信通道的雙通道通信架構如圖3所示,當公網正常時,以公網作為首選第一通信通道,按照協議規范和中心平臺進行數據通信交互,當公網異常時,則切換北斗啟用作為第二應急通訊通道,將當前最新或最緊急的數據發送到中心.與北斗RDSS通過串口接入系統的硬件設計相比,如何將北斗的通信切換和驅動控制接入在役軟件系統中,涉及的細節更多,考量的要素更細.因此,在子站數據庫中新增一個與北斗通信相關的數據表,即北斗待發數據表；新增一個北斗通訊定時器資源,周期根據北斗通信頻率時長設定大于60秒,定時對北斗待發數據表進行操作.北斗通信軟件流程如圖4(有底色框代表新增部分),流程上分兩步進行：首先,當檢查到公網VPN出現異常如無信號和無應答時,將待發數據插入到北斗待發數據表；其次,在北斗通訊定時器中斷服務程序中,檢查北斗待發數據表中是否有記錄,如果記錄說明有數據需要通過北斗進行通訊,就對這個表中的記錄數據進行優先策略分析計算,然后將優先級別最高的數據優先發送,并修正相關參量,準備下一次的定時中斷服務.

圖3 公網/北斗雙通道通信架構圖

圖4 北斗通信軟件流程圖

2.3 數據優先策略

目前,核輻射監測數據通過公網VPN第一通信通道的上數頻率是：實時數據3秒,5類統計數據(1分鐘、2分鐘、5分鐘、10分鐘、1小時)到點上報,這個上報頻率遠遠高于北斗短報文至少每60秒一次的限制,因此,需要綜合數據時間、數據類型以及重點監測參數如總劑量、伽瑪劑量率數據情況進行優先級分析,把最重要的數據優先發送,才能有利于發揮北斗第二應急通訊通道的效能.

設計的北斗待發數據表BD_FIFO如表1所示.由數據時間、數據類型、總劑量率、伽瑪劑量率以及北斗發送次數字段組成,亦作為數據優先級分析的參數數據源.依據核輻射監測的數據時間、數據特征和北斗通訊特點,將這些參數設定權重,構建一個權重矩陣A,通過對BD_FIFO表中每一條數據記錄進行分析計算,對數據時間進行排序,而總劑量率、伽瑪劑量率根據放射性數據分析方法分別獲得4組結果,指示當前記錄的總劑量率、伽瑪劑量率數據是否在本底區間、1區間、2區間、3區間,這些數據分析結果構成P1,如圖5所示,表中所有記錄的P1構成了數據矩陣P,最后,將數據矩陣P和參數權重矩陣A進行計算,公式如下：

表1 BD_FIFO結構數據

圖5 數據分析結果

從而,獲得表BD_FIFO中各數據記錄的評估值Ki,然后根據Ki的數值大小,將優先級最高的數據通過北斗RDSS發送,之后,將這條記錄的北斗發送次數字段BD_Try內容修正減一操作回存.

這個數據優先策略,把數據時間、數據類型、重點參數等納入評估要素,可以對第一通訊通道異常時積壓形成的數據池進行分析,優先將池中最有輻射特征的數據上報,系統具備網絡通訊無縫銜接的同時很好地平衡了快速的實時數據與較慢的通訊速度之間矛盾.

3 結論及展望

項目研究成果已在福建省寧德核電站的崳山島等監測站試點應用,軟件界面如圖6所示.

測試期間,通過了多次模擬斷電、斷網壓力的測試,如表2所示；投入實際運行后,對從2017年11月至2019年3月底數據分析,特別是在惡劣自然環境下(臺風、暴雨等)的通訊效果,監測站數據發送和前沿數據主站接收均能穩定工作、網絡通訊能無縫銜接,數據傳輸率(實際傳輸數據數/設備應傳數據數)為99.5%,通過將接收的數據與自動站工控機數據實施比對,數據未出現誤碼情況.

圖6 前沿平臺北斗界面

實際運行情況表明,該方法有效,實現了在核輻射監測領域應用北斗作為第二應急通訊通道,目前,福建省輻射環境監督站將在此基礎上繼續推廣北斗系統,提高轄區內孤島/深山的自動監測站應急通訊能力.本方法還可為其他行業開展類似北斗應急通訊提供借鑒.

表2 應急通訊測試數據