基于无线传感网的核电安全监控系统设计

杨海峰，宋祖荣

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

基于无线传感网的核电安全监控系统设计

杨海峰，宋祖荣

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

低碳经济和能源可持续发展的要求下，新能源的开发和使用越来越受到世界各国的青睐；核电在新能源领域发电效率最高，电能质量最稳定，近年来取得长足的进步和丰硕的成果，然而，福岛核辐射事故的发生导致核电发展阻力重重，核电安全问题被提升到前所未有的高度;基于传感网技术的核电安全监控系统采用“检测层-接入层-汇聚层-数据中心”四层传感网结构，实时采集核电厂关键设备的运行状态和参数，并通过传感网传输到远程服务器，在数据中心对采集的数据进行数据挖掘和数据融合处理，对核电厂运行状态进行实时监测和预测，确保核电厂安全运营;核电安全监测网络的生命周期是保证整个网络使用可靠性和稳定性的前提和基础，从节点布局优化的角度出发，研究该监测网络的能量管理方法。

核电安全；传感网监控；能量管理；节点布局

0 引言

随着传统能源的枯竭和环境污染越来越严重，核电能源的发展和利用成为未来能源利用的主力军，正在得到越来越广泛的应用。然而，核电的安全使用是关乎核电及人类能源利用的最重要的前提。日本福岛核事故事件造成世界各地“谈核色变”的情景仍历历在目，一旦发生核安全事故，将会造成灾难性后果，甚至危及人类的生存和发展[1]。为了保护核电设备的安全、可靠及高效运行，有必要对核电安全设备的运行状态进行检测和监测。传统的核电设备运行状态监测系统主要采用有线网络，其线缆铺设困难、数据采集困难、施工成本高等缺点限制了监测网络的广泛应用；无线传感网技术因其安装简单、节点布局方便及成本低等优点，适合在核电设备运行状态监测中使用，有效提高监测的范围、监测的实时性及可靠性等，提升核电设备运行的安全性及可靠性，对于核电的大力发展具有深远的意义。

无线传感网安全监控系统由四层架构组成，分别包括检测层、接入层、汇聚层和数据中心。检测层主要使用传感器对核电设备的运行状态进行实时检测，接入层负责接收检测层检测到的状态数据，汇聚层负责接收接入层的数据并进行数据融合等处理，数据中心负责对状态数据进行综合数据挖掘、状态分析、预警及展示等。基于无线传感网的核电设备运行状态监测技术，可以实现分布式、大范围、低成本及实时监测；基于ZigBee通信技术自组网的特性，系统可以方便的增减监测节点，个别节点故障不影响整体监控系统的稳定性，从而确保核电设备运行安全监测系统的稳定性和可靠性。

1 核电设备运行状态监测的现状

核电设备运行状态的监测技术的应用对与保证核电设备的安全运行至关重要。从安全运行的角度出发，核电的发展和应用为人类能源的开发和利用带来新的希望，但是核电事故带来的灾难是不可估量的，所以需要对核电的安全使用进行实时的监测和预测，最大程度的降低核电泄露的风险。通过现场对核电设备的运行状态、核电设备运行环境等进行实时的监测，并通过对监测检测数据的分析、评估、预警，实时对可能故障的设备进行预处理和维修，从而避免事故的发生[2]。

传统的核电设备运行状态监测系统是由监测站和数据处理站组成，监测站是在监测对象处安装传感器等监测装置，监测核电设备及现场环境的运行温度、振动的状态信息，并将信息传送到数据处理站，通过对现场采集数据的处理分析，评估核电厂的运行安全状态。传统的监测系统都是基于有线网络的信息传输系统，该监测系统需要在每个监测节点布设监测装置和传输线缆，由于核电厂运行设备多，运行环境复杂，很难将所有的设备的监测网络统一到一个网络中，不仅网络布局难度大、成本高，而且网络的稳定性也很难得到保证。因此，需要一种基于无线的、自组网的、低成本的监测网络，兼具数据采集和传输的监测传感网进行核电运行状态的监测和管理。

2 基于传感网的核电监测系统

2.1 系统的组成

基于传感网的核电监测系统是由检测层、接入层、汇聚层和数据中心四部分组成。检测层是通过现场布设的温度、振动等传感器，感知核电设备的运行温度、振动状态等信息；接入层负责将检测层检测监测到的数据信息通过有线(RJ45、RS232/485)、无线(ZigBee、Wifi)等方式进行接收并传输到汇聚层；汇聚层负责接收接入层接收的数据，并对这些数据进行初步的处理和分析，压缩冗余信息，从而减少系统给数据中心传输的数据量，保证传输数据的准确性、全面性和有效性；数据中心负责接收汇聚层传输的数据，并对数据进行数据挖掘、数据融合等处理，通过分析采集信息的特点，评估核电设备运行的状态，并作出相应的预警处理[3]。

图1 核电安全监测无线传感网系统结构原理图

2.2 系统的特点

基于传感网的核电监测系统将整个核电运行系统作为一个整体，监测核电设备及其运行环境的实时状态。核电运行环境复杂、设备数量多、分布范围大，构建的基于传感网的监测系统具备以下特点：

1)监测网络系统庞大，由于核电是一个非常复杂的系统，要实现对核电运行状态的综合监控，不能从单点的监测进行片面的评估和判断，需要综合整个系统各个节点的状态，进行系统的分析，所以建立的监测系统非常庞大；

2)能量均衡、高效，保证在系统运行过程中，各节点通信负载和能量消耗达到均衡状态，避免个别节点能量耗尽导致监测系统瘫痪。

3)低传输延迟，为了保证检测数据的实时传输，要保证传输时延最小化，保证关键传输节点的能量供给。

4)鲁棒性，核电运行现场设备数量多，网络结构复杂，构建的无线传感网监测系统传输协议需具备自组网功能，在个别节点失效或者新节点加入过程中，保证系统的稳定性。

5)数据融合，由于节点的冗余覆盖或冗余部署，节点感知的信息具有较大的相关性和冗余性，可以通过数据融合、数据压缩等技术对需要传输的数据进行合并、计算和处理，通过减少传输的数据量来降低节点的能量消耗。

2.3 基于无线传感网核电检测网络系统设计及解决的技术难点

基于无线传感网核电监测网络系统设计是一种更加高效，节能的监测系统解决方案。然而由于无线传感网自身存在的一些缺陷，为了更加方便的利用传感网系统给核电系统服务，需要克服以下技术难点：

1)能量优化协议，由于传感网检测传感器原件一般体积很小，同时集成了感知，处理和传输单元为一体，而且电源模块很难进行更换或者充电，所以为了保证监测的持续性和稳定性，需要研究优化的传输协议，在节省节点能量消耗的同时，要均衡网络各节点的能量消耗，最大程度的延长监测网络的使用寿命；

2)数据融合算法，由于传感网节点数据处理能力和传输带宽的限制，而且在进行网络布局的时候，为了增加系统的容错能力，在进行某个性能监测的时候，通常都有多个感知节点来完成，这就造成在数据处理和传输过程中存在数据冗余的发生，造成系统传输带宽和能量的浪费，需要研究数据融合算法，在数据进行传输之前对监测到的原始数据进行处理，减少数据传输量，在汇聚节点处进行多传感器数据融合，提升监测的稳定性和准确性。

3)节点布局，由于核电设备运行要求严格，而且环境非常复杂，在进行监测网络布局的时候，要充分考虑核电厂的实际运行环境，在不影响核电设备正常工作的前提下，设计合理的布局模式，实现核电设备运行状态的监测和传输，并在数据中心处理完成后，可以及时的做出预警分析。

2.4 基于无线传感网核电监测网络节点能耗分析

在核电安全监测无线传感器网络中，监测传感器节点一般由信息检测单元、信息处理单元、信息传输单元和能量供应单元4部分组成。信息检测单元负责检测核电设备及周围运行环境的温度及振动的状态信息；信息处理单元负责对检测单元检测到的数据信息进行存储、处理；信息传输单元负责将处理完的数据信息进行传输，传输到附近的监测节点或者汇聚节点。信息传输单元有发送、接收、空闲和睡眠4种状态，根据节点的监测任务在这4种状态间切换；能量供应单元为信息监测单元、信息处理单元和信息传输单元提供工作所需要的能量。在进行核电安全监测时，先由信息检测单元对核电设备运行状态进行检测，然后对检测数据进行处理，然后经传输单元传送到远端进行综合预警分析[4]。

核电安全监测无线传感器节点的能量供应单元在使用周期内无法进行能量补充，能量供应单元携带的能量一般很有限，为了保证监测的稳定性和连续性，需要研究节点能量管理优化技术，以最大限度延长监测网生命周期。核电安全监测节点的能量消耗主要集中信息检测单元、信息处理单元和信息传输单元等模块上。核电安全监测无线传感器节点的能量消耗如图2所示，能量消耗主要发生在数据传输单元上，信息检测和处理单元的能量消耗是很有限的。而且，无线传输的能量消耗和节点传输数据量、传输距离等相关，通过研究节点的布局来实现能量管理的优化。

图2 核电安全监测无线传感器节点结构

2.5 基于无线传感网核电监测网络节点能耗模型

基于无线传感网的核电安全监测网络节点的能量消耗主要集中在数据传输单元，在发射端能量消耗主要是发射电路和功率放大电路产生，接收端主要能量消耗是由接收电路产生。发射端消耗能量如公式(1)所示，接收端消耗能量如公式(2)所示：

(1)

Erx(k)=kEelec

(2)

2.6 基于无线传感网核电监测网络节点布局优化

基于无线传感网的核电监测网络由很多个检测节点组成，为了最大程度的延长监测网络的使用寿命，从整个网络节点布局优化的角度出发，研究合理的节点布局结构，减少因为布局不合理带来的能量损耗[5]。假设：

1)监测网络区域长度为L，基站位于区域的一侧；

2)每个检测节点初始能量均为e，节点发送单位数据的能量消耗为et，接收单位数据的能量消耗为er；

3)节点感知的区域内单位长度的数据生成速度为λ；

从整个网络的角度分析节点的能量消耗，将线性区域均匀划分为n个小区域，如图3所示。设每个区域分别为a1,a2,…,an-1,an，设每个区域的长度为d，则d=L/n。

图3 传感器能耗分析图

设网络生命周期T为网络生成到网络中某一个区域能量耗尽的时间，T=min{T1，T2，…，Tn}。要使整个网络有最长的网络生命周期，就必须均衡各个区域的能量消耗，即满足T1= … =Ti -1=Ti= … =Tn，即区域的总能量和能量消耗速度满足：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

当节点按照上式的节点密度部署时，整个网络的能量消耗均衡，即满足：T1= … =Ti -1=Ti= … =Tn，网络的生命周期为：

(8)

当采用均匀部署时，ρ1=ρi=ρn，由于区域an承担更多的通信负载，其能量最快耗尽。因此，均匀部署下的网络生命周期为：

(9)

结合式(6)和式(7)可得，节点非均匀部署网络生命周期与节点均匀部署网络生命周期的比值为：

当节点采用非均匀部署方案时，整个网络的生命周期提高约为两倍。由于检测地点、检测对象的特殊要求，当网络中感知节点的位置已经确定时，假设区域ai里感知节点和中继节点的密度函数分别为ρsi,ρri，由ρsi+ρri=ρi可得区域ai内需要部署的中继节点的密度函数为：

(11)

3 仿真分析

针对不同的应用场景，提出了区域化节点优化部署方案，并通过理论推导证明区域化节点优化部署方案的生命周期约为均匀部署方案的2倍。以Matlab为仿真工具对节点优化部署方案进行实例分析。

以Matlab为仿真工具对3个不同的应用场景进行仿真，假定每个节点的初始能量e=1000 J，每个感知节点的感知数据包大小为1兆字节(k=1024*1024*8比特)。应用场景1：感知节点数n=5，节点间的距离d={400,400,400,400,400}；应用场景2：感知节点数n=5，节点间的距离d={500,400,400,300,300}；应用场景3：感知节点数n=10，节点间的距离d={400,400,400,400,400,400,400,400,400,400}；仿真结果分别如图3、图4和图5所示。

图4 传感器传输模块能耗原理图

图5 节点优化部署

图6 中继节点优化部署实例分析1

图7 中继节点优化部署实例分析2

图8 中继节点优化部署实例分析3

从图6～8可以看出，网络生命周期不断增大，因为源节点传输距离的减小，部署在感知节点间的中继节点数增大，相邻节点间的传输距离变小，每个节点的传输能耗减小。但随着部署的中继节点数量增加，网络成本也开始增加，从6～8图可以看出，网络效率曲线为向下的抛物线，因此在实际应用时，需要网络的部署成本，而不能过度追求网络的生命周期。当源节点的传输距离分别为120 m、120 m、140 m时，网络效率值最大。

4 结论

研究了核电安全监测网络的基本架构，在分析无线传感器网络能耗模型和能量消耗的基础上，以最大程度延长监测网络生命周期为目标，研究了核电安全监测网络节点优化部署方案；并通过理论推导证明其生命周期约为均匀部署方案的2倍；最后，以MATLAB进行仿真，验证本提出的节点布局优化策略可以有效提升系统的生命周期，保证了监测网络的有效性和可靠性。

[1] 张生玲，李 强.低碳约束下中国核电发展及其规模分析[J]. 中国人口资源与环境, 2015, 6: 47-52.

[2] 张平华, 核电厂现场无线通信网络的设计与应用[J]. 电子技术与软件工程, 2015, 13:30-30.

[3] 刘永阔, 夏 红, 等.核电设备监测与故障诊断系统的研究[J]. 原子能科学技术, 2008,42(3): 200-205.

[4] 王云飞, 基于ZigBee的高压带电体温度监测系统研究[J]. 无线互联科技,2015, 10:61-70.

[5] 林小兰,肖明波.无线传感器网络MAC层协议的分析比较[J]. 现代电子技术, 2010, 27: 33-36.

Nuclear Power Safety Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

Yang Haifeng, Song Zurong

(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082， China)

The development and use of new energy sources are becoming more and more popular all over the world under the requirement of low carbon economy and sustainable development of energy. Nuclear power in the field of new energy efficiency, power quality is the most stable in recent years has made great progress and fruitful results, however, the Fukushima nuclear radiation accidents obstruct nuclear power development, nuclear safety issues have been raised to the height of hitherto unknown. Nuclear safety monitoring system of sensor network adopt four layer structure:“detecting layer-access layer-gathering layer-Data Center” based on sensor network, real-time acquisition of key equipment of nuclear power plant operation status and parameters, and through the sensor network transmission to a remote server of the data collected in the data center, data mining and data fusion the real-time monitoring and prediction, the running state of the nuclear power plant, to ensure the safe operation of nuclear power plant. The life cycle of nuclear power safety monitoring network is the premise and foundation of the whole network using reliability and stability, and the energy management method of the monitoring network is studied from the point of view of node layout optimization.

nuclear power safety; sensor network monitoring; energy management; node layout

2016-10-11；

2016-12-03。

杨海峰(1976-)，男，湖北黄冈市人，硕士，高级工程师，主要从事核安全审评方向的研究。

1671-4598(2017)04-0036-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.012

TP273

A