基于北斗RDSS的核辐射监测应急通讯方法①

王廷银,林明贵,陈 达,吴允平

1(福建师范大学光电与信息工程学院,福州 350007)

2(福建省辐射环境监督站,福州 350013)

3(福建省光电传感应用工程技术研究中心,福州 350007)

4(数字福建环境监测物联网实验室,福州 350007)

1 引言

我国北斗RDSS的短报文通讯功能极具特色,能将通讯覆盖到广袤的崇山峻岭及荒凉的孤岛等,非常适合我国地理地貌特征的通讯需求,已在国防工程、交通运输、海洋观测、抗震救灾、核电工程等诸多领域得到深入应用[1-9].但民用北斗报文服务还存在：单次通信容量有限、通信频率有限(通常一分钟一次)、丢包率较高等问题.在行业中应用和推广北斗系统,需要结合数据特点开展针对性研究与设计[10-17],重点解决好两个问题：协议设计和会话机制.

李文金等[18]结合Redis应用,通过扩展北斗短报文传输协议,提出最大重传次数和超时等待控制因子,建立北斗长报文传输差错重传机制,实现对长报文丢包的差错重传功能,可控制“盲目发送”现象,提高有效信息率.张志峰等[19]提出了一套应急情况传输机制,将信息按照紧急程度进行划分,优先发送重要信息.为解决电力遥控实时性问题,傅宁等[20]在馈线终端中加入北斗多卡管理机制,将遥控数据与遥测、遥信数据分别采用不同的卡进行传送.

国外发达国家核辐射监测较早实现了数字化、智能化、网络化等[21-23],新技术进步如通讯网和无人机等推动了设备向便携性好、功能全、性能可靠等发展,整体趋势是一机多能、高可靠、宽量程以及平台综合集成[24].近年来,我国科技的发展也体现在核辐射监测领域[25-30],整体跟进了国际的发展趋势,自主研发的“华龙一号”已成为中国制造的一张名片,核电基地周围辐射环境监督性监测已形成了国家辐射环境监测网[31],技术方案成熟、可靠[32].我国核电以濒海为主,按照规范要求,监督性监测站围绕核电厂环形放射状设置,有一些站点就会在核电外围的岛屿上或深山中,易被台风、暴雨等自然条件因素影响,存在通讯中断、宕机等问题[33,34]；文献[35]研制了基于4G与北斗卫星通信技术的环境辐射监测仪,通过北斗卫星短报文通信与4G移动通信实时上传辐射剂量信息与定位信息,在无线网络覆盖区域采用4G移动通信,否则采用北斗短报文,但未进一步就如何克服北斗通信的局限性即通信频率一分钟一次进行详细说明.

由于核辐射监测的数据产生速度快,状态指示重要,因此,将北斗卫星通信作为核辐射监测站的第二应急通讯通道,需研究探索一种可靠的、高效的应急通讯方法,优先将数据池中最有辐射特征的数据上报中心,扬北斗之长,避北斗之避,是现实需求的驱动,也具有实际意义.

2 核辐射监测中北斗RDSS设计

通常,省控辐射环境自动监测系统由外围监测子站、传输网络和省数据中心组成[36],系统架构如图1所示.子站设备有气象仪、感雨传感器、高压电离室、NaI谱仪、各种采样设备等；省数据中心可监控、存储各类辐射、气象、子站状态的数据,具有对各子站的监测设备进行远程管理、生成报表,提供日报、月报、季报和年报输出功能；传输网络以公网VPN方式为主.子站基于工控机设计实现,由数据采集模块、数据传输模块等组成,模块化设计好,独立性强,硬件资源富裕,有多个RS-232接口,方便与北斗模块直连；子站与省数据中心采用C/S结构,多任务处理有序,具有较强的数据处理能力,为在核辐射监测中开展北斗RDSS应急通讯提供了较好的硬、软件支持.

图1 省控辐射环境自动监测系统架构图

由于现有应用系统整体的数据结构、存储方式和通信交互等已成熟定型多年,仍然在役运行,因此,在这样的系统中新增北斗RDSS作为第二通信通道,应以对原有系统影响小甚至没有影响为要.

2.1 硬件设计

通过串口新增北斗控制电路如图2所示.

图2 北斗控制电路图

图2中,U101为福大北斗FB-CZ-01型北斗通讯机,U102为工控机串口,U103为DC-DC模块,为U101供电,U104为串口电平转换芯片,二极管D1、电阻R1R2R3、三极管Q1组成一个北斗模块供电的控制电路,受串口第7引脚RTS端控制,具体方法是：当RTS信号有效接通时,Q1导通,U103的En端为低电平,U103断电状态即北斗模块未通电,当RTS信号无效断开时,Q1截止,U103的En端为高电平,U103工作状态即北斗模块通电工作,从而为北斗上电初始化、低功耗应用等功能提供硬件支持[37]；图2中,北斗模块的1PPS(1 Pulse Per Second)信号亦通过电平转换芯片U104后接入到系统,为系统基于北斗系统开展精确授时提供信号源.

2.2 流程设计

北斗RDSS作为第二应急通信通道的双通道通信架构如图3所示,当公网正常时,以公网作为首选第一通信通道,按照协议规范和中心平台进行数据通信交互,当公网异常时,则切换北斗启用作为第二应急通讯通道,将当前最新或最紧急的数据发送到中心.与北斗RDSS通过串口接入系统的硬件设计相比,如何将北斗的通信切换和驱动控制接入在役软件系统中,涉及的细节更多,考量的要素更细.因此,在子站数据库中新增一个与北斗通信相关的数据表,即北斗待发数据表；新增一个北斗通讯定时器资源,周期根据北斗通信频率时长设定大于60秒,定时对北斗待发数据表进行操作.北斗通信软件流程如图4(有底色框代表新增部分),流程上分两步进行：首先,当检查到公网VPN出现异常如无信号和无应答时,将待发数据插入到北斗待发数据表；其次,在北斗通讯定时器中断服务程序中,检查北斗待发数据表中是否有记录,如果记录说明有数据需要通过北斗进行通讯,就对这个表中的记录数据进行优先策略分析计算,然后将优先级别最高的数据优先发送,并修正相关参量,准备下一次的定时中断服务.

图3 公网/北斗双通道通信架构图

图4 北斗通信软件流程图

2.3 数据优先策略

目前,核辐射监测数据通过公网VPN第一通信通道的上数频率是：实时数据3秒,5类统计数据(1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、1小时)到点上报,这个上报频率远远高于北斗短报文至少每60秒一次的限制,因此,需要综合数据时间、数据类型以及重点监测参数如总剂量、伽玛剂量率数据情况进行优先级分析,把最重要的数据优先发送,才能有利于发挥北斗第二应急通讯通道的效能.

设计的北斗待发数据表BD_FIFO如表1所示.由数据时间、数据类型、总剂量率、伽玛剂量率以及北斗发送次数字段组成,亦作为数据优先级分析的参数数据源.依据核辐射监测的数据时间、数据特征和北斗通讯特点,将这些参数设定权重,构建一个权重矩阵A,通过对BD_FIFO表中每一条数据记录进行分析计算,对数据时间进行排序,而总剂量率、伽玛剂量率根据放射性数据分析方法分别获得4组结果,指示当前记录的总剂量率、伽玛剂量率数据是否在本底区间、1区间、2区间、3区间,这些数据分析结果构成P1,如图5所示,表中所有记录的P1构成了数据矩阵P,最后,将数据矩阵P和参数权重矩阵A进行计算,公式如下：

表1 BD_FIFO结构数据

图5 数据分析结果

从而,获得表BD_FIFO中各数据记录的评估值Ki,然后根据Ki的数值大小,将优先级最高的数据通过北斗RDSS发送,之后,将这条记录的北斗发送次数字段BD_Try内容修正减一操作回存.

这个数据优先策略,把数据时间、数据类型、重点参数等纳入评估要素,可以对第一通讯通道异常时积压形成的数据池进行分析,优先将池中最有辐射特征的数据上报,系统具备网络通讯无缝衔接的同时很好地平衡了快速的实时数据与较慢的通讯速度之间矛盾.

3 结论及展望

项目研究成果已在福建省宁德核电站的嵛山岛等监测站试点应用,软件界面如图6所示.

测试期间,通过了多次模拟断电、断网压力的测试,如表2所示；投入实际运行后,对从2017年11月至2019年3月底数据分析,特别是在恶劣自然环境下(台风、暴雨等)的通讯效果,监测站数据发送和前沿数据主站接收均能稳定工作、网络通讯能无缝衔接,数据传输率(实际传输数据数/设备应传数据数)为99.5%,通过将接收的数据与自动站工控机数据实施比对,数据未出现误码情况.

图6 前沿平台北斗界面

实际运行情况表明,该方法有效,实现了在核辐射监测领域应用北斗作为第二应急通讯通道,目前,福建省辐射环境监督站将在此基础上继续推广北斗系统,提高辖区内孤岛/深山的自动监测站应急通讯能力.本方法还可为其他行业开展类似北斗应急通讯提供借鉴.

表2 应急通讯测试数据