核事故应急救援数据库系统设计与应用

刘 杰 郑晓磊 龙鹏程 王 芳 汪 进

1（中国科学院核能安全技术研究所中子输运理论与辐射安全重点实验室 合肥230031）

2（中国科学技术大学 合肥230026）

核事故应急是为了控制、缓解和减轻核事故后果而采取的不同于正常秩序和正常工作程序的紧急行为，是政府主导、企业配合、各方协同统一开展的应急行动，是一项技术性、社会性、政治性很强的社会系统工程，涉及社会多种力量的协调配合［1］，是核安全纵深防御的最后一道屏障，是保障核能事业可持续健康发展的重要环节［2］。核事故场外应急响应是地方政府在核事故情况下，为保护场外公众免受或减轻场外后果影响而采取的行动［3］，是核应急的最高响应级别。在我国的三级应急响应管理体系中，地方核事故应急协调委员会负责统一指挥场外核应急响应行动［4］。

2011 年3 月11 日，日本本州岛东海岸发生里氏9.0级特大地震，而日本政府在调动各类水资源时，由于缺乏高效、协调、统一的方案，效率极其低下，致使福岛核电站的1～4号机组相继发生大量放射性物质泄漏。日本政府启动场外应急响应，事故等级最终调至最高等级（7 级），引发了全球对核事故应急能力的反思［5-6］。日本福岛核事故的经验和教训表明，完善的应急救援组织体系和准确完备的应急救援数据是确保核事故场外应急响应行动及时、科学、高效地开展的前提条件［7］，场外应急响应行动需要对核事故周边区域的各类数据和信息进行收集和了解。为此，建立一套信息化、数字化的核事故应急救援数据库是实施核事故场外应急响应行动的重要保障。核应急决策支持系统JRODOS 所使用的数据库系统PostGres SQL 为应急决策支持提供了便捷的查询和分析能力［8］；刘占阳等［9］面向研究堆事故实现了基于J2EE 和ESB 的应急数据系统，并验证了该系统的有效性。然而，现有数据库系统数据完备性不足，缺乏基于不同数据分类的应急决策支持分析。

本文基于GIS地理信息系统，构建面向核事故应急指挥的核应急救援基础数据库系统，实现事故信息、应急救援力量、救援物资及人口分布情况等的可视化直观展示与决策支持。

1 系统结构体系

本系统基于中国科学院核能安全技术研究所凤麟团队自主研发的数字社会环境下的虚拟核电站Virtual4DS平台进行研发［10-11］。系统以行政区划数据、点线面矢量数据和影像数据构建的业务地理信息环境为核心，结合核事故应急相关业务数据，旨在建立具备数据查询、数据导入与导出、应急决策等功能，满足核事故应急救援指挥需求的数据库系统。系统采用基于MVC的多层架构模式，包括数据服务层、业务逻辑层和界面显示层等。系统的总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图Fig.1 System architecture

数据服务层包括地图数据、涉核目标数据、文档数据和放射性核素数据，其中地图数据和涉核目标数据以Shapefile 文件和SQLite 空间数据库两种矢量数据格式存储，放射性核素数据以TIFF和IMG 文件的栅格数据格式存储，文档数据以SQL Server关系型数据库存储，系统支持连接标准服务获取地理信息数据。

业务逻辑层基于数据服务层提供的数据服务，结合业务需求，将各种服务进行集成，实现地图操作、数据管理、数据查询与可视化展示、应用功能等各种综合业务应用。

界面显示层用于实现业务操作的人机交互及可视化显示，在Visual Studio 2010 环境下，利用C++语言进行系统开发，并采用Qt 4.8来完成系统界面设计。

2 系统功能

根据核事故应急救援数据库的功能需要，本系统主要分为地图操作模块、涉核目标信息显示模块、参考文献查阅模块、数据管理模块、分类查询与可视化模块和应用功能模块，如图2所示。

图2 核事故应急救援数据库系统功能结构图Fig.2 System function chart of nuclear emergency response database

2.1 地图操作

系统支持用户将地图图层以SHP 格式的数据格式进行导入、导出和要素编辑等操作，地图风格保存在QGIS 文件中，用户可通过QGIS 软件客户端进行图层的显示管理。矢量数据通过图层概念存储，单个图层、要素都有自己唯一的ID 或者唯一字段名称Name 进行要素区分，通过ID 或Name识别实现与数据库中数据信息的关联以及界面人机交互数据的存储与传输。

2.2 涉核目标信息显示

涉核目标信息数据包括基础数据、地理信息数据、应急力量数据、应急预案数据、资源储备数据和支援力量数据，数据关联关系如图3 所示。系统基于此关联关系，实现设定范围内涉核目标数据的实时显示与更新。

基础数据包括涉核目标的单位概况和可能发生的事故类型；地理信息包括涉核目标周边人口分布、地形地貌、气象水文、交通信息等数据信息；应急力量包括涉核目标所属应急救援专业力量的编成、配套装备、数量等基础信息；应急预案包括国家、地方及涉核目标单位各级制定的核事故应急方预案数据；资源储备包括涉核目标周边储备的核应急装备、物资和技术信息数据；支援力量包括承担涉核目标定点支援任务的应急专业力量的基础信息。

图3 涉核目标信息数据关联关系图Fig.3 Relationship of information related to nuclear objectives

2.3 参考文献查阅

参考文献数据包括法规标准数据、基础理论数据和案例分析数据。本模块支持对各类核应急参考资料的分类展示、查询与在线阅览。

法规标准分为国家法规、地方法规、各涉核单位规定和相关技术标准四类；基础理论分为核电站基础知识、核设施基础知识和其他基础知识三类；案例分析分为核电站事故、核设施事故和其他核事故三类，案例主要提供国内外典型核事故发生过程、原因和对我方启示。

2.4 数据管理

数据管理模块包括数据的录入、编辑、修改、导入、导出以及系统权限设置功能。系统区分国家级、地方级和涉核单位三个层次的数据管理权限，国家级权限能够查询、编辑、修改、导入、导出全部数据库的数据信息；地方级能够查询、编辑、修改、导入、导出本省市范围涉核目标相关数据信息；涉核单位仅能查询、编辑、修改、导入、导出本涉核目标相关的数据信息。

2.5 分类查询与可视化

系统基于已有地理信息库，实现涉核目标的地理定位；基于地图图形化界面，配合系统查询选项，可视化显示涉核目标及其周边应急力量、应急装备、保障资源、支援力量的分布情况。

基于涉核目标的坐标数据及相关数据的空间关联关系，能够实现全部涉核点位及其周边应急力量、保障资源、支援力量的精确定位；通过类别选择，可单独在GIS地图中显示涉核目标周边应急力量、保障资源、支援力量的具体分布情况，指导决策人员进行救援队伍调度；通过设置距离范围参数，能够查询并可视化显示涉核目标周边不同距离范围的周边地理信息、应急力量、应急方预案、保障资源、支援力量分布情况等信息；能够对各类数据信息进行索引，并支持不同种类信息的组合查询与可视化显示。

通过各类救援数据的查询与可视化展示，可为决策人员进行救援队伍及物资调度、救援路径规划等救援方案的制定与优化提供快速、可视的数据支撑。

2.6 应用功能

应用功能模块基于辐射环境数据以及涉核目标信息数据进行分析，为核应急决策人员开展核应急资源调配、救援路径规划等应急行动方案提供支持。

支持用户导入放射性核素烟羽扩散、辐射场模拟等辅助计算结果，并基于实时辐射场变化情况，结合应急预案中相关操作干预水平的标准生成不同区域撤离、隐蔽、服碘等辐射防护行动建议；本文根据实时剂量场数据、路径时间、涉核目标周边应急资源分布数据，基于改进Dijkstra 算法对在救援过程中的集体人员剂量进行综合评估，优化场外救援路径与资源调度路径方案，同时在场内基于改进的A*算法对维修作业及人员救援路径的行进时间、总剂量代价和平均剂量代价进行对比，规划处最优路径。

3 验证案例

依据《中国的核应急》白皮书及《核安全法》对当前中国核应急能力建设的要求，本系统主要为核事故后果评价与决策支持系统的资源调度、应急防护及应急撤离等技术提供数据支持与决策分析。以大亚湾核电站假象氢气爆炸重特大事故为例，安全壳上方20 m 处产生爆炸破口，直径约1 m，131I、134Cs、137Cs 等大量放射性物质向环境释放，事故发生后需对场外30 km内的人员进行迅速撤离，救援力量需迅速抵达事故现场进行事故压制及人员救援行动。据此，本文构建了大亚湾核电站周边包括地理信息、气象水文、交通、应急力量、支援力量、物资储备、应急预案、法规标准、典型案例等应急救援数据库。在场外应急救援过程中，需要适时决定选用场外应急防护措施、组织民众撤离的路线推荐、资源调配方案。大亚湾核电站周边详细信息数据分布如图4 所示。图4中的地图图层为广东省真实地图数据，其余数据均为试验数据。

图4 大亚湾核电站周边详细信息数据显示图Fig.4 Detail information around Daya Bay Nuclear Power Plant

假设大亚湾核电站事故发生后导致放射性核素向周边扩散，可以通过气象水文信息及地理信息为大气与水域核素扩散提供计算边界条件，从而根据计算结果对操作干预水平进行修正，及时发布防护命令，如图5所示。

图5 放射性核素扩散区域显示图Fig.5 Description of radionuclides dispersion

事故发生后大亚湾核电站需要在120 min内增援救援车辆20 辆，在此过程中需要消耗92#汽油1 000 L，基于本系统对大亚湾核电站周边150 km范围内储备有92#汽油的加油站进行查询，为核应急决策者提供更为直观的数据展示，如图6 所示。根据每个加油站92#汽油的存储量以及预计用时自动规划调配方案并生成查询报告，如图7所示。

图6 大亚湾核电站周边150 km范围内含有92#汽油加油站信息查询与可视化图Fig.6 Information query and visualization of gas station 92 in a 150 km around Daya Bay Nuclear Power Plant

图7 调配方案自动规划及查询报告显示图Fig.7 Description of automated planning of deployment scheme and query report

根据气象水文信息、地理信息、交通信息以及辐射环境数据，根据民众撤离路线规划模型计算不同路线上的风险值，并在图上智能推送撤离路线，为决策人员提供支持，如图8所示。

最后通过应急预案、法规标准、典型案例等数据信息查询为核应急决策者提供辅助决策功能，提高决策效率，确保应急响应过程中符合相关法规标准，如图9所示。

图8 应急撤离路线显示图Fig.8 Description of emergency evacuation routes

图9 法规标准查询界面图Fig.9 Information query of regulatory and standard

结果表明，本系统可实现涉核目标周边信息数据的存储、地图关联与查询，并可根据目标需求自动生成资源规划调配、应急撤离及应急防护方案，在事故情况下可为应急决策人员提供直观的数据展示与方案辅助支持。

4 结论

本文设计研发的核事故应急救援数据库系统为核应急决策人员提供可视化的数据展示平台。决策人员可以在该系统中实现涉核目标事故应急救援中周边应急力量、应急装备、保障资源、支援力量等的可视化显示与查询以及参考文献资料的在线读取与操作干预水平等标准数据的快速查询，为核事故条件下路径规划、资源调配、辐射防护行动建议等应急救援决策提供辅助支撑。基于本文研发系统，未来可支持核事故应急救援过程的二维态势和三维场景可视化展示，服务于国家、各省市及地方核应急单位的各级核应急演练与实战，同时可在国际联合应急救援中发挥重要数据共享与支撑作用。

致谢对中国科学院核能安全技术研究所凤麟团队的支持和帮助表示衷心感谢。