基于5G技术的放射性固体废物智能管理系统

周春燕　李振臣　刘辰龙　孙圣权　杨兰菊　张家衡　周星雨

摘 要 针对放射性固体废物管理现状的痛点和难点，基于5G技术、物联网技术等，根据业务需求设计放射性固体废物智能管理系统，给出系统的总体架构和5G网络架构，实现了放射性固体废物的在线及数字化管理，为进一步实现放射性固体废物的智能化管理打下基础，满足了核电企业、科研院所对放射性固体废物的标准化、精细化、智能化管理升级转型需求。

关键词 智能管理系统 放射性固体废物 5G网络架构 远程监管 无人化管控 全流程

中图分类号 TP274   文献标识码 A   文章编号 1000?3932（2023）02?0245?07

反应堆等核设施在运行、维修维护过程中会产生大量放射性固体废物（以下简称“固废”），这些固废需由放射性废物处理运行管理部门统一收集、整备、暂存、外运、处置。放射性废物的安全管理是核安全的重要方面，根据我国相关法律法规，从各产废厂房分散产生到废物处理厂房集中整备，到最终填埋处置，需对固废在整个过程中的处理、迁移信息及轨迹进行有效管控。目前，在役核电厂、科研院所等核设施运行单位尚未充分实现固废从收集、整备、转运、暂存到处置等全过程的数字化、自动化、智能化监管。

为满足业务需求，基于第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）［1］、物联网技术等，设计固废智能管理系统，以实现固废的在线及数字化管理。

1 固废管理现状及需求分析

固废来源主要分为工艺废物和技术废物。工艺废物包括浓缩蒸残液、废树脂、水滤芯、空气滤芯等。技术废物包括可压缩类和不可压缩类，压缩类包括检修产生的塑料布、吸水纸、抹布，沾污的衣物、防护用品、工作服、鞋等；不可压缩类包括检修和去污过程的工艺管道、管道阀门、沾污工具。这些废物经整备处理后形成的废物种类包括水泥固化体、金属废物包、可燃废物包等。对这些废物从产生到最终处置的全过程管理涉及的种类多、环节多、周期长，对数据自动采集、存储、统计、分析需求很大。并且由于废物包体积及质量大，且有一定的辐照危害，在废物流转过程中呈现人工强度大、近距离作业辐射危害大的特点，对远程监管和无人化管控需求很高。

传统管理以人工为主，辅以计算机信息化技术，各环节管理系统独立建设运行，数据传递性和共享性差，各环节需重复录入数据，并且只能完成固废管控信息的简单电子化，管理流程与实体废物包处于账、物分離状态，相互间的对应关系依赖人工识别，存在收/贮/存效率低、信息统计分析和溯源难、人因错误率高的问题，更无法满足固废在大范围流转过程中的轨迹实时动态监管、设备远距离操控、放射性环境少人甚至无人化、业务流程网络化的需求。

固废管理涵盖了这些废物在厂区内的产废厂房，整备处理厂房，暂存仓库之间的收集、整备、转运、暂存、外运、处置全过程，涉及范围广。传统的有线通信方式需要在现有放射性厂房重新敷设网线，一是敷设距离长，组网复杂，组网灵活性差；二是容易破坏放射性场所的密闭要求，不能满足放射性区域辐射管理要求；三是有线通信方式难以全面覆盖厂房所有区域，无法满足移动终端的通信需求。

2 基于5G技术的管理系统总体架构

基于5G技术的固废智能管理系统以5G为无线网络载体，搭建数据不出园的高可靠5G安全专网［2］，用以满足系统无人叉车、移动识别终端的无线通信需求，并为后续其他智能设备、移动设备的引入预留接口和容量。同时，根据业务特性与需求，基于射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）和物联网技术对业务管理流程、系统软件功能进行设计，对硬件进行选型和安装，构建基于5G技术的固废智能管理系统。

2.1 系统总体架构

如图1所示，基于5G技术的固废智能管理系统采用成熟、先进的4层分布式的技术架构，包括移动终端层、通信网络层、管控支撑层和应用业务层，提供了最大的系统吞吐能力和移植能力，具有全维度安全、多适配标准以及一体化管理能力。同时，每个应用在其相应位置起作用，担负相应工作，并兼容多线程并发事件的处理。这种处理结构允许每个组件按其最优方式独立地处理信息。

移动终端层采用定制5G安全终端，包括数据加密终端、用户识别（Universal Subscriber Identity Module，USIM）卡及专网业务访问安全贴芯密卡，可为用户提供入网和业务访问的数据安全、身份安全。

通信网络层从安全性及应急可靠性两方面，构建全新的5G专网架构体系。安全方面，该网络架构提供了端到端的数据安全增强、控制面的接入认证增强、语音面的通话安全增强等功能。应急可靠性方面，该架构提供了网络双活热备及多媒体集群调度等功能。

管控支撑层是本项目中的高安全5G专网管理平台，基于云化、虚拟化等技术搭建，且运用人工智能（Artificial Intelligence，AI）机器学习等成熟技术，实时分析判断用户异常行为，达到无人化自主运行管控的目的。

应用业务层是针对固废管理需求开发的应用系统，即通过构建互联互通、安全可靠、覆盖整个放射性基地的面向废物全生命周期的智能管理系统，实现固废从产生、接收、处理、转运、暂存、处置全生命周期的信息自动采集和智能监管；无人转运系统实现了废物包在收集转运环节的叉车无人化转运操作和智能识别。

系统具备全维度安全性能，从管理机制、保障策略、技术支撑等方面构建全方位、多层次、一致性的5G专网安全防护体系，加强了用户数据的安全保护。

2.2 数据不出园的高可靠5G安全专网局域网架构

5G网络大宽带、低延时、广连接，能同时满足无人叉车、RFID固定或移动识别终端、大量分布在园区各厂房的高清摄像机等智能终端设备的实时无线接入和数据高速、稳定传输需求，避免了部分设备敷线破坏放射性密闭厂房的完整性。

无人叉车用于废物包的无人转运和智能识别，是管理系统中对5G网络实时数据传输技术需求最高的一项智能设备，如无人叉车对货包的AI识别，路况识别、应急安全系统、边缘计算等功能的运行。因此，5G安全专网技术参数主要以无人叉车运行需求为主，兼顾其他无线智能终端运行为辅，对5G安全专网局域网架构进行设计。

5G安全专网局域网解决方案架构如图2所示，5G安全专网局域网主要由5G基站、终端设备、下沉园区的独立核心网组成。

基站根据各产生或处理厂房分布、厂区流转路线和区域需求拟定信号覆盖区域，按覆盖区域分布设计新增室分基站分布，实现指定区域的信号覆盖。

终端设备包括5G客户终端设备（Customer Premise Equipment，CPE）、安全SIM卡和终端安全加密组件。核心网采用专用的独立布署的设备配合安全SIM卡、专网系统管理平台，实现区别于普通公网用户的控制面安全认证增强、终端身份防追踪防定位、失控终端遥毙、可定制的控制面主认证策略等安全功能。在专用核心网后端布署安全网关，实现叉车和应用服务器间数据的端到端加密，加密终端设备即安装在叉车上的终端通道加密设备。

3 系统设计与实现

固废智能管理系统如图3所示，系统基于5G网络融合物联网技术，采用RFID自动识别技术实现固废包的信息电子化，利用5G无人叉车实现固废接收转运过程的无人化操作，对固废在装箱转运、出入库业务、暂存、外运等全过程管理中的信息进行实时、高效的采集与处理；管理信息数字化后进一步实现业务在线协同处理。

系统利用安装在各产废厂房出口的固定式识别终端和手持式移动设备、安装在无人叉车上的识别终端对厂区流动的废物进行信息采集和标记。现场管理数据通过5G网络实时传回控制中心的系统服务器处理分析，实现对固废包的动态管理和轨迹管控。

在控制中心，将固废包的动态管理和轨迹管控数据按预先指定的模板自动生成各类报表，可大幅降低人工统计工作量和错误率。系统还可以与大屏显示系统连接，结合园区三维图像组成具有废物包动态轨迹展示、非法流转报警、状态标记、无人叉车运行状态展示等功能的综合看板，有效辅助管理人员实时跟踪各厂房废物收集转运入库的实时需求，协调分配废物的收/贮/运资源。

3.1 业务流程设计

固废经收集、整备后装入钢箱，形成废物包。废物包暂存是固废包厂区流转的终点，也是废物包外运的起点。因此，将废物包入库前的收集转运、入库申请审批、入库操作归集为入库流程；将废物包暂存一段时间满足出库要求后的外运准备、外运审批、外运操作等流程归集到出库流程。

3.1.1 入库流程设计

废物包的入库流程如图4所示。

录入废物数据。手持终端录入放射性废物信息，录入信息通过5G网络传回控制中心，管理人员可以在计算机客户端（PC端）查看或编辑。

发起入库申请。基于手持终端录入的数据，管理人员可在计算机客户端发起入库申请。

入库审批。审批人员在线进行入库信息审批，审批通过即进入实体废物的无人转运，控制中心启动无人叉车，远程遥控叉车将废物按预定轨迹从厂区的产废厂房出口转运至暂存库入口，等待入库操作；若未通过审批则申请终止，申请废物数据作废。

实体废物入库操作与复核。允许入库的实体废物由无人叉车收集转运至暂存库入口进行入库扫描，入口的RFID读写器扫描识别到后，系统自动判断是否与审批信息匹配，若信息匹配，则进行复核信息录入；实体信息不匹配时不允许入库，并提醒非法入库。

录入废物入库信息。录入实体废物质量、外观完整性、源项测量等信息。

存放实体废物。完成实体废物位置存放，流程结束。

3.1.2 放射性废物出库

废物包出库流程如图5所示。

发起出库申请。申请人PC端发起出库申请。

出库审批。审批人审批出库信息，允许出库，废物信息即进入待出库状态；如不允许，则反馈审批信息，流程终止。

实体废物出库操作与复核。允许出库的实体废物由出口的RFID读写器扫描识别到后，系统自动判断是否与审批信息匹配，若匹配，则进行复核信息录入；否则，不允许出库，并提醒非法出库。

废物出库。实体废物完成出库，系统废物信息变更（如状态从“库存”变更为“出库”），流程结束。

3.2 系统功能设计

放射性废物管理系统由B/S系统和移动APP两部分构成，分别安装在管理计算机和手持式移動设备上。设计的系统功能（图6）主要为实现对放射性废物入库、盘库、出库过程的信息自动识别、采集、存储、分析、查询、展示，流程管理、文件管理、报表生成等，包括手持终端装箱（收集环节）、数据统计分析、入库申请、出库申请、入库查询、出库查询、盘库、出入库计划、系统配置（人员管理、角色管理、菜单管理、部门管理）等。

3.3 硬件组成和选型

系统数据采集主要由前端的RFID识别装置与电子标签、移动手持终端、视频监控设备、监测仪器等组成。其中，RFID识别装置与电子标签需根据应用场景和管理对象（废物包）的实际情况选型设计。

RFID识别装置读写距离选择应根据现场应用厂房所需的识别距离和识别范围选择。确保设备可读距离大于所需距离。同时，对于圆柱体外形的水泥固化体废物包，因其外表绑定的电子标签无固定方位，需采用圆极化天线降低系统对标签方位的敏感性，再通过多个圆极化天线的布署设计构建一个360°的识别信号场。

每个废物包装箱都需要配备至少一个无源RFID标签，进行废物包的信息绑定。由于废物经整备处理后形成的废物包为金属外壳，RFID电子标签需要在金属外壳的设备上配套使用，选用抗金属类型标签才能保证电子标签对RFID读写器发射识别信号的稳定接收。

综上，本项目中的RFID识别装置与电子标签选型参数如下：

a. 读写器，其输出功率0～36 dBm，工作功耗20 W（输出功率33 dBm时）。

b. 天线，圆极化9 dBic天线，输出功率（端口）33 dBm，天线增益大于9 dBic，波束宽度70°。

c. 标签，尺寸92 mm×24 mm×3.0 mm，固定方式采用3M背胶粘贴和标签两端带孔固定。

4 固体废物智能管理平台

固体废物智能管理平台是整个固废管理系统的信息中枢，从数字化系统中输入固体废物信息，同时采集实时的设备信息、人员信息等，实时管控综合生产过程，实现对资源的优化高效运用。

固体废物智能管理平台基于物联网云管家平台构建，采用私有化布署的服务器、计算设备、网关、大屏显示系统等搭建，能够接收、处理、存储前端设备发来的设备数据，映射为虚拟设备的参数，进行存储、计算、分析，并通过计算机端监控软件展示。同时，平台向其他业务系统平台提供丰富的数据访问接口。

固体废物智能管理平台采用B/S构架，分为3个功能层，包括数据采集层、数据服务层、业务应用层。数据采集层负责对现场各类数据的采集，包括RFID数据采集、接收其他系统采集的数据，如人脸识别系统、视频监控系统、设备及环境监控系统。数据服务层通过物联实时数据监控网关，接收处理来自数据采集层的固废管理数据、设备数据、环境数据、库存数据、视频监控数据。业务应用层提供与其他业务系统对接的数据接口，以及为管理决策直接服务的综合信息展示看板。通过区域资源管理、人员信息管理、设备流转管理、废物包流转管理、视频监控管理、物资库存管理、数据分析与展示、异常发现与应急处理等业务模块，打通现场过程控制和运营管理之间的数据信息流，提高生产效率与现场管控力度。

5 结束语

5G技术与放射性废物管理的结合是当前放射性废物管理智能化研究的前沿，具有巨大的应用研究价值。未来，5G技术可赋能放射性废物管理，将大量工人从危险繁重的放射性废物管理工作中解放出来的同时，进一步提高该类危废的管理效率和安全可控性，提升核环保水平，助推核能绿色应用，造福人类。

参 考 文 献

［1］ 赵婧博，乔亚娟，张学智，等.5G在物流仓储行业的融合应用研究［J］.电子技术应用，2021，47（11）：16-19.

［2］ 毕敏，周俊，王亮，等.5G智慧医院安全医疗专网研究［J］.通信技术，2020，53（11）：2705-2712.

（收稿日期：2022-10-20）

Intelligent Management System for Radioactive Solid Wastes Based on 5G Technology

ZHOU Chun?yan， LI Zhen?chen， LIU Chen?long， SUN Sheng?quan，  YANG Lan?ju， ZHANG Jia?heng， ZHOU Xing?yu

（Nuclear Power Institute of China）

Abstract   Considering both sore points and difficulties in managing radioactive solid wastes， having 5G technology and the Internet of Things as well as the operational requirements based to design an intelligent management system for the radioactive solid wastes was implemented， including that of both overall architecture and 5G network architecture so as to realized both the online and digital management of the solid wastes， and to lay a foundation for the further intelligent management of the radioactive solid wastes so as to meet the needs of nuclear power enterprises and scientific research institutes for the upgrading and transformation of standardized， refined and intelligent management of the radioactive solid wastes.

Key words    intelligent management system， radioactive solid waste， 5G network architecture， remote monitoring， unsupervised， complete flow scheme

作者簡介：周春燕（1989-），硕士研究生，从事放射性废物处理技术及仪控系统的设计与研究工作。

通讯作者：刘辰龙（1988-），高级工程师，从事放射性废物处理技术及仪控系统的设计与研究工作，329577782@qq.com。

引用本文：周春燕，李振臣，刘辰龙，等.基于5G技术的放射性固体废物智能管理系统［J］.化工自动化及仪表，2023，50（2）：245-251.