放射源在线监控系统设计

潘雨青 杨鑫焱

摘要：放射源污染已经成为环境污染中的重要问题，放射源检测是避免核污染的有效方法。阐述放射源在线监控系统的设计思路，该系统利用ZigBee技术，集辐射剂量测量、放射源定位、放射源追踪、报警、辐射事故应急决策、监管部门联动等功能于一体。

关键词：放射源；检测；ZigBee；在线监测系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.161578

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）005-0071-03

0 引言

随着工业经济的快速发展，放射源应用日趋广泛。由于放射源是一种特殊物质，其辐射对人体健康具有危害性，因此对放射源的监管极为重要。

国外关于放射源检测方法的研究较多，并建立了相应的放射源监控系统[1]。美国、日本、英国等发达国家研制的放射源检测系统大大提高了核事故防治效果[2]。国内关于放射源检测的研究还处于起步阶段，缺乏有效的放射源监控系统。从20世纪50年代起，随着核电站的兴建和发展，核泄漏事件受到环保部门的高度重视[2-4]。设计一款高效的放射源监控系统对及时、准确地掌握放射源状况，确保放射源安全具有重要意义。

放射源在线监控系统要依托现有环保信息化监管平台，具有单个放射源的实时位置监控、剂量监控、状态监控以及数据信息传输、事故报警、应急处置等功能，实现放射源管理自动化、信息化。环保监管部门可以通过放射源在线监控系统对放射源辐射工作单位的情况进行实时在线监管，使辐射安全监管工作更加及时、有效、科学。

1 放射源在线监控系统设计框架

放射源在线监控系统主要包括监测平台和督管平台，前者主要实现放射源使用和作业管理；后者实现放射源管理和对检测平台工作的督管。

（1）放射源工作环境检测。获取放射源工作状态环境变量信息和工作检测参数，包括放射源剂量检测、周边环境检测等。

（2）综合数据采集和数据在线分析。主要实现检测数据实时汇集和在线分析，实现数据归一化管理和在线风险分析及预警，为业务处理提供相关数据。

（3）业务处理。主要包括风险管理、在线预警、统计分析和信息报送等。

（4）应急处置。实现对放射源事件的应急处置，主要包括应急事件处置、事件和整改信息发布等。

放射源在线监控系统整体架构如图1所示。

安装放射源自动监测仪，对在用放射源剂量进行实时监控。放射源监测仪与放射源设备相连接，并且不可拆卸。放射源自动监测仪对绑定的放射源信息进行实时监测。同时放射源自动监测仪通过GPRS网络将监测数据发送至监测平台。系统主要功能如下：

（1）实时接收“放射源监测”数据，并实时显示。

（2）如放射源剂量监测值出现异常，如瞬间减少、瞬间增大等，则发出连续报警信号。

（3）放射源剂量监控数据保存1年以上。

（4）及时向督管平台上传报警信号、监控数据，随时接收督管平台数据复查。

督管平台对监测平台数据进行实时在线分析，一旦发现隐患能够及时提供预警。同时当监测平台发出报警信号后，对监测平台数据进行检查。

（1） 角色用户管理：对管理角色和用户授权进行管理，用于信息访问控制，保证信息安全。

（2） 预警配置管理：对预警参数进行配置，实现自动预警。

系统监管架构如图2所示。

2 主要模块设计

2.1 放射源监测设计

监测是放射源监控管理的基础，实现对放射源工作环境及状态的检测、辨识以及风险分析，监测流程如图3所示。

监测平台进行实时数据采集，每小时进行一次数据记载。检测到放射源剂量异常后，采取应急处理，改为每10分钟进行应急信息存储，并进行放射源剂量信息评估与分析。

2.2 应急处理

应急处置主要保障环境安全、减低事故损失。通过放射源剂量分析进行风险辨识，对不同风险进行预警，实现监控。

正常工作情况下，系统进行实时数据采集和辨识，每小时进行一次数据记载，发生应急事件时，改变数据采样存储粒度，改为每10分钟进行一次数据记载，为应急决策和处理提供实时数据。

应急处理流程如图4所示。

2.3 督管平台

监管平台主要实现以下功能：

（1）数据通讯。主要实现系统网络通讯。

（2）数据管理。实现与外部系统的数据交换以及对本系统的数据管理，接口与数据采集仪间进行预警数据的交换。

（3）在线分析和预警。对监测平台数据进行实时在线分析，一旦发现隐患能够及时进行预警。

（4）业务管理。主要实现监测平台对放射源管理业务信息化处理，包括在线监控分析、许可证管理和应急管理等。

（5）信息展示。使用GIS/图表等手段实现可视化信息展示。

（6）安全管理。对用户信息访问授权进行管理。

3 通信方式

3.1 ZigBee技术

ZigBee[5]是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。ZigBee的特点是：功耗低、传输速率低、可靠、网络容量大、低成本、安全，所以ZigBee主要应用于传输距离短，并且在数据传输速率要求不高的电子设备之间。例如：设备自动化控制和远程控制等相关领域，同时ZigBee也可以嵌入到各种设备中。

ZigBee Alliance[5]规定了该协议的安全层和网络层，每个管理者都可以根据需求开发利用应用层，所以ZigBee的组网方式很灵活。简而言之，ZigBee是一种可以给管理者带来很多便利和实惠，且低消耗的短距离无线组网技术。ZigBee协议栈结构如图6所示。

ZigBee设备为低功耗设备，通信距离为30～70m。ZigBee设备还具有链路质量指示功能和能量检测能力，从而在保障通信链路质量的情况下，可以自动调整发射功率，使ZigBee设备功耗达到最小。

虽然可以说ZigBee和Bluetooth是同族兄弟，但是ZigBee协议更简单、功耗也更低，同时价格更低[6]。因此本文选择ZigBee的无线通信方式来实现放射源在线监控。

3.2 通讯规约

通讯是联网系统的基础，也是系统可扩展性必须约束的基本要素。通讯协议约定了通讯方式、通讯包信息构成等内容。

本系统通讯规约设计如图7所示。

（1）放射源工作环境和工作参数检测由各类检测设备完成，检测设备通过ZigBee通讯向数采仪提供检测数据。

（2）数采仪进行数据汇集和在线风险辨识。数采仪采用有线方式向监测平台传输检测和预警数据。数采仪使用无线方式（GPRS/WiFi/3G）向督管平台传输预警数据，采用Scoket通讯方式。

（3）监测平台和监管平台间使用有线方式进行数据交互。主要数据包括业务数据、预警数据、作业数据等。

4 结语

利用放射源在线监控系统可对放射源进行全方位管理，对核技术利用单位进行实时监控和指导，对在用放射源实现追溯；加强对核技术利用单位实时管理；实现对放射源的信息管理、远程定位、在线监控、自动报警等，从而对放射源实施全面有效的在线自动监控。

本文探讨了放射源在线监控平台设计，设计了一个集辐射剂量测量、放射源定位、放射源追踪、报警、辐射事故应急决策、监管部门能动等功能于一体的网络式辐射源在线监测系统，使得安全监管工作更加及时、更加有效、更加科学。

参考文献：

[1]National Semiconductor Corporation. LF155/LF256/LF257/LF355/LF356/LF357JFET input operational amplifiers[Z].2001.

[2]王汝赡.核辐射测量与防护[M].北京：原子能出版社，1990.

[3]M RIZZOTTO.Temporal reduction of the external gamma dose rate due to 137Cs mobility in sandy beaches[J].Journal of Radioanalytical and NuclearChemistry，2009（28）：160-169.

[4]SOLIMAN H，SUDAN K，MISHRA A.A smart forest-fire early detection sensory system：another approach of utilizing wireless sensor and neural networks[C].IEEE Sensors 2010 Conference，2010：1990-1904

[5]ZIGBEE ALLIANCE.ZigBee specification[Z].2005.

[6]LUIGI ATZORIA，ANTONIO IERAB，GIACOMO MORABITO.The internet of things：a survey[J].Computer Networks，2010，54（15）：787-805.

（责任编辑：陈福时）