大慶油田移動放射源跟蹤管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

陳天曉 周宇 周澤軒 寇育慶 張宏

1大慶油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評價(jià)中心

2大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司監(jiān)督保障中心

3東華理工大學(xué)長江學(xué)院機(jī)械與電子工程系

4大慶油田消防支隊(duì)中七路消防隊(duì)

在石油勘探和無損檢測等工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用放射源進(jìn)行檢測，放射源使用過程中釋放的高能射線若防護(hù)不當(dāng)會對人體細(xì)胞和周圍環(huán)境造成很大破壞。據(jù)中國工程院統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有2 000 余枚放射源不知下落，尤其在石油勘探行業(yè)及無損檢測行業(yè)，經(jīng)常發(fā)生放射源丟失和被盜事故，造成較大的社會影響[1]。

目前國內(nèi)企業(yè)和政府普遍采取了多種人防、技防手段相結(jié)合的方式對放射源進(jìn)行監(jiān)管，特別是在儲存管理方面，通過視頻監(jiān)控、輻射值測量、紅外線報(bào)警及24 h值班等多種手段進(jìn)行防控，同時(shí)建立了相關(guān)監(jiān)控平臺對放射源進(jìn)行監(jiān)管，技防手段比較完善[2-5]。目前大慶油田在用放射源有密閉放射源、同位素、射線裝置3類。管控風(fēng)險(xiǎn)如下：①放射源和射線裝置運(yùn)輸過程中，雖然采取了多種人防和技防措施，但所有監(jiān)控手段均以運(yùn)輸車輛為載體，而缺乏對放射源本體的跟蹤定位措施；運(yùn)輸過程中一旦跟車人員存在管理環(huán)節(jié)缺失或安全裝置失靈等問題時(shí)，就有可能發(fā)生放射源丟失或失控，而放射源本身無定位裝置，一旦丟失很難找回。②放射源或射線裝置運(yùn)輸?shù)绞褂矛F(xiàn)場，從源箱內(nèi)取出進(jìn)行現(xiàn)場使用時(shí)，整個過程中既沒有定位手段，也沒有技術(shù)監(jiān)控措施，對于放射源的管控只能依靠現(xiàn)場操作人員；放射源及射線裝置的管控力差，發(fā)生放射源丟失或被盜的概率高，一旦丟失，無有效手段找回。

隨著全民環(huán)境健康意識的提高，以及國家對放射源環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控要求的日益嚴(yán)格，針對油氣田放射源運(yùn)輸、使用過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，從系統(tǒng)科學(xué)的角度出發(fā)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以強(qiáng)化企業(yè)主體責(zé)任落實(shí)為出發(fā)點(diǎn)，以關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)放射源全過程跟蹤管理定位系統(tǒng)，對移動放射源實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)管。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 兼容性

跟蹤管理定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮系統(tǒng)的兼容性。建立放射源全工作流程管理系統(tǒng)，必然要將放射源檔案管理、放射源定位、源車定位、視頻監(jiān)控等多個系統(tǒng)進(jìn)行整合，形成一個完整的放射源管理系統(tǒng)[6]；因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架時(shí)，從構(gòu)成系統(tǒng)的硬件到管理軟件，都要充分考慮新系統(tǒng)的兼容性，從而充分利用現(xiàn)有資源，減少系統(tǒng)構(gòu)建的一次性投入。

1.2 穩(wěn)定性

在保證應(yīng)用較先進(jìn)定位技術(shù)的前提下，必須優(yōu)先考慮系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)在惡劣自然及工況條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，隨著定位技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)能夠持續(xù)升級和完善。目前，移動4G網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的各地市已經(jīng)很普及，5G網(wǎng)絡(luò)也在持續(xù)推進(jìn)，但是油氣田移動放射源的應(yīng)用場所，很多都在偏僻的荒效野外，4G、5G 信號很多地方往往覆蓋不到，傳輸信號的穩(wěn)定性無法得到保障；因此，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)定位傳輸通信，應(yīng)優(yōu)先選擇傳輸穩(wěn)定的衛(wèi)星通信。

1.3 可靠性

跟蹤定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的就是為了精準(zhǔn)管控放射源，杜絕放射源丟失現(xiàn)象，因此定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以可靠性第一為優(yōu)先級，否則，不但不能起到應(yīng)該起到的作用，有可能還會帶來負(fù)面作用。目前，開放的GPS和北斗民用定位服務(wù)，定位精度存在誤差較大；因此，對于放射源的定位跟蹤，最好選用開放的商用模式，提高定位精度。放射源的使用安全是國家嚴(yán)格管控的，一旦失控將嚴(yán)重威脅廣大人民群眾的生命健康安全；因此，利用無線及有線網(wǎng)絡(luò)管控放射源的管理系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，必須充分考慮系統(tǒng)的安全性，設(shè)計(jì)必要的防竊入、攻擊手段，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

1.4 通用性

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要全面考慮系統(tǒng)的通用性。在油氣勘探、生產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)用移動放射源的企業(yè)，除油氣田生產(chǎn)企業(yè)外，還包括油田工程建設(shè)、油氣生產(chǎn)服務(wù)企業(yè)；因此，開發(fā)的管控系統(tǒng)，既要適合油氣田生產(chǎn)企業(yè)，又要適合移動作業(yè)的廣大油服企業(yè)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)新媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)盡量使用友好、簡單、易用的用戶界面，充分體現(xiàn)人性化管理。

2 選擇跟蹤定位裝置

2.1 定位裝置的選型

由于需要進(jìn)行定位的都是移動放射源及射線裝置，因此定位裝置應(yīng)選擇無線充電型。目前無線充電型放射源定位裝置的安裝方式主要有固定式、磁吸式和卡扣式。固定式裝置充電需要將放射源移動到電源處或使用充電寶進(jìn)行充電，且部分放射源和射線裝置工作時(shí)需要投入井下或放進(jìn)管道，因此固定式定位裝置不適合對放射源進(jìn)行定位。磁吸式裝置安裝在設(shè)備上的牢固程度不強(qiáng)，在產(chǎn)生顛簸或碰撞時(shí)容易發(fā)生意外脫落情況，且放射源源箱多為鉛制，磁吸式裝置無法吸附。卡扣式定位裝置可根據(jù)放射源和射線裝置的外形進(jìn)行開模設(shè)計(jì)，從而與放射源相匹配，既可以牢固地固定在放射源上，也能夠進(jìn)行拆卸，比較適合對移動放射源和射線裝置進(jìn)行定位。

2.2 定位裝置的性能要求

油氣田所用移動放射源多在野外場所，由于道路條件差，運(yùn)輸過程中難免出現(xiàn)顛簸、振動，使用過程受天氣、氣候等因素影響，定位裝置選擇，應(yīng)該從以下幾個方面加以考慮：一是抗震性。由于放射源在運(yùn)輸過程中，車輛比較顛簸，振動較大，因此定位裝置要具有一定的抗震性。二是防撞性。由于放射源及射線裝置自身質(zhì)量較大，且接觸物件多為金屬結(jié)構(gòu)，不可避免會產(chǎn)生一些碰撞，因此要具有一定防撞性[7]。三是耐低溫性。由于高緯度地區(qū)冬季氣溫較低，普通電池在溫度較低的環(huán)境下電量衰減較快或無法提供電量，因此定位裝置的電池需要在低溫條件下能正常工作。四是精準(zhǔn)性。由于油氣田所用移動放射源普遍外形尺寸不大，普通的民用定位設(shè)備精度無法達(dá)到防控使用要求，必須選用商用定位裝置。

中油測井公司2年前采用電子定位鎖對其放射源進(jìn)行定位跟蹤。電子定位鎖根據(jù)放射源源箱的普通鎖具進(jìn)行開模，可以替代普通鎖具對源箱上鎖，同時(shí)具備GPS定位、輻射值監(jiān)測、重力感應(yīng)和短距離信號傳輸4 種功能[8]，且電子定位鎖外殼及內(nèi)部芯片均采用注膠的方式進(jìn)行保護(hù)，提高了抗震性和防撞性。因?yàn)榉派湓磸脑纯尤〕龊笳麄€運(yùn)輸過程中均在源箱內(nèi)，所以電子定位鎖能對放射源運(yùn)輸過程進(jìn)行定位；若出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致源箱在運(yùn)輸過程中丟失，也能根據(jù)定位信號進(jìn)行快速定位找回。當(dāng)放射源回到源庫后，即可從源箱上取下電子定位鎖，對其進(jìn)行充電。電子定位鎖不僅可以鎖在源箱上，也能鎖在同位素源罐和射線裝置上；因此，電子定位鎖在適用性和可靠性上均能達(dá)到使用要求。

3 建立放射源全過程管理系統(tǒng)

目前，油氣田及油服企業(yè)對放射源在存儲、運(yùn)輸、使用每個環(huán)節(jié)的管理都是一個單獨(dú)的模塊。每個環(huán)節(jié)之間無關(guān)聯(lián)性，互相之間缺少約束性，很可能導(dǎo)致管理制度或安全設(shè)施的使用存在執(zhí)行性差，進(jìn)而造成放射源失控事故的問題。2017 年，我國吉林某測井隊(duì)在現(xiàn)場施工作業(yè)過程中丟失1顆中子發(fā)生器，就是由于源使用押管員未對源實(shí)施有效監(jiān)管，同時(shí)與源庫管理員未按規(guī)定交接源入庫，導(dǎo)致源丟失而且未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成較大的社會影響和恐慌。因此，若將放射源的儲存、運(yùn)輸、使用等所有環(huán)節(jié)全部進(jìn)行有效管控，就必須將多個管理模塊進(jìn)行整合，形成一套模塊間互相制約、互相預(yù)警提示的放射源全過程管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立以下6個模塊，模塊間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊

建立放射源及射線裝置管理數(shù)據(jù)庫，將所有源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，包括放射源信息、相關(guān)人員信息、車輛信息、各源庫及施工地點(diǎn)位置信息等[9]。其中放射源信息可以為放射源加裝電子標(biāo)簽，通過掃碼或RFID（射頻識別）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對放射源信息的確定和上傳[10]。據(jù)了解，相關(guān)油服企業(yè)正在開展實(shí)驗(yàn)，對部分同位素釋放器加裝芯片，芯片只有紐扣大小，不影響釋放器投放到井下。通過手持終端在釋放器出入庫及作業(yè)現(xiàn)場等環(huán)節(jié)的掃描，可以上傳釋放器的電子信息及位置信息。

3.2 調(diào)度管理模塊

建立源使用調(diào)度管理模塊，模塊功能包括放射源工作計(jì)劃的制定、流程的審批、放射源的確定、人員及車輛的安排、運(yùn)輸路線的制定等，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛位置和放射源位置。

3.3 源庫監(jiān)控模塊

源庫監(jiān)控模塊主要對放射源及射線裝置儲存地點(diǎn)進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)控。據(jù)調(diào)研了解，各油氣田及油服企業(yè)的源庫監(jiān)控手段主要有：固定視頻監(jiān)控，能夠覆蓋所有放射源以及源庫內(nèi)外所有地點(diǎn)；輻射值監(jiān)控，通過在源庫出口安裝輻射檢測儀，來確定是否有放射源出入庫。

監(jiān)控模塊功能包括源庫劑量監(jiān)控、射頻識別、GPS定位、視頻監(jiān)控。對不同用戶按照管理級別設(shè)置不同操作權(quán)限，包括修改系統(tǒng)設(shè)置、監(jiān)控對象移動授權(quán)等。系統(tǒng)管理員可根據(jù)需要進(jìn)行劑量監(jiān)控掃描時(shí)間、預(yù)警劑量上限、射頻識別設(shè)備啟停時(shí)間、射頻識別掃描時(shí)間等系統(tǒng)設(shè)置，實(shí)施監(jiān)控對象信息錄入、源數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入與導(dǎo)出操作。

3.4 源運(yùn)輸車輛模塊

源運(yùn)輸車輛模塊主要是基于運(yùn)輸車輛為載體安裝的各類安全設(shè)施。目前放射源運(yùn)輸車輛安全設(shè)施主要有：車輛GPS 定位系統(tǒng)、車輛紅外線報(bào)警裝置、車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)、輻射檢測系統(tǒng)。同時(shí)，模塊中還應(yīng)包括運(yùn)源車輛基本信息、車輛維保情況、駕駛員信息等內(nèi)容。

3.5 移動放射源跟蹤定位模塊

移動放射源跟蹤定位模塊就是利用GPS或北斗系統(tǒng)，采用GPS-LBS 雙重定位，對放射源源箱及射線裝置進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤定位，實(shí)現(xiàn)放射源實(shí)時(shí)定位、數(shù)據(jù)通信、路徑查詢、緊急報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控等監(jiān)測功能。將放射源及射線裝置的位置信息實(shí)時(shí)傳輸回系統(tǒng)終端，便于平臺管理人員隨時(shí)監(jiān)控源的動態(tài)和軌跡。

3.6 放射源作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)督模塊

放射源作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)督模塊就是放射源及射線裝置到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場后，放射源本體脫離車輛監(jiān)控設(shè)備及源箱定位設(shè)備后采取的安全技術(shù)手段。可以通過現(xiàn)場架設(shè)移動布控球的方式，對作業(yè)過程中的放射源移動軌跡、作業(yè)人員操作行為、源警示標(biāo)識、警界線布設(shè)、源回收、現(xiàn)場恢復(fù)等情況進(jìn)行遠(yuǎn)程的視頻監(jiān)督。

4 結(jié)論

從目前國內(nèi)各油氣田及油服企業(yè)放射源使用及管理情況看，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊和調(diào)度管理模塊還比較落后，大部分處于紙質(zhì)化和普通通信化階段，還比較依賴于管源人和用源人的個人素質(zhì)，沒有充分利用電子化、網(wǎng)絡(luò)化、衛(wèi)星通信定位等高科技手段。源庫監(jiān)控模塊和源運(yùn)輸車輛模塊的安全設(shè)施已經(jīng)基本成型，主要是缺少一套完整的系統(tǒng)作為載體。移動放射源跟蹤定位模塊和放射源作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)督模塊還處于待開發(fā)階段，也是目前急需開展的模塊。因此，對文中所述的6 個模塊進(jìn)行開發(fā)、升級和整合，建立一套移動放射源跟蹤管控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對放射源的無死角管控，全面提高油氣田及油服企業(yè)對放射源的管控水平，極大降低放射源丟失、失控風(fēng)險(xiǎn)。