基于物联网技术的核燃料运输监测管理平台设计构建

□ 吴 腾，李其朋

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518120)

1 引言

安全可靠的核燃料是核电站持续稳定运行的核心。导致核燃料破损的原因和机理是多方面的，从制造、运输及吊装到堆内运行中的任一环节发生问题都会影响燃料的可靠性。目前，随着核电行业积极投身国家“一带一路”建设，核燃料的运输距离将大大加长，核燃料在运输过程中的受损风险也将增加。

目前，国内尚未实现燃料运输全过程的实时监测与风险提醒，也无法有效解决传统核燃料运输方式的封闭性与排他性，“物流运输黑箱效应”和信息断层现象持续存在，增加了燃料组件在长距离运输过程中的受损风险。

综上所述，当前亟需开发一套核燃料运输监控系统，将物联网技术引入核燃料的运输过程，研发适合核燃料长距离运输作业的物流监控实时采集终端和监控系统，实现对运输风险的实时监测、预判与响应，实现核燃料高可靠性运输。

本文详细介绍了核燃料运输监测管理平台总体设计、智能监测终端构建方案和燃料运输监测管理平台软件设计方案。

2 运输监测管理平台总体设计

2.1 平台功能分析

为实现运输过程中货物实时位置、行驶速度、行驶线路、经受的冲击危害等数据的多方可视、共享，实现运输全过程的数据化与可视化跟踪；同时结合监测数据、路况和天气信息，实现在途货物实时监控、风险预判、风险控制，核燃料运输监测管理平台设计了运输监测、平台报警、统计分析、风险预判、应用终端管理、后台管理六大功能模块，具体如下。

①运输监测。对核燃料运输容器的三轴加速度、倾角、气压、位置、容器周围环境的温湿度进行有效的监测，平台软件实时显示监测信息；车辆要满足车辆上下线实时提醒、车辆监控、车辆跟踪、车辆查找、历史轨迹回放以及定时定位车辆查询等，这些功能可以保证对车辆进行实时有效的监控。

②平台报警。平台软件支持接收智能监测终端触发的报警信息，包括振动冲击报警、容器倾斜报警、温湿度气压报警、偏离路线报警、超速报警、非授权开箱报警、历史风险路段报警、电池低电压报警、终端脱落报警和终端模块故障报警等，提高燃料运输的可靠性。

③统计分析。发生冲击报警时，平台软件可以分析冲击方向、强度和车速等，并结合加速度、倾角、车速、视频等监测数据进行原因分析；同时可根据历史数据和路谱，评估减振器性能和容器疲劳寿命。根据数据库保存的数据，可导出用户个性化定义的报表，导出的报表主要有故障报表、加速度分析报表、监测数据报表等。

④风险预判。对每次运输监测数据进行分析，同时结合路况和天气数据，标记风险点，并以文字或图表方式显示统计分析结果并提供警示，车辆每次经过都会进行风险预警。通过建立故障库，构建故障预警模型，当容器或车辆状态达到风险评估标准时，会进行故障风险预警。

⑤应用终端管理。平台软件可以进行终端参数配置、终端控制等；报警模块安装在手持终端中，报警时通过手持终端提醒司机紧急处理，同时随车人员可通过手持终端确认报警信息的准确性并上传图片或视频。

⑥后台管理。对整个平台的基本信息进行记录管理，包括用户、车辆、容器和终端设备信息等；对不同的用户进行授权管理，比如用户管理、角色管理、权限管理以及日志管理等。

2.2 平台整体结构设计

基于上述功能分析，设计与构建运输监测管理平台的硬件与软件。在硬件方面，针对核燃料及其运输容器的监测需求和自身特性，研发智能监测终端，集成加速度、温湿度等多个传感器芯片，监测振动、冲击、跌落、翻滚、温湿度异常、开箱等活动。在软件方面，构建一个平台软件，实现实时位置、车辆行驶速度、行驶线路、经受的冲击危害等数据的多方可视、共享，实现对运输风险的预判和控制。

基于物联网技术，平台采取分层设计，分为感知层、传输层、业务层、服务层和展现层五层，通过RFID、全球定位系统、摄像头和5G等技术，按约定的通信协议，实现智能监测终端和物联网之间的连接，并且相互之间进行通信和信息的交换，实现对燃料运输的跟踪、定位、管理和监控(如图1)。

图1 平台整体结构设计图

感知层包含加速度数据采集、温湿度采集、气压采集、超声波采集、倾角采集、视频采集、BDS定位、RFID电子标签等，负责运输车辆与运输容器的状态识别和感知。

传输层包含数据分析终端和手持终端，手持终端可通过无线通信模块与应用服务器进行通讯，数据分析终端可通过5G通信和北斗卫星通信模块与应用服务器进行通讯，负责数据的传输。

业务层包含应用服务器和数据库服务器，负责数据的解析、处理和存储。

服务层包含接口服务器，负责程序的应用开发，与客户端进行对接。

平台的具体工作流程是：容器监测终端监测核燃料运输容器的状态信息，通过串口通信将工况信息发送至数据分析终端。数据分析终端通过BDS模块获取运输车辆的位置信息和运行信息，再通过5G远程通信模块和北斗卫星模块将位置信息和工况信息发送至云端。云端将收到的位置信息和工况信息存入数据库，并将报警信号发送给手持终端。

3 智能监测终端构建

智能监测终端是运输监测管理平台的底层硬件，主要包括容器监测终端、数据分析终端、手持终端、视频监控系统四个部分。其中，容器监测终端负责核燃料运输容器内外的状态监测；数据分析终端负责运输车辆定位、视频图像采集、数据分析和通信；视频监控系统负责运输车辆前端和后端的视频监控；手持终端负责核燃料运输容器状态显示和报警显示。智能监测终端的整体架构如图2所示。

图2 智能监测终端整体架构

3.1 容器监测终端设备

每个核燃料运输容器配置4个容器监测终端，容器内外各安装2个。每个容器监测终端集成三轴加速度、温湿度、气压和超声波传感器。三轴加速度传感器可以监测X、Y、Z三轴加速度，用来监测容器和组件的加速度状态；温湿度传感器可同时采集温度和湿度，用来监测容器内外的温湿度变化；气压传感器可采集容器内外气体的压强差；超声波传感器通过对容器顶盖距离的监测判定容器是否打开。

容器监测终端的参数见表1，该设备与数据分析终端间通过一根电源通讯线缆进行供电和实时传输监测数据。

表1 容器监测终端参数

3.2 数据分析终端设备

在每个核燃料运输容器外侧底部安装一个数据分析终端，集成北斗定位模块、主控模块、数据加密模块、5G通信模块、北斗卫星通信模块、数据存储模块、倾角检测模块、RFID模块，负责采集容器倾角、定位和视频图像，同时基于多传感器数据融合算法[1]处理该容器4个容器监测终端的采集数据，判断容器是否发生故障并与远端服务器进行数据通信，并存储运输全过程的监测数据。

①北斗定位模块。为了克服卫星信号受遮挡和干扰的问题，平台采用A-BDS定位技术，支持北斗、移动网络辅助两种定位方式，在BDS定位模块无法接收到卫星信号时采用移动网络基站定位技术。A-BDS定位网络结构图如图3所示。

图3 A-BDS定位网络结构图

②主控模块。采用主流低功耗ARM 微处理器，其具有体积小、低功耗、低成本、高性能等优点，还可以根据嵌入式对象的不同特点灵活调整其可实现的功能，在嵌入式微处理器的应用方面具有重要地位[2]。由于ARM 的寻址方式大多在寄存器内即可操作完成，因此灵活便捷、执行效率高，且指令长度固定。

③数据加密模块。加密模块的算法安全引擎为实现各种密码算法的协处理器，外加必要的RAM、FLASH等资源，以及相应的安全防护机制，辅以PCIE等各种外设接口。

④5G通信模块。使用M.2尺寸接口，可通过PCIE的形式嵌入主板控制器内，支持5G NR SUB6/LTE FDD /LTE TDD/UTMS/GSM系统，可应用于全球大多数移动运营商的蜂窝网络。

⑤北斗卫星通信模块。在无线网络故障或信号中断的情况下，可采用北斗通信模块以短报文的形式进行异常情况报警。北斗通信模块型号BDM900，可支持北斗RDSS的屏蔽罩结构，内部集成LAN、高性能RDSS射频收发芯片、北斗专用RDSS基带电路，可完整实现RDSS定位、通信功能。

⑥RFID模块。利用编码标识技术和RFID技术，即通过编码和智能监测终端之间建立一一映射关系，RFID 读写器能自动识别RFID标签信息，标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流发送出芯片中存储的数据信息。将信息解读后，加上时间戳，进行打包，实现对每个货包的自动识别[3]。

3.3 其他终端设备

①手持终端。手持终端用于运输现场人员接收必要的信息并向平台反馈现场状况。手持终端具有定位、RFID识别、加密通讯、身份认证、摄像等功能。

②视频监控系统。视频监控系统主要用于记录运输容器在运输过程中的状况，采用红外车载网络摄像机。摄像机可先接入非网管型二层工业级以太网交换机HF-IES-EN1005-HX4P01，再通过交换机连接至数据分析终端，通过网口进行视频图像传输。

3.4 智能监测终端安装布局

为了方便核燃料运输容器吊装和信号传输，每台容器上配备4个容器监测终端(2个安装在容器内，2个安装在容器外)、1个数据分析终端、1个高容量锂电池、1个高集成接线盒、1个可折叠式天线盒。容器监测终端分别安装在容器内的两侧和容器外底部的两侧，经论证其安装位置可真实反映燃料组件的加速度数值。数据分析终端和高容量锂电池安装在容器底部中间位置。高集成接线盒和可折叠式天线盒安装在容器充气阀对侧。智能监测终端安装布局如图4所示。

图4 智能监测终端安装布局图

4 运输监测管理平台软件设计

4.1 软件架构设计

根据运输监测管理平台的功能分析，将软件架构划分为基础信息、监控信息、报警信息、故障分析、数据统计、系统管理、地图业务7大模块，如图5所示。

图5 软件架构模块图

软件架构选用三层结构，如图6所示。第一层为表现层(即浏览器端)，主要提供用户和后台进行交互操作时所需的界面以及最终操作结果的输出显示功能；第二层为逻辑层(即WEB 服务器端)，主要是利用服务器完成客户端不同请求的逻辑处理功能；第三层为数据层(即数据库)，主要是通过服务器接受客户端数据处理任务请求，独立进行各种运算并将结果返回客户端[4]。

图6 三层结构示意图

4.2 物理架构设计

物理架构设计为三个服务器，分别为应用服务器、接口服务器和数据库服务器，如图7所示。

图7 物理架构示意图

应用服务器获取车辆运输状态信息，并将数据存储到数据库服务器。

接口服务器需负责接收监控平台客户端的数据请求，负责监控平台的各种监控、调度服务等。

数据库服务器则负责储存相关数据，便于后期进行数据分析和检测。对数据库中的关键字段，比如密码、涉及安全的业务信息进行加密，由应用系统对固定重要数据进行加密，加密后的数据保存在数据库中，通过命令行直接查询数据也无法获取明文信息。对于业务重要数据，则采用加入密码盐的方式进行加密处理，再存入数据库。解密时由应用系统读取加密的数据，在应用端进行解密，保障了数据在数据库中存储的安全性。

4.3 通信架构设计

智能监测终端设备与应用服务器采用5G和北斗卫星的无线通讯方式，在终端设备内嵌5G和北斗卫星无线通信模块。无线通信网络架构如图8所示。

图8 通信架构

数据分析终端与服务器端通过5G通讯进行数据传输，出于对组网需求和网络安全性的考虑，5G通讯采用物联网专网，平台接入层采用相关技术，确保数据分析终端接入的安全控制和数据传送的安全加密，数据分析终端通过特定的参数设置接入网络，与互联网进行隔离。而汇聚层与内部服务器网络通过专线电路相连，保证数据传输的稳定性和安全性。

4.4 软件界面设计

软件界面包括主界面、在线监控、报警分析、状态诊断、在途项目管理、历史项目查看等模块。

主界面用于实时显示运输车辆位置，并展示核燃料在运输过程中的加速度峰值变化曲线以及运输过程的各类报警信息统计，如图9所示。

图9 主界面设计

在线监控界面可实时监控记录货包加速度、倾角、温湿度、气压等变化，以及货包数据采集设备的电池电量，判断货包的安全状态。当监测数据超过阈值时发出报警，在平台界面上显示报警详细信息弹窗。同时将报警信息通过手持终端反馈给运输人员，实现对运输风险的及时响应，避免事故的发生。

报警分析界面可实现对单次报警的数据分析以及在途报警的统计分析。

状态诊断界面可在运输完成后实现对运输全程数据的时域、频域分析并结合采集的路谱，通过自研算法，预判减振器寿命和容器疲劳寿命等重要信息，确保后续核燃料的运输安全。

在途项目管理和历史项目查看界面用于在途项目管理和历史项目运输信息统计和查看。

5 结语

随着核燃料运输距离的加长，核燃料在运输过程中的受损风险也将增加，传统核燃料运输过程中存在的“物流运输黑箱效应”和信息断层现象也亟待解决。本文设计构建了核燃料运输监测管理平台，并详细阐述了平台的总体设计、智能监测终端的构建方案和燃料运输监测管理平台软件的设计方案。通过研发该平台，实现核燃料实时监控、运输风险预判及控制，打造核燃料的全流程安全运输监测体系，提升核燃料运输的可靠性和安全性，同时也为核电行业其他放射性物质的运输监测管理提供一套解决方案。