岸橋式放射性物質實時監測預警系統設計

杜金健，郭寶誠，張連杰，花 鋒，高彥斌

（1.西安中核核儀器股份股份有限公司，陜西 西安 710000；2.中華人民共和國拱北海關，廣東 珠海 519000）

0 引言

海關開展口岸核生化監測的工作目的是履行正常核生化物品進出監管和打擊恐怖主義職責。目前，用于口岸對集裝箱及其貨物實施放射性物質檢測的儀器包括：通道式核輻射檢測儀、移動式核輻射檢測儀（裝載在汽車上）、表面沾污儀、延長桿式核輻射檢測儀等[1]。通道式放射性物質監測設備主要是針對車載集裝箱監控，其安裝位置固定，需要集裝箱拖卡在進出境閘口時監測，監測時間滯后，存在受污染集裝箱在堆場堆放期間人員受照射、環境受污染的風險。另外，受設備自身運行缺陷，車輛通行對環境本底掩蓋，容易產生誤報漏報情況發生，且對車輛運行速度有限制要求，檢測效率低[2]。移動式核輻射檢測儀對集裝箱堆場內位置較高以及放置在中間位置的集裝箱檢測能力有限。其存在監測時間滯后，存在受污染集裝箱堆場堆放期間人員受照射、環境受污染的風險等問題[3]。人工放射性物質監測主要是工作人員利用手持式設備近距離接觸被測物，檢測過程中需要穿著笨重防護設備，存在耗費人力、危險程度高、效率低等缺點。面對在港口碼頭堆積如山的集裝箱，人工勞力成本很大，且集裝箱調運工作時間長、成本高[4]。

在日常放射性監測工作中，因受安裝場地、設備各自功能特點、進出碼頭堆場及其作業環節等條件的限制，上述設備有各自優點的同時也存在不足，時效性底、難以做到全覆蓋及實時監測預警，同時也存在工作人員近距離接觸受照射污染的風險等[5]。由此可見創新現有集裝箱核輻射監測模式勢在必行。基于核輻射探測技術，構建岸橋式放射性物質監測預警系統進行設計研究顯得尤為重要。岸橋式放射性物質實時監測預警技術研究主要針對海港口岸等集裝箱進出口貨物集中的地方，研究設計一套通過給現有的港口岸邊集裝箱起吊機（簡稱“岸橋”）的吊具上安裝核輻射探測器等智能模塊化監測設備，結合數據采集處理單元，將監測到的有效信息通過數據鏈路，實時傳輸至地面協議轉換箱，然后傳送至服務器，進而建模處理和存儲，最后傳送到海關綜合信息監管平臺。從而完成對集裝箱及貨物的集中實時監測，并將數據可視化展示出來，同時對異常信息提供遠程預警。

1 監測預警系統總體架構

通過分析研究將港口、岸邊集裝箱起吊重機的吊具上安裝核輻射探測器等智能模塊化監測設備，結合數據采集處理單元，將檢測有效信息通過數據鏈路實時傳輸至地面協議轉換箱，協議轉化箱將收集到的有效數據，通過有線方式（網線或光纖）傳送至服務器，服務器完成數據的建模處理和存儲，將處理后的數據接入現有的海關綜合信息監管平臺，完成對通過岸橋調運的集裝箱貨物集中實時監測，并將數據可視化展示出來，同時對異常信息提供遠程預警。

在岸橋式放射性物質實時監測預警系統中，每臺岸橋吊具上的四個智能探測器和數據采集處理箱作為最小化系統單元，地面上數據協議轉換箱和服務器（含系統監測預警管理平臺軟件）構成終端平臺軟件，港口的岸橋式放射性監測系統為若干個最小化系統單元和1 臺終端平臺構成，所有最小化系統單元數據通過終端平臺軟件進行數據的處理和可視化顯示，進而數據協議箱按照轉化協議，將數據上傳至海關的綜合信息監管平臺，實現海關對入關集裝箱貨物中放射性物質的監管。

智能輻射探測器：四個智能輻射探測器經過測量集裝箱，若集裝箱內放射性物質超過規定的閾值，探測器產生的電壓模擬信號轉化后形成數字信號，送至就地處理箱處理。

就地處理單元：負責四個智能輻射探測器和視頻攝像頭數據的采集、設備定位（GPS/北斗）、數據傳輸。還能提供工作所需的低壓、高壓工作電源，并對探測器工作高壓進行控制調節和檢測。可以對探測器輸入的信號進行放大、甄別、處理，并將計算結果傳輸給處理主板。

數據處理單元：通過內置電臺組建區域星型網絡，收集區域內全部吊具上的數據，通過內部協議轉化，將數據通過兩種方式發出，有線輸出（網口、光纖）和無線輸出（5G/4G、電臺等）。無線接收方式方便區域內數據的收集，有線輸出方式方便本地布局服務器，也方便接收專屬的海關設備網絡，無線輸出（5G/4G、電臺等）方便大區域內數據的收集，為后期“云服務”奠定基礎。

遠程報警單元：其安裝岸橋設備的駕駛室，一旦發現調運過程中某集裝箱放射性物質超標，預警系統發出報警信息，預警響應裝置報警，提示駕駛員停止操作，并將集裝箱放置在安全地帶，等待進一步處理信息。

監測預警系統終端軟件：系統軟件支持鼠標操作及觸控操作，可根據設備類型及顯示屏規格自適應優化顯示，并支持平板電腦等便攜式客戶端，系統功能架構圖，如圖1 所示。其可以布置在本地服務器上，也可以布置在云服務器上。監測預警終端軟件對監測數據進行處理，包含數據庫創建、數據存儲、數據查詢等。其中記錄的信息包括劑量率信息、位置信息、箱號信息、抓拍圖片等。

圖1 系統架構圖

2 分布式智能輻射探測器設計

2.1 智能輻射探測器設計

智能輻射探測器的結構件包括殼體、塑料閃爍體和控制板。塑料閃爍體擁有制作相對簡單，性能穩定，輻射性能好，探測面積較廣等特性。智能輻射探測器能穩定輸出數字信號，內部設計矩形減震套，用于減少強振環境下對探測器和電子學電路的損壞。智能輻射探測器整體采用不銹鋼材質，整體具有IP66 防護等級，能適應高沖擊、高振動的潮濕環境。此外岸橋吊具上可以選配中子探測器，可對中子進行監測，探測器如圖2 所示。

圖2 探測器結構尺寸圖

閃爍體探測器的結構，如圖3 所示。當射線作用于閃爍體晶體時，產生熒光光子，通過光電倍增管對其進行光電轉換倍增后進行輸出電脈沖信號[9]。

圖3 碘化鈉測器結構和等效電路

為了實現智能輻射探測器輸出弱電流信號的放大及測量，設計出了以積分型放大器和電流型放大器為代表的前置放大器，如圖4 所示。其前置放大器與主放大器用屏蔽電纜進行連接，協同工作，提高了系統的信噪比并減小信號流經電纜傳送時的外界干擾。

圖4 碘化鈉探測器測量放大系統

碘化鈉探測器采用電荷靈敏前置放大器解決閃爍體探測器探測過程中所遇到的弱電流探測問題，如圖5 所示。

圖5 碘化鈉探測器電荷靈敏前置放大器原理圖

智能輻射探測器測量的放射性種類：γ射線；其輻射能量測量范圍：γ射線30KeV～3MeV；輻射劑量率范圍：γ射線10nSv/h～1Sv/h；報警時間：≤10 s；誤報率：≤0.1%；工作溫度：-10 ℃～60 ℃。其數據采用SI-PM 耦合讀出方式，內部設計溫度修正模塊，其可以保證探測器的正常工作。數據通訊模式采用485通訊，其可以給出劑量率信息、核探測器的工作信息。智能輻射探測器系統的供電：+12 V，通訊協議為ModBus 協議[11]。

2.2 智能輻射探測器的分布式設計

（1）由于智能輻射探測器安裝位置的實際工況含強振、強沖擊等因素，出于對探測器的保護，在吊具支撐梁兩側，設計起保護作用的型鋼，結構如圖6，其高度不超過岸橋設備吊具的支撐梁。為了將因設計安裝智能輻射探測器對吊具本身結構強度產生的影響降到最低并達到最好的測量效果，設計的方案采用分布式布局將智能輻射探測器安裝在岸橋設備的吊具上，如圖7 所示。

圖6 型鋼

圖7 核輻射探測器分布

2.2.1 吊具兩端端梁探測器安裝設計

（1）在岸橋設備吊具兩端的橫梁內側安裝智能輻射探測器模塊。

（2）橫梁內側豎直面上智能輻射探測器測量面所在的位置處，既側面和下面開探測視窗，提高探測效率。

（3）每臺吊具兩端橫梁上安裝2 個智能輻射探測器，如圖8 所示。達到在吊具最兩邊，圖8 方框所示位置，安裝效果。

圖8 吊具兩端探測器安裝圖

2.2.2 吊具中間梁探測器安裝設計

（1）在岸橋吊具中間梁兩側等距處安裝兩個2 個智能輻射探測器模塊，其底部中心位置開200 mm×75 mm 探測窗口，提高探測效率。

（2）每臺吊具中間梁兩側安裝2 個智能輻射探測器（下圖圈處方鋼旁所示，探測器及方鋼設計見圖9）。

圖9 吊具中間探測器安裝圖

3 就地處理箱設計

就地處理箱通過減振器固定在岸橋設備的吊具上，如圖10 所示。就地處理數據箱負責該岸橋吊具中4 個探測器和視頻攝像頭數據的采集、設備定位（GPS/北斗）、就地處理和地面數據協議轉換箱之間數據傳輸（電臺等）等。就地處理箱為智能輻射探測器提供工作所需的低壓、高壓工作電源，并對智能輻射探測器工作高壓進行控制調節和檢測。對其輸入的信號進行放大、甄別、處理，并將計算結果傳輸給處理主板。其原理示意圖如圖11 所示。

圖10 就地處理箱

圖11 原理示意圖

4 監測預警系統終端軟件設計

監測預警系統終端系統軟件使用B/S 構架（構建基于瀏覽器的服務），可以適配主流瀏覽器，支持鼠標操作及觸控操作，可根據設備類型及顯示屏規格自適應優化顯示，并支持平板電腦等便攜式客戶端[6-10]，系統功能架構圖，如圖12 所示。

圖12 系統功能架構

軟件既可以布置在本地服務器上，也可以布置在云服務器上；數據庫包含數據庫創建、數據存儲、數據查詢等；其中記錄的信息包括劑量率信息、位置信息、箱號信息、抓拍圖片等，軟件功能模塊，如圖13 所示；岸橋式放射性物質實時監測預警系統服務器與海關局域網進行連接，將監測系統識別到的集裝箱的箱號等信息進行對比識別，使海關監管人員第一時間了解到箱內貨物信息。當監測系統報警時，迅速將報警地點、報警時間、監測數據、集裝箱號、貨物信息等信息發送到海關監管中心，提高應急響應速度。

圖13 系統預警軟件界面

5 結論

放射性物質探測設備是口岸放射性檢測工作有效與否的物質基礎，岸橋式系統的設計為水運口岸放射物質探測工作提供新探測技術，具有覆蓋率高、時效性強、準確性高、監管成本低、便于維護及社會效益高的特點。具體如下：

（1）覆蓋率高。碼頭所有用于裝卸集裝箱的岸橋上都裝上最小探測單元，即可實現進出口集裝箱放射性物質探測全覆蓋，無論船舶聯運集裝箱還是正常陸路卡口轉運集裝箱，都可真正做到在第一入境口岸實施放射性探測工作。

（2）時效性強。安裝岸橋系統后，將放射性檢測防線前移，吊具在裝卸集裝箱的同時即進行放射性物質探測工作，裝卸與探測作業同步。發生放射性異常報警可立即停止后續作業，第一時間通知相關處置人員，將報警集裝箱拖運至檢疫處理區等待進一步排查處置，避免了放射性異常集裝箱在堆場內轉移、堆存造成人員受照射、環境受污染的風險。

（3）準確性高。岸橋在進行集裝箱裝卸作業過程中，吊具上的最小探測單元探測器與集裝箱位置處于相對靜止狀態，吊具與集裝箱整體處于懸空狀態，檢測過程中受環境因素干擾小，測量相對準確，誤報率低。

（4）監管成本低。岸橋系統只需要在水運口岸開展外輪裝卸作業的岸橋吊具上安裝放射性探測設備，設備安裝數量少，且不需要做基礎土建工程，周期短，一次性投入成本低，正常作業無需人員參與，且不會對物流速度產生影響。探測器采用小體積閃爍晶體探測器，技術成熟國產化程度高，價格遠低于通道式大體積晶體價格，全覆蓋安裝一次性投入成本低。第一時間發現，異地事件處置，最大限度避免人員受照射和放射性物質在堆場擴散的風險，降低了不必要的人員救治和環境治理等直接或間接的經濟損失風險。

（5）便于維護。采用模塊化、標準化的設計理念，探測器元件通用性高，安裝拆卸簡單便捷，經過簡單培訓即可現場完成設備模塊更換。解決放射性探測設備技術復雜，專業性強，等待廠家專業人員上門維修維護時間長的頑疾。

（6）社會效益高。在碼頭前置攔截區設置更多的通道式設備，勢必會影響碼頭運營企業的物流周轉速度和繞行產生的經濟成本。而岸橋式系統將整個探測過程集成在集裝箱裝卸作業過程中同步完成，對集裝箱貨物物流周轉及通關時效不造成影響，完美解決開題所說的海關強化放射性物質監管與口岸現代物流發展對周轉效率日益提升需求的矛盾。

岸橋式放射性物質實時監測預警系統的構建，不僅彌補了海關等公共安全領域輻射數據處理的不足，提升貨物進出口放射性物質監測能力，提高預警系統可靠性，也大幅度提高海關監管碼頭集裝箱放射性檢測工作的效率和準確性，做到進境、出境集裝箱貨物放射性檢測的實時性，全覆蓋，有效防止放射性物質的流出與流入，同時不會對物流速度產生影響。岸橋式放射性物質實時監測預警系統是物聯網與大數據助在海關監測放射性物質領域的新應用，并且該系統的研發設計符合市場需求，應用前景廣闊，能產生良好的經濟效益。