分布式放射源安全監(jiān)控體系的設(shè)計(jì)與研究

李 巖，楊 斌，侯躍新，李 鋼，周冬亮

(黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱150010)

隨著核技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，核技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、石油勘探開(kāi)發(fā)、醫(yī)療衛(wèi)生、科考等行業(yè)，然而由于以往的放射源管理手段主要采用人工監(jiān)管的方式，在監(jiān)控過(guò)程中難免產(chǎn)生疏漏，因此導(dǎo)致放射源丟失或核輻照事故時(shí)有發(fā)生。而且由于放射源釋放的射線無(wú)色無(wú)味，而且無(wú)法通過(guò)肉眼判斷或身體感知，一旦人畜誤接觸放射源并受到較長(zhǎng)時(shí)間的照射，就會(huì)給臟器帶來(lái)嚴(yán)重的傷害甚至致死［1-3］。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)放射源的有效監(jiān)管安全是我們急需解決的問(wèn)題，信息化監(jiān)控手段的發(fā)展為放射源的安全監(jiān)管提供了新途徑［4］。本文提出建設(shè)一種具有分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(如:GPRS、GPS、GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線射頻識(shí)別等技術(shù))放射源安全監(jiān)控體系，通過(guò)該體系的運(yùn)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)涉核企事業(yè)單位放射源的全方位綜合監(jiān)控管理。

1 監(jiān)控體系設(shè)計(jì)

分布式放射源安全監(jiān)控體系由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件方面:由放射源輻射劑量探測(cè)探頭、監(jiān)控終端儀表、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成，其中針對(duì)單獨(dú)的非移動(dòng)放射源采用定點(diǎn)監(jiān)控儀表進(jìn)行監(jiān)控;針對(duì)相對(duì)集中的監(jiān)控區(qū)域，采用連接多探頭的監(jiān)控終端儀表進(jìn)行監(jiān)控;針對(duì)移動(dòng)放射源則采用可分離式的移動(dòng)監(jiān)控終端進(jìn)行監(jiān)控跟蹤。軟件方面:采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，利用Web Service及分布式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低聚性并降低系統(tǒng)的耦合度。底層數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)由企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，組成分布式數(shù)據(jù)服務(wù)集群。在權(quán)限管理方面建立多層次的分級(jí)權(quán)限管理策略，支持環(huán)保部門和企業(yè)等多級(jí)別的監(jiān)控管理需求。

1.1 系統(tǒng)功能劃分

根據(jù)分布式放射源安全監(jiān)控體系所要實(shí)現(xiàn)的功能特點(diǎn)，可將系統(tǒng)劃分為如圖1所示三個(gè)主要功能部分:控制終端、數(shù)據(jù)樞紐、控制系統(tǒng)。

1.1.1 控制終端

控制終端是該體系的重要組成部分之一，其主要功能有:

第一，實(shí)現(xiàn)劑量的跟蹤監(jiān)控，能夠根據(jù)放射源輻射劑量的變化情況進(jìn)行跟蹤判斷，當(dāng)有數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警限時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

圖1 分布式放射源安全監(jiān)控體系功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The distributed radioactive source security monitoring system function

第二，有效防止誤輻照、放射源丟失、被盜等事故的發(fā)生。

第三，實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)使得企業(yè)及環(huán)保部門對(duì)輻射源工作現(xiàn)場(chǎng)的狀況掌控變?yōu)榭赡堋?/p>

第四，安防系統(tǒng)可有效達(dá)到阻隔非工作人員誤入輻射區(qū)域的目的，并通過(guò)掃描身份認(rèn)證模塊來(lái)識(shí)別工作人員。

1.1.2 數(shù)據(jù)樞紐

數(shù)據(jù)樞紐是監(jiān)控體系的數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)，是連接控制終端和控制系統(tǒng)的樞紐，由空間數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)管理工具等部分組成。其中，空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)與地理信息相關(guān)的數(shù)據(jù)元素;業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)則存儲(chǔ)與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)，它是整個(gè)體系運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)基石;數(shù)據(jù)管理工具主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)元、數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)定義的操作與管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份、恢復(fù)、同步等多項(xiàng)操作管理。

1.1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)控體系的管理者，主要負(fù)責(zé)對(duì)控制終端儀表的控制和系統(tǒng)行為的控制，位于體系的上層，由各種應(yīng)用服務(wù)組成，包括綜合監(jiān)控子系統(tǒng)、后臺(tái)管理子系統(tǒng)。綜合監(jiān)控子系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控放射源裝置的位置、輻射劑量以及周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)狀況，以及對(duì)監(jiān)控終端儀表的遠(yuǎn)程控制等功能;后臺(tái)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的登記、發(fā)現(xiàn)與信息維護(hù)和參數(shù)配置等。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分

分布式放射源安全監(jiān)控體系的體系結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示:

圖2 分布式放射源安全監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The distributed radioactive source security monitoring system architecture diagram

輻射監(jiān)控終端集數(shù)據(jù)采集、GPS定位、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、超限聲光報(bào)警、短信報(bào)警等功能于一體。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻編碼器和視頻流傳輸模塊構(gòu)成，支持遠(yuǎn)程視頻圖像的調(diào)取和錄像功能。

安防系統(tǒng)可對(duì)進(jìn)入輻射區(qū)域的人員進(jìn)行身份認(rèn)證識(shí)別，阻隔非法人員進(jìn)入工作現(xiàn)場(chǎng);并可在安全事故發(fā)生時(shí)通知并警告區(qū)域內(nèi)的工作人員撤離，鎖閉放射源工作裝置，防止射線的進(jìn)一步泄漏。

應(yīng)用服務(wù)中心由企業(yè)級(jí)服務(wù)中心和監(jiān)控中心兩級(jí)構(gòu)成，企業(yè)級(jí)服務(wù)中心主要設(shè)置在監(jiān)控布局較多并且分散的企業(yè)，一方面可以為企業(yè)自身提供應(yīng)用服務(wù)支持，另一方面可為上級(jí)的監(jiān)控中心提供基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心一般設(shè)立在環(huán)境監(jiān)管部門，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)轄區(qū)內(nèi)企業(yè)的放射源的綜合監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的匯總及統(tǒng)計(jì)分析。這樣的布局方式一來(lái)可實(shí)現(xiàn)分布式管理，二來(lái)可有效降低主服務(wù)器的載荷并有效利用企業(yè)的現(xiàn)有資源。

綜合監(jiān)控子系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，并利用Flash插件技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用訪問(wèn)支持，中間層以Weborb為數(shù)據(jù)訪問(wèn)媒介，底層數(shù)據(jù)庫(kù)采用MSSQL Server 2008進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案滿足工作現(xiàn)場(chǎng)、企業(yè)、環(huán)保部門多級(jí)別的監(jiān)控需求，并賦予不同的監(jiān)管權(quán)限。

后臺(tái)管理子系統(tǒng)由各種應(yīng)用工具構(gòu)成，負(fù)責(zé)平臺(tái)的運(yùn)行維護(hù)。

短信報(bào)警系統(tǒng)可在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生異常狀況時(shí)向相關(guān)責(zé)任人發(fā)送報(bào)警短信息。

2 監(jiān)控體系實(shí)現(xiàn)

分布式放射源安全監(jiān)控體系采用“環(huán)保部門—企業(yè)—現(xiàn)場(chǎng)”三級(jí)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不同的層次上授予不同的管理權(quán)限。

輻射監(jiān)控終端由嵌入式控制模塊、GPS模塊、GPRS集成模塊、計(jì)數(shù)管、LCD液晶顯示屏、無(wú)線天線、控制電路、高壓電源模塊、串口、電源、開(kāi)關(guān)按鈕、聲光報(bào)警裝置等構(gòu)成。其內(nèi)部工作程序由中斷計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)平滑及校正、數(shù)據(jù)顯示輸出和GPS定位、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)等構(gòu)成。其主要工作流程如圖3所示:

圖3 工作流程圖Fig.3 Work flow chart

數(shù)據(jù)傳輸方式采用有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，通過(guò)接入環(huán)保網(wǎng)的VPN專線實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式采用分布式設(shè)計(jì)，由現(xiàn)場(chǎng)、企業(yè)、監(jiān)控三級(jí)存儲(chǔ)構(gòu)成。在現(xiàn)場(chǎng)采用存儲(chǔ)卡作為存儲(chǔ)媒介緩存一定時(shí)期的數(shù)據(jù);部署在企業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)器主要對(duì)企業(yè)內(nèi)部的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理;監(jiān)控中心服務(wù)器采用服務(wù)器集群存儲(chǔ)匯總數(shù)據(jù)。

綜合監(jiān)控子系統(tǒng)利用采集的數(shù)據(jù)，對(duì)放射源進(jìn)行定位跟蹤及劑量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供即時(shí)查詢功能，可查詢當(dāng)前放射源的位置、隸屬單位、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、上下限等。此外，平臺(tái)還具有多用途的報(bào)警功能，例如:可根據(jù)放射源的不同設(shè)置、不同的報(bào)警上下限且相應(yīng)的報(bào)警方式也不同，除在界面上顯示報(bào)警信息外，還可以通過(guò)短信、發(fā)出警報(bào)聲音等方式告知監(jiān)管人員監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生了異常狀況。系統(tǒng)還提供了對(duì)歷史查詢的功能，以列表或圖形等多種方式展示查詢結(jié)果，并支持TXT、EXCEL等格式導(dǎo)出。在基礎(chǔ)信息管理方面提供了對(duì)在用放射源的出廠信息(生產(chǎn)廠家、放射源編碼、出廠活度，以及采用的何種核素、標(biāo)定時(shí)間等)、放射源使用單位信息管理(購(gòu)置時(shí)間、單位地理位置、上級(jí)主管部門、內(nèi)部管理機(jī)構(gòu)及聯(lián)系人、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)構(gòu)及應(yīng)急預(yù)案)等信息的檢索，并且具有錄入、修改、刪除和查詢等功能。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控視頻則支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看、定點(diǎn)存儲(chǔ)和回放錄像等功能，從而對(duì)涉源企業(yè)放射源的監(jiān)管工作起到了監(jiān)控、督促的作用。

3 結(jié)論

分布式放射源安全監(jiān)控體系研究與開(kāi)發(fā)工作得到了省、市環(huán)保部門的關(guān)注和支持。目前已在哈爾濱市范圍內(nèi)投入應(yīng)用，現(xiàn)階段哈爾濱半數(shù)以上放射源都處于該體系的監(jiān)管中。分布式放射源安全監(jiān)控體系的設(shè)計(jì)與研究工作為輻射安全監(jiān)管部門提供了新的管理手段，并從根本上減少了輻射安全事故發(fā)生的可能，對(duì)于安全合理利用放射源、促進(jìn)核工業(yè)發(fā)展、構(gòu)建和諧社會(huì)具有重要的意義。

［1］ 潘自強(qiáng).放射源安全管理中一些問(wèn)題的討論［J］.輻射防護(hù)，2002，22(5):257—262.

［2］ 從慧玲，張金濤，劉新河，等.我國(guó)核工業(yè)廢放射源安全管理［J］.輻射防護(hù)，2002，22(5):263—268.

［3］ 王笑軍，，邢亞娟.哈爾濱市放射源安全管理現(xiàn)狀與對(duì)策［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31(4):18—20.

［4］ 方東.保障輻射環(huán)境安全的放射源在線監(jiān)控管理系統(tǒng)［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2011，3(4):26—29.