一套核设施周界γ辐射监测系统改造

欧阳红平 刘善清

摘 要：本研究针对在原子能院周界γ辐射监测系统故障排查过程中发现的信号传输、数据采集、数据库和展示软件等问题进行技术改造。改造之后系统的结构更加简化，功能可扩展性更好。五年多的运行实践表明，本次改造后的系统性能稳定，能在野外恶劣的环境中长期运行，可为相关系统改造实践提供参考。

关键词：核设施;周界;辐射监测;改造

中图分类号：TL811.1      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）11-0047-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.010

Modification of a Nuclear Facility Perimeter Gamma Radiation

Monitoring System

OUYANG Hongping1    LIU Shanqing2

（1.China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China;2.CNNC LiXin（Beijing）Technology Co.，Ltd，Beijing 100048，China）

Abstract：In this study，the problems of signal transmission，data collection，database and display software found in the troubleshooting process of the perimeter gamma radiation monitoring system of the Institute of Atomic Energy are reformed.After the transformation，the structure of the system is more simplified and the function is more expansible.More than five years of operation practice proves that the system has stable performance and can withstand the test of long-term operation in wild harsh environment.This work can provide reference for relevant system transformation practice.

Keywords：nuclear facility;perimeter;radiation monitoring;reconstruction

0 引言

随着我国核能产业的快速发展，对核电站等核设施周边的γ辐射进行连续在线监测具有十分重要的意义。国内典型的核设施周界γ辐射监测系统有大亚湾KRS系统[1]、秦山核电环境γ辐射监测系统[2]、田湾核电监督性监测系统等。原子能院周界γ辐射监测系统是应相关核安全法规的要求，建立起的一套布设在厂区周界的连续γ辐射监测系统。该系统的主要作用包括：对原子能院周界γ辐射水平进行日常监督性监测;及时识别放射性烟羽的异常排放;在核事故情况下，实时获取厂区周界的γ辐射水平，为应急辅助决策提供技术支持。

1 周界辐射监测系统概述

周界辐射监测系统共有有线传输型GM探测器28个，其中厂界固定式GM管监测单元有24个（1#～24#），分布在厂区边界，约200 m布設一个监测点;监测站固定式GM管监测单元4个（25#～28#）分别布设在厂区内四个监测站楼顶。高气压电离室有4个，分别安装在厂区内四个监测站楼顶。所有探测器的供电都是由4个监测站引出市电（220 V）提供的，各监测站内配电箱连接有UPS不间断电源，确保在核事故应急情况下能维持系统运行12 h。各监测子站均安装有数据采集器，负责采集并转发该监测子站所有设备的监测数据。数据采集器将从前端探测器获取的数据用光纤收发器转换后，再通过光纤传输至应急指挥中心。系统结构示意图如图1所示。

2 存在的问题

周界γ辐射监测系统为原子能院自主设计的厂区外围γ辐射监督性监测系统。该系统于2011年投入运行后，为原子能院提供了大量的监测数据。但由于该系统涉及的户外电子设备和线缆较多，多处设施老化严重，导致系统出现故障的频率逐渐增大，频繁检修导致该系统无法正常运行。从2016年开始，该系统多处出现故障，应急指挥中心已无法获取任何数据，亟待进行改造。

运行人员通过排查检修，发现系统故障主要有11种，分别是：GM管探测器故障、RS485通讯线缆故障、信号中继器故障、220 V电缆故障、UPS故障、数据采集器故障、光纤收发器故障、光纤故障、服务器故障、数据库运行查询缓慢、展示软件无法读取数据。通过对系统架构进行仔细分析研究，结合运行实践经验，找出系统频繁发生故障的关键是信号传输、数据采集、数据库和展示软件等过程存在问题。

2.1 信号传输问题

RS485信号线布设在镀锌钢管中，镀锌钢管沿厂区围墙布设在实体保卫内。信号线总长约5 500 m。在现场检测过程中发现多处信号线存在短路问题。初步判断原因为：白天镀锌钢管受太阳曝晒导致内部高温，夜晚由于气温下降，钢管内壁有水珠凝结，信号线长期处于湿度较大的环境中，导致其老化速度加快;部分镀锌钢管点位未做好防水工作，雨水通过镀锌钢管连接处或管口渗入到钢管内部，导致信号线浸泡在水中，从而被腐蚀;使用的RS485信号线缆为市面上普通的双绞单屏蔽电缆，其不具备耐高温和抗腐蚀性能;信号线缆使用年限较长，已严重老化。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

改造前，220 V市电供电电缆和RS485信号线（电压一般为3.5～5 V）接在检修盒的同一个线排上。系统在检修时，需要在狭小的空间进行信号检测、电压检测、螺丝紧固等工作，有触电危险（见图2、图3）。

2.2 数据采集问题

数据采集器将各监测站的GM管和电离室的信号进行汇总后，通过光纤传输至终端服务器。改造前各监测站都安装有两台数据采集器，一台数据采集器用于接收电离室的数据，另一台数据采集器则用于接收GM管的数据。两台数据采集器的功能较为简单，仅作为数据转发设备，无本地存储功能。当多个数据采集器发生故障时，将导致系统无法正常运行（见图4）。

2.3 数据库和展示软件问题

服务器端安装配置了两个数据库，一个数据库存储前端GM管探测器上传的原始计数信息，另一个数据库则存储解析后的剂量率数据（单位：nGy/h）。由于GM管发送的原始计数字符串在1 s内上传至服务器，导致数据量大，容易出现“丢包”现象，造成最终取平均值得到的剂量率数据不准确。由于原始计数信息中的冗余信息量大，占用内存较多，且两个数据库之间存在接口，再加上服务器长时间运行后，数据不断累积，导致上位机查询数据库数据的效率十分低，甚至经常发生“卡死”现象。

3 改造实施

改造项目不同于新建项目，需要充分考虑多方面因素，如哪些设备可以继续使用，哪些设备需要改造或升级，还需要考虑设备的兼容性、成本等问题。实际上，改造项目有时候比新建项目的难度更大。下面对信号传输、数据采集、数据库和展示软件的改造进行阐述。

3.1 信号传输线路改造

3.1.1 更换信号线。由于GM管之间是通过RS485信号线进行信号传输的，因此RS485信号线的可靠性是关键。本次改造定制了一种双绞双屏蔽的信号线缆。相比原来的铜芯导体铜网屏蔽聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套的信号线缆，该线缆有以下优点：镀锡铜导体镀锡屏蔽相比铜芯导体铜网屏蔽的耐腐蚀、抗氧化性能更好;相比于聚氯乙烯绝缘材料，交联聚乙烯绝缘材料的耐热温度从60 ℃提高到90～100 ℃;排流导线和铝箔屏蔽使信号线的抗干扰能力更强。本次改造将原来的信号线全部更换为此种定制线缆，提高了信号线的耐腐蚀、耐高温和抗干扰性能，使之更适合在户外长期使用。

3.1.2 新增信号接线盒。为了解决检修时的安全隐患，在每个GM管监测点位新增一个转接盒，将市电和弱电分开。市电转接盒内添加一个空气开关，需要断电时断开空气开关即可，从而避免拆卸电源线等烦琐操作，杜绝安全隐患。

3.2 数据采集改造

本次改造对系统结构进行了优化。仅用一个数据采集器对数据进行接收，该数据采集器的RS232串口用于接收电离室的数据，RS485串口用于接收GM管的数据（见图4）。该数据采集器有以下特点：采集器将采集到的GM管探测器、电离室原始计数信号转换为剂量率数据后再发送至服务器，从而大大减少了数据转发量，可有效避免数据“丢包”现象的发生;其内置的大容量SD卡对剂量率数据进行备份，一旦数据采集器到终端服务器的传输链路中断，可以将采集器的本地数据导出;其程序可实现远程升级，无需到现场对程序进行更新，从而减少了日常维护的工作量;其核心部件为嵌入式Linux主板，内置硬件看门狗，当系统出现故障时，能自主恢复。该数据采集器提供8个硬件输入输出接口，理论上只要有通信协议，就可以进行设备添加。该设计有利于系统的功能扩展。由于γ空气吸收剂量率受大气中氡浓度和降雨等因素的影响[3-4]，为准确分析γ辐射的测量数据，建议添加气象观测仪（观测要素包括风速风向、温湿度、雨量、大气压）和大气氡浓度监测仪。

3.3 数据库和展示软件改造

本次改造项目建立了一个SQL server数据库，用于存储前端数据采集器上传的剂量率数据。设置电离室数据频率为每1 min一条数据，GM管的数据上传频率为每5 min一条数据。按照年份创建数据库表，每一年份使用单独的表，这样可以提高数据存储和检索的速度。本次改造重新开发了展示软件。展示软件用于展示厂区各监测点的剂量率数据，具有数据查询、历史数据导出、参数设置、報警提示等功能。通过GIS地图将各个点的数据直观地展示到地图上。各个站点上传的剂量率信息可以通过表格的方式展现出来，方便浏览短时间内的历史信息;通过实时剂量率趋势图，方便对某个站点的剂量率走势图进行直观判断。另外，可以在客户端远程查看各站点设备的工作状态。

4 系统改造后的效果

在本次改造后，系统恢复了正常运行，且运行更加稳定，故障率大大降低。在环境辐射状况相对稳定的情况下（如无降雨、核设施排放的气载放射性可忽略等），γ剂量率监测数据相对稳定。

氡钍子体为环境γ辐射剂量率的主要来源之一。由于降雨期间，氡钍子体或空气中的放射性烟尘随着雨水的沉降被冲刷到地表，会引起地表γ辐射水平的瞬时上升。图5为北京市2021年7月12日一次降雨期间位于气象站屋顶的第28号监测点γ剂量率的变化曲线。

从图5可以看出，降雨使剂量率增加了约20%～30%，雨停之后地表γ辐射剂量率水平逐步恢复正常，这与郑国栋等[5]在试验中观察到的现象是一致的。

5 结语

本研究对周界γ辐射监测系统进行改造，增加了系统功能的可扩展性，同时简化系统架构，使得系统更加稳定。信号线缆的改造使得系统能够经受户外严峻环境的长期考验，总体上来说本研究的改造取得了良好的效果。但该系统仍然存在着GM管待升级、单一通信方式可靠性不高等问题，有待后续进一步升级。总之，不断总结经验并对系统进行完善，对原子能院的环境监督性监测具有十分重要的意义。

参考文献：

[1] 熊建平，周文平.一种新型的γ辐射监测系统[J].核电子学与探测技术，1998（3）：49-52.

[2] 刘建，杨斌.秦山核电基地外围环境γ辐射连续监测系统[J].辐射防护，2005（5）：296-304.

[3] 殷荫，王南萍，付宸，等.空气伽马吸收剂量率影响因素研究[J].东华理工大学学报（自然科学版），2012（1）：61-65，74.

[4] 赖力明.环境辐射γ空气吸收剂量率连续监测数据非核事故因素的特征分析[J].环境，2011（S2）：68-69.

[5] 郑国栋，宋建锋，杨维耿.环境γ辐射连续监测系统数据分析及探讨[J].中国辐射卫生，2013（1）：85-87.813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227