核輻射自動監(jiān)控的實時可靠性研究

徐 琪

（紹興文理學院 元培學院，紹興 312000）

核輻射自動監(jiān)控的實時可靠性研究

徐 琪

（紹興文理學院 元培學院，紹興 312000）

核能是一種新型能源，核能的利用給人類帶來了巨大的經濟和社會效益，但是核能的安全問題引起了人們的關注。核輻射對環(huán)境和生物生存有巨大的危害。本文從自動監(jiān)控的角度，首先論證了可靠性問題的分析，其次對自動監(jiān)控設備的分析介紹，大致了解自動監(jiān)控的實現(xiàn)步驟?？偟膩碚f，核電作為清潔能源，在確保安全的前提下，不斷的促進發(fā)展，是每個國家的戰(zhàn)略需求。

核輻射；自動監(jiān)控；可靠性；實時性

1 概述

1.1 核輻射信息概況

近期，日本地震災區(qū)核電站多個機組出現(xiàn)險情引起全球各地民眾對于核輻射問題的關注。中國上海、青島、深圳、江蘇、香港、黑龍江等地加強了核輻射環(huán)境監(jiān)控。與此同時德國總理默克爾在柏林宣布，德國將暫時關閉1980年以前投入運營的7座核電站，同時對所有核電站進行安全檢查。歐盟委員會負責能源事務的委員奧廷格同一天表示，為吸取日本核電站事故的教訓，歐盟成員國同意對核電站進行全面的“壓力測試”，檢查核電站是否能應對地震、海嘯、恐怖襲擊、電力供應中斷等突發(fā)威脅。

所謂核輻射就是原子核從一種結構或者狀體轉變?yōu)榱硪环N結構或者狀態(tài)大的過程中所釋放能量的過程，核輻射所產生的能量巨大，對生物和環(huán)境都產生了持續(xù)的影響。特別是近幾年來，由于核資料與核技術的擴散，針對核相關的試驗不斷進行，核泄漏現(xiàn)象也層出不窮。與此同時，自然災害的影響對核設施的破壞造成的核泄漏，例如，日本福島核電站地震核泄漏事件，造成重大的損失，因此我們必須建立并且不斷完善核輻射自動監(jiān)控以及預警措施，保證核預警的實時可靠性。

1.2 核輻射對人的危害

核泄漏一般的情況對人員的影響表現(xiàn)在核輻射，也叫做放射性物質，放射性物質可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進入體內，引起內輻射，y輻射可穿透一定距離被機體吸收，使人員受到外照射傷害。 核泄漏一般的情況對人員的影響表現(xiàn)在核輻射，也叫做放射性物質，放射性物質可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進入體內，引起內輻射，y輻射可穿透一定距離被機體吸收，使人員受到外照射傷害。身體接受的輻射能量越多，其放射病癥狀越嚴重，致癌、致畸風險越大。

放射性物質可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進入體內，引起內輻射，y輻射可穿透一定距離被機體吸收，使人員受到外照射傷害。內外照射形成放射病的癥狀有：疲勞、頭昏、失眠、皮膚發(fā)紅、潰瘍、出血、脫發(fā)、白血病、嘔吐、腹瀉等。有時還會增加癌癥、畸變、遺傳性病變發(fā)生率，影響幾代人的健康。一般講，身體接受的輻射能量越多，其放射病癥狀越嚴重，致癌、致畸風險越大。

1.3 本文所涉及的內容介紹

本文以“核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)的實時可靠性”為背景，根據(jù)具體的要求，所涉及的內容如下所示：

1）自動監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析，著重介紹了可靠性方框圖以及數(shù)學模型的建立；

2）自動監(jiān)控系統(tǒng)整體構架的淺析，通過對系統(tǒng)的分析得出系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動監(jiān)控的目的。

3）在1）和2）的基礎上對系統(tǒng)進行可靠性論證，通過假設的方法，對系統(tǒng)所的參數(shù)與實際控制指標的對比，得出核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)工作能否可靠、實時、準確進行。

本文在從“自動監(jiān)控”的角度，參考了相關的資料及技術工程指標完成了“核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)的實時可靠性研究”的內容。

2 實時可靠性分析

核輻射自動監(jiān)控的可靠性就是自動監(jiān)控裝置在特定的時間和條件下能及時準確的對響應做出判別，從而實現(xiàn)預防舉措。工程上的可靠性是為了使系統(tǒng)達到可靠性要求而進行的與設計、管理、試驗和生產一系列工作相關的活動，它與系統(tǒng)整個壽命周期內的全部可靠性活動有關。工程的可靠性是工程現(xiàn)實化的重要組成部分，同時也是保證正常工作持續(xù)運行的有力工具。利用可靠性的工程技術手段能夠快速、準確地確定產品的薄弱環(huán)節(jié)，并給出改進措施和改進后對系統(tǒng)可靠性的影響。自動監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性是可以通過設計、生產、管理來實現(xiàn)的。

2.1 可靠性問題的發(fā)展概述

在我國，可靠性工程的發(fā)展較早，70年代組建了可靠性與環(huán)境試驗研究所，著重研究可靠性與環(huán)境相關的問題。之后，與可靠性相關的問題也就陸續(xù)展開進行，深入到國民生產各部門機構。從可靠性發(fā)展的總體來看，大致分成四階段。

2.1.1 可靠性研究的準備階段

該階段的主要是提出了一系列的可靠性問題，在理論研究的基礎上，對工程技術提出了相關的建議。

2.1.2 可靠性研究的試驗階段

該階段主要是對特定的機構系統(tǒng)進行可靠性試驗測試，通過測試結果對系統(tǒng)進行定性定量的分析與改進。

2.1.3 可靠性研究的物理階段

該階段從系統(tǒng)的失效機制出發(fā)，研究導致系統(tǒng)失誤的觸發(fā)因素，著重研究與系統(tǒng)物理性能有關的問題。

2.1.4 可靠性研究的保證階段

該階段從系統(tǒng)的整體進行可靠性管理，多構成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行控制監(jiān)測分析，從而保證系統(tǒng)的可靠性進行。

2.2 核輻射監(jiān)控系統(tǒng)可靠性模型分析

監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性是一個系統(tǒng)工程，它的可靠性問題需要眾多方面的保證與實現(xiàn)。核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性模型可以通過可靠性方框圖和可靠性數(shù)學模型來表述。常用的模型有串聯(lián)模型和并聯(lián)模型。

2.2.1 串聯(lián)模型分析

所謂串聯(lián)模型，就是核輻射自動檢測系統(tǒng)的任意一個元器件的不正常工作，都會對整個預警監(jiān)測系統(tǒng)產生重要的影響，按照邏輯關系的表述，只是一種“與”關系，如下圖1所示，串聯(lián)模型方框圖。

圖1 核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性串聯(lián)模型方框圖

數(shù)學模型：

假設各系統(tǒng)回路壽命服從指數(shù)分布：

式中：Ri(t)、li(t)——各系統(tǒng)回路的可靠度、故障率；

Rs(t)、ls(t)——監(jiān)控系統(tǒng)的可靠度、故障率。

2.2.2 并聯(lián)模型分析

與串聯(lián)模型相比，并聯(lián)模型則是監(jiān)控系統(tǒng)運行的時候，只要組成系統(tǒng)的元素不發(fā)生故障，監(jiān)控系統(tǒng)就能良好的運行，按照邏輯關系，這是一種“或”的關系，如下圖2所示，并聯(lián)模型方框圖。

圖2 核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性并聯(lián)模型方框圖

數(shù)學模型：

式中：Ri(t)——各系統(tǒng)回路的可靠度；

Rs(t)——監(jiān)控系統(tǒng)的可靠度。

3 核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)整體結構分析

系統(tǒng)整體結構是根據(jù)系統(tǒng)的應用背景利應用目標來確定的，按照核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)來分析，為了達到有效預防核輻射進而進行預警的目的。從應用層面進行分析，系統(tǒng)的整體結構組成分為三部分：信號數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸通信和數(shù)據(jù)的處理。

首先是信號數(shù)據(jù)的采集，自動監(jiān)控系統(tǒng)中應該裝設有數(shù)據(jù)采集裝置。主要是為了完成現(xiàn)場輻射環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關信息的鎖定，考慮到穩(wěn)定、準確、可靠工作的前提，該系統(tǒng)多采用嵌入式系統(tǒng)為核心的數(shù)據(jù)信號采集以及傳輸平臺，具有一定層次的監(jiān)控網絡，完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調理、采集硬件、接口、數(shù)據(jù)分析與處理軟件等幾部分組成，如圖3所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

其次，信號數(shù)據(jù)的傳輸需要有可靠堅強的傳輸機構，所選用的傳輸裝置要有一定的安全性，保證信號數(shù)據(jù)能完整無誤的傳遞到處理平臺系統(tǒng)。

最后，數(shù)據(jù)信號處理需要完成對采集的信號進行及時的分析、準確地定位、定量定性的分析狀況達到自動預警監(jiān)控的目的。

3.2 監(jiān)控網絡

核輻射自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控網絡的組成是由多個移動通信網絡探測裝置和監(jiān)控單元組成的核輻射無線監(jiān)鍘網絡以及監(jiān)控單元下若干個探測裝置組成核輻射監(jiān)測局域網。監(jiān)控網絡采用一點對多點拓撲結構，就核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)來說，大致可以分為三部分：第一部分是預警系統(tǒng)，作為整個監(jiān)控網絡的重要組成部分，具有首要的地位，自動監(jiān)控系統(tǒng)中心裝備有預警以及核輻射應急的必備裝備以及軟硬件設施，監(jiān)控中心可以實時監(jiān)控探測裝置所測量的數(shù)據(jù)；第二部分是移動探測裝置和固定的監(jiān)控單元，特別是基于γ輻射探測裝置，核輻射監(jiān)控局域網由多個探測裝置和監(jiān)控單元構成，對監(jiān)控單元的監(jiān)控實現(xiàn)局域網與移動通信網絡之間信息的傳遞；第三部分是監(jiān)控單元下若干個探測裝置組成的核輻射局域網探測裝置。

3.3 γ輻射探測裝置

γ輻射探測裝置主要是由碘化鈉探測裝置、光電轉換裝置、信號放大器、控制單元、A/D及D/A轉換單元等構成，具體工作原理如下圖4所示。

圖4 γ輻射探測裝置工作原理結構圖

3.4 自動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

通過對核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性論述，我們已經大致的形成相關的問題框架，但是還有一個問題就是存在核輻射來源，系統(tǒng)能否進行有效的預警防護？根據(jù)系統(tǒng)的分析，對此進行假設研究。

假設存在一個γ輻射源，產生的γ射線作為基準射線，將放射源放在監(jiān)控系統(tǒng)預測的范圍之內，要做好充足的準備，不會對環(huán)境和人產生傷害。自動監(jiān)控裝置通過對測試點的輻射劑量率D來確定周圍環(huán)境輻射的相關情況，參考公式如下所示：

式中：D100是γ輻射源放置在距離監(jiān)控裝置一米處觸發(fā)范圍的劑量率；

u是γ射線在空氣中的減弱系數(shù)；

R是測試單元距離監(jiān)控系統(tǒng)的距離；

Kd是放射源自身衰變所需的校正參數(shù)。

通過改變反射源與監(jiān)控系統(tǒng)的距離，來觀測檢測的數(shù)據(jù)信號。由計算機分析軟件所反饋的計量數(shù)據(jù)與實際所操縱的指標進行對比分析，如果所得數(shù)據(jù)與實際指標相差不大，則可以表明核輻射自動監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時準確可靠的預警核輻射；相反，如果相差很大就不能達到預警目的，就有可能造成潛在的危害，因此需要從可靠性工程研究的角度對自動監(jiān)控這個系統(tǒng)工程進行完善甚至重新布置，總之為了達到和輻射的自動監(jiān)控以及預警，必須要求系統(tǒng)的可靠性。

4 結束語

核電建設中，與核輻射相關的問題層出不窮。核輻射對人與環(huán)境產生巨大的傷害，因此我們必須加強核輻射監(jiān)控力度。本文核輻射自動監(jiān)控的角度，大致論述了自動監(jiān)控的可靠性，通過對系統(tǒng)可靠性問題以及可靠性方框模型和數(shù)學模型的推導，首先建立初步的可靠性問題的認識。之后對監(jiān)控系統(tǒng)整體的描述，簡單的表現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)如何實現(xiàn)自動化的目的，最后再從監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性運行角度進行統(tǒng)一論證，對其性能進行評價，使監(jiān)控系統(tǒng)能真正達到預警的目的。同時正如本文所論述的，從自動監(jiān)控的角度，實時、可靠、準確地反應人們生活周圍的核輻射指針。通過點點滴滴的防護，使損害達到最低，從而有效的避免核輻射危害，從而為我國大力發(fā)展核電事業(yè)做好充足的準備。

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The automatic monitoring of nuclear fallouts'real-time and reliability research

XU Qi

TP277

A

1009-0134(2011)5(下)-0097-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).29

2011-01-07

徐琪（1988－），男，浙江寧波人，本科，研究方向計算機應用。