關于我國無人系統輻射環境監測技術發展的思考

劉 瑋，李 飛，張 偉，韓善彪，*，袁之倫

（1.生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.生態環境部西南核與輻射安全監督站，成都 610066；3.中廣核工程有限公司，深圳 518124）

無人系統是具有一定自治能力和自主性的無人控制系統，是人工智能、機器人技術以及實時控制決策系統結合的產物［1］。無人系統由于其技術的先進性和能力的現代化，逐漸成為軍事及民用多個行業領域研究和應用的熱門技術，在生態環保輻射環境監測領域也有著重要的應用需求。

輻射環境監測作為國家生態環境監測的重要組成部分，是加強核與輻射安全監管的重要技術支撐，也是提高核安全獨立監管權威性和有效性的重要手段。2019年11月，習近平總書記在中共中央政治局會議中提出了積極推進我國應急管理體系和能力現代化的總體要求：要加強風險評估和監測預警，加強航空應急救援能力建設和保障機制完善等［2］。2019年《中國的核安全》白皮書發布，提出了“全天候監測輻射環境，提升核與輻射事故應急能力”的發展方向。《生態環境監測規劃綱要（2020—2035年）》中提出：監測手段要“從傳統手工監測向天地一體、自動智能、科學精細、集成聯動的方向發展”［3］。由此可見，作為先進監測技術的無人系統將是輻射環境監測的重要發展方向之一。

1 現狀和趨勢

1.1 無人系統技術已形成完整體系

無人系統通常包括空中無人系統、地面無人系統、海上無人系統。UAV（無人機）是發展最成熟、裝備量最大、應用最廣泛的無人系統，標志性產品有大疆無人機、彩虹無人機，已基本形成大、中、小結合，遠、中、近搭配的無人機平臺。在空中無人系統日趨成熟的同時，無人地面系統的數量和功能也在不斷擴展。地面無人系統主要包括AUS（無人駕駛汽車）、UVG（無人地面車）和地面機器人系統。在地面系統的民用領域中，無人駕駛汽車已成為各國科技巨頭關注的焦點，并深刻影響著人們的工作與生活方式［4］，其標志性設備有百度無人駕駛平臺、阿里巴巴無人交通系統、京東智能物流系統、餓了么無人配送系統等［1］。海上無人系統也呈現快速發展態勢：UUA（水下無人潛航器）和USA（無人水面艦艇）主要執行反水雷、情報監視偵查、反潛戰、港口保護、科學探測等任務，目前已實現服役并日益受到各國的關注。隨著新型動力與能源、多樣化探測、識別、先進通信和控制等技術的發展，未來無人系統的作業持續時間、態勢感知、信息傳輸、自主控制等能力將大幅增加，更高、更遠、更快的無人系統將不斷問世應用［5］。

1.2 無人系統輻射監測技術是大國角逐的重要方向

當前，用于輻射探測領域比較成熟的無人系統技術主要有空中無人機探測技術、地面機器人探測技術和水下無人船探測技術。這些技術已成為大國角逐的重要方向。

無人機航空輻射監測技術起步較晚，始于20世紀末。最初的無人機航空輻射監測是通過在小型無人機上安裝輻射監測傳感器實現的，用于核事故應急［6-9］。早在2005年，美國國防部就發布了《2005—2030年無人機系統線路圖》，其中列出了未來25年內開發無人機系統的技術目標，著重強調了各類無人機跨域協同能力和通用技術［10］。隨后，美國的核與輻射應急無人監測系統逐漸在核與輻射事故應急、鈾礦航空普查、區域遠景評價和地質構造研究等方面取得新成績。目前，以色列在無人機研發領域僅次于美國，是全球無人機市場舉足輕重的國家，并于2017年研發了世界上首款可檢測爆炸物、毒品及其他化學合成物的無人機。以色列不僅在無人機研制創新上有良好聲譽，同時也積極向全球出口無人機。在輻射環境探測方面，2004年，加拿大首次為無人機航空輻射監測設計了4L的NaI γ譜儀；2007年，芬蘭、日本等國家相繼成功研制了可用于小型無人機的CZT半導體探測器和LaBr3探測器，用于計算空氣中的γ劑量率［11］；在2011年福島核事故應急中，日本使用自主飛行的雅馬哈RMAX-G1型無人直升機，搭載LaBr3伽瑪譜儀探測器，完成了福島核電站5 km范圍內的輻射水平測量；烏克蘭在切爾諾貝利核事故后30周年的紀念活動期間（2016年）使用無人機航測系統配備先進的軟件分析系統對污染禁區重新開展了評價性監測［12］。歐洲的瑞典、捷克、法國、芬蘭、德國等16個國家在國家層面實現了有效的航空測量部署，將無人系統監測作為未來監測手段的發展方向［13］。

地面無人系統進入快速發展階段，被逐步納入新一代武器裝備體系。至今，應急機器人技術已廣泛應用于核工業領域——開展放射性廢物處理、輻射監測和應急等工作。在切爾諾貝利核事故后，世界各國加快了核電廠事故應急用機器人的設計和開發，美國、瑞典、日本等國的機器人系統采用模塊化設計，可攜帶遠程視頻系統、取樣工具、輻射劑量傳感器等設備，并用于2011年福島核事故后處理和救援工作。法國、德國等國在此基礎上進行了機器人遠程交互的研發，幫助電廠模擬實際場景對劑量率進行評估［14］。

水下無人系統對于海洋監測、水下聲通信和深海礦產資源勘探具有重要優勢。美國于1966年開始籌備“深海鉆探”計劃，并在2003年的國際合作計劃——“綜合大洋鉆探計劃”中，使用深水作業機器人進行地圖測繪、水下放射源搜尋、非常規爆炸處理等工作［15］。歐洲的挪威、英國、法國和德國等國家也積極開發出了具有良好適應性和環境感知能力的水下潛航器，這種水下潛航器在放射源探測識別、水文觀測方面具有廣泛的應用前景［16］。日本也在過去十幾年中為無人潛航器的研制投入數億美元的資金，使其無人潛航器技術達到世界領先水平，并在重要核設施周圍海域布設了民用潛航器。

隨著無人系統的快速發展，輻射監測也將逐漸呈現無人化趨勢。可以預見，續航能力更強、多種技能集成于一身的無人系統輻射監測體系必將成為各國監測工作的主角，在生態環境保護中發揮巨大作用，深刻改變放射性監測的工作模式。

1.3 生態環境保護領域無人監測系統已初具規模

我國的輻射環境監測工作始于20世紀50年代，早期主要由核設施營運單位自主進行。經過多年的建設與發展，我國已形成了由國家、省和部分地（市）組成的三級輻射環境監測組織體系，并由生態環境部建立健全了全國輻射環境監測網。傳統的人工輻射監測存在耗費人力、危險度高、效率低下、存在巡測盲區等不足。為滿足日趨繁重的環境監測任務，強化應急監測響應能力，生態環境部（國家核安全局）于2016年開始統籌部署無人機航測體系，先后配置了2架多旋翼無人機、1架固定翼無人機和2架無人直升機，后依托技術支持部門、監督站和地方政府，初步建設了無人機航空輻射監測系統、車載輻射應急平臺、網絡化自動布點系統、國控大氣輻射環境自動監測站、應急指揮調度平臺。這些系統和平臺共同構成了目前生態環境領域的無人系統的體系，完善了我國的輻射環境監測網絡，為我國核與輻射安全監控和應急體系帶來了新的突破。

在海域輻射監測方面，原國家海洋局通過《西太平洋海洋環境監測預警體系建設中長期規劃綱要（2012—2020）》建立了該區域海洋環境放射性監測預警基本平臺，配置了無人值守監測設施設備，但海洋自動化監測的質量管理與控制技術尚不完善，未與國控輻射環境監測網接軌，無法共享輻射監測數據信息。

目前，生態環境部無人輻射監測系統已基本實現國土范圍內重點區域地面外照射水平的自動化監測、核與輻射事故空中遙感監測信息提取和圖像快速處理，在突發環境污染事故及常規環境監測中發揮了積極作用，為解決常規地面監測手段難以解決的快速響應、實時監測、應急處理、事故評估等難題提供了實用的技術手段。

2 值得思考的問題

我國無人系統技術具有起步晚、發展快、需求大、方向多的特點，這既是我國的優勢，也是我國的劣勢。盡管我國無人系統技術依靠后發優勢，在國防方面已經走在了世界前列［17］，但是在民用領域，特別是在生態環境領域應用方面亟待提升，即對其應用還缺少系統而全面的規劃和投入，有待進一步發掘。

2.1 無人系統技術路線和能力建設規劃

我國輻射環境監測體系框架雖已初步建成并發揮了重要作用，但在智能化、網絡化、核素化、自動化和天地一體化監測能力建設等方面還遠遠不足，處于初步階段并且發展不平衡，因此必須盡快加強這些方面的能力建設，以適應不斷提高的行業發展的需求。自2011年福島核事故以來，我國國家核安全局逐漸具備了一定的無人系統輻射監測能力，但現有的無人系統能力建設還需加強，無人系統組織架構還需完善，對于無人值守的任務自動化、無人化、網絡化三維一體化的業務發展需求還難以滿足。在過去行業規劃中均有提及加強重要核設施無人監測預警能力的要求，但對于無人系統組織架構完善的技術路線缺少論證，對無人系統的發展趨勢和未來發揮的作用未進行充分分析，對無人系統的監測應用尚無明確的目標［18］。

2.2 無人系統監測定位

《核安全與放射性污染防治“十三五”規劃及2025年遠景目標》和《“十三五”全國輻射環境監測體系建設工作方案》指出了在應急監測能力建設中，航空輻射監測系統、水體和空氣輻射自動監測站、核安保機器人等無人系統能力建設的重要性，但對以上各項在監測業務中的定位不明確，需要進一步細化落實。雖然無人系統輻射監測是當前輻射監測中較為優越、高效的手段，但是成熟的監測項目較少，目前還是一種定性或半定量的監測手段。根據生態環境的輻射監測應用需求，無人系統在事故早中晚期應急監測、核設施監督性監測中的定位需進一步明確。結合歷史經驗反饋、監測項目和技術成熟度、不同無人系統各自的功能特點，還需要進一步明確無人系統監測能力發展路線和專業技術發展路線。

2.3 無人系統監測自動化進程

由于核事故和恐怖事件發生的不確定性，區域監測網絡和重點區域移動輻射監測系統的建設變得更為迫切。我國目前已基本實現了國控輻射環境監測網絡的整體布局，能夠基本掌握陸域輻射環境實時情況，并對部分核與輻射設施、敏感地區開展預警監測，為“十四五”期間進一步加強核與輻射應急監測響應能力做好了充分的準備。但目前全國無人系統監測自動化進程尚有待推進，其面臨的主要困難有：無人自動監測系統技術領域多、設備種類多、運維人員需掌握的專業技術多、運維技術難度大；近年來無人監測系統加快建設并投入運行，運維人員非常短缺且專業人才奇缺，同時相關培訓較少、演練場所有限也給人才培養帶來了更多短板；有核設施的省份積累了無人自動監測系統的運維經驗，其余省份建設和運維經驗不足；無人輻射監測系統供應商由于該領域專業冷僻、市場容量小、技術難度大等原因，無法提供強有力的社會專業技術力量支撐。

2.4 無人系統相關法規標準

我國對于以民用無人機為代表的空中無人系統在各行業領域應用的行業規范和企業規范發展較為迅速，如新編制的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》，在無人機分類、制造業管理、適航管理、飛行空域審批等方面明確了相關要求，對無人機在各行業內的廣泛應用有較大推動作用［19］。

相對于無人系統技術的高速發展，我國無人系統技術的標準化發展明顯滯后。我國的無人系統領域的標準化工作起步較晚，發展緩慢，所以涉及生態環保輻射監測應用的標準更加稀少。目前，無人輻射監測系統和配套專用產品規范、通用技術要求、技術方法和作業規范等指導性文件基本處于空白狀態，再加上已有可借鑒的標準或技術規范涉及的專業不全面，且以通用要求為主，對具體研制和作業的指導性不強，給無人系統監測工作的實際操作帶來了限制，也使得最終監測結果數據處理的精確度和可靠性有所欠缺。

國外無人系統標準化研究，尤其是無人機相關標準化研究開展得較早，航空無線電技術委員會（RTCA）、美國材料與試驗協會（ASTM）、美國國家標準協會（ANSI）等機構已發布了關于無人機適用設計、運行操作、人員認證等領域的標準規范，包括通用基礎類標準和數據應用類標準，內容豐富且邏輯性強，值得我國學習借鑒［16］。

3 建議

遵循國家和行業治理體系和治理能力現代化的總體要求，依照無人系統和輻射監測領域發展趨勢，根據相關行業工作和業務發展需求，利用先進的無人系統技術，助力加快推進我國核能開發和核技術利用中的輻射監測現代化。

3.1 行業規劃設計和技術論證

無人系統技術無疑是行業未來現代化發展的趨勢，近年來發展勢頭迅猛，在應急監測（預警）、監督監測、反恐監測中有著重要的應用需求，可有效實現智能化、網絡化、核素化、自動化和天地一體化的監測能力。可立足行業現階段和未來現代化發展的需求，站在國際視角，著手無人系統技術應用開發研究和技術路線論證，對標國際技術裝備發展水平和發展趨勢，逐步明確國內自身未來發展方向和重點，開展近、中、遠期的發展規劃，加強行業發展管理。其中近期規劃適宜為梳理“十二五”和“十三五”規劃中的相關要求和部署，統籌已有和在建的無人系統設備資源，解決“不充分”建設和“無系統”規劃問題，明確近期規劃目標，著力實現戰時預警的及時性和自動化、平時監察的網絡化和智能化。

3.2 技術發展基礎條件建設

面對建設分散、智能化程度低、數據準確性驗證條件不足、海洋自動化監測能力薄弱、后繼人才缺乏等突出問題，亟須加快無人系統技術發展基礎條件的能力建設和資源整合。

建議結合行業“十四五”和中遠期規劃，統籌無人系統監測能力建設，將有限的資源充分共享，實現環境監測綜合保障，依靠系統內權威技術部門成立無人系統技術應用研究和技術孵化中心；建設無人機、機器人、車輛移動巡測系統的移動檢定機構和場所，建設無人機系統空域特批場所和大型訓練與培訓基地，開發現場網絡化布點設備的在線檢測和校準，以保證監測數據的可靠性；開展生態環保數據和輻射監測數據統一和整合工作，開發大數據智能化分析系統，建立生態環保智能軟件工程開發中心；在海洋區域，全面部署自動化監測與預警能力建設和研究，重點發展以無人船、浮標為代表載體的系統設備、船載海洋放射性在線自動監測系統，構建西太平洋放射性監測預警體系和數據庫。

3.3 跨行業和專業多元化合作

無人系統監測技術屬于無人智能和人工智能技術的范疇，具有代替人力、智能化監測等特點。為全面推進該項技術在各行業領域的發展，應加強與該技術研發領域的溝通合作，同國內先進無人系統技術代表性企業開展合作共建。可積極與企業或科研院所建立跨學科和專業的溝通合作機制，跟進先進技術，借鑒經驗，融合開發，共同繪制生態環保領域海、陸、空無人系統自動化監測藍圖。

3.4 積極構建軍民融合機制

黨的十八大以來，習近平同志關于軍民融合深度發展的重要論述，深刻揭示了新形勢下經濟建設和國防建設的特點和規律，以及實現中國夢、強軍夢的戰略路徑。無人機、機器人輻射監測產業是軍民融合深度發展最具代表性的產業，軍隊對核生化應急、反恐和核污染處理處置具有重要職責，近期在此方面的建設投入非常突出。目前，開展軍民共建、軍建民用、民建軍用、共建共用的契機已經來臨。可立足當前軍民合作基礎，依靠生態環保立項的軍民融合項目，與部隊深入溝通，共享資源，加強技術交流，同相關單位構建軍民融合機制。

3.5 技術規范及配套標準編制

隨著無人系統技術發展突飛猛進，新的技術和概念層出不窮，無人系統的標準體系也需要不斷研究探索，對其結構調整更新進行動態管理。從國內外無人系統標準領域現狀的分析來看，我國在近期標準制修訂工作中應對無人輻射監測系統的校準和作業給予關注，充分利用國外標準的有利資源，結合國內輻射監測的需求，研究和搭建無人系統輻射監測標準體系框架，制修訂急需的技術標準，逐步建立該領域的技術標準方法。例如，加快編制無人系統裝備技術指南、移動系統（如無人機、機器人、車輛）的動態測量和校準技術規范、網絡化和工藝化監測設施設備現場校準方法、大數據通信協議以及智能化分析軟件工程功能規范等標準方法。

我國無人系統輻射監測技術應用前景是廣闊的，發展勢頭是可期的，但目前還存在一些限制和問題，亟待后續解決完善。為促進無人系統輻射監測技術的蓬勃發展，還需要無人系統、核能和核技術以及相關領域人才的共同努力和跨界合作。