淺析省控輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)

陳 達(dá)

淺析省控輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)

陳 達(dá)

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站

介紹由10個輻射環(huán)境自動監(jiān)測站和省數(shù)據(jù)中心構(gòu)成的福建輻射監(jiān)測系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)的主要設(shè)備性能、功能特點、系統(tǒng)架構(gòu)等信息，并就輻射自動站的運維經(jīng)驗和發(fā)展提出建議。

輻射環(huán)境 監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)架構(gòu)

1 項目概況

福建省現(xiàn)有寧德、福清核電監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)和國控輻射監(jiān)測系統(tǒng)，合計25個輻射監(jiān)測自動站。在此基礎(chǔ)之上，本項目新增10個省控輻射環(huán)境自動監(jiān)測站(以下簡稱”子站”)，初步建成“重點監(jiān)測核電廠、全面覆蓋地級市”的輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1）。本次省控輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了輻射自動站在我省所有地級市的全覆蓋，實時監(jiān)測福建省的輻射環(huán)境質(zhì)量，為全省核與輻射監(jiān)管提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和環(huán)境決策的科學(xué)依據(jù)，同時向社會公眾提供公開透明的輻射環(huán)境信息，并帶動全省輻射環(huán)境監(jiān)測機(jī)構(gòu)能力的提升。

項目新建10個子站，24h全天候連續(xù)工作，自動采集、存儲、展示γ劑量率、γ核素能譜信息、氣象數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)，并實時將數(shù)據(jù)傳輸至省級輻射數(shù)據(jù)中心。子站可定期采集氣溶膠、碘和干濕沉降物樣品，后續(xù)送實驗室進(jìn)行分析。

圖1 全省輻射自動監(jiān)測站分布圖

2 主要設(shè)備的性能特點

2.1 空氣γ輻射吸收劑量率設(shè)備

近些年，我國新建的子站所配備的γ輻射吸收劑量率設(shè)備主要是美國GE公司生產(chǎn)的RS-S131，在寧德、福清核電監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)所有子站也都是配備同型號的高氣壓電離室（以下簡稱HPIC）。長期的使用經(jīng)驗告訴我們，HPIC非常適合野外、長期、不間斷的工作；具備IP66的防水防塵等級，搭配百葉箱使用，即便臺風(fēng)、強(qiáng)降雨、夏日高溫，也不會導(dǎo)致設(shè)備故障；能耗小，機(jī)身自備的鋰電池可供電48h。

此外，HPIC的能響好，高于60keV的γ射線都能被探測到，且能響曲線較為平坦；由于HPIC內(nèi)部為球型的探測器，因此HPIC的角響應(yīng)比沒有4π對稱的圓柱形探測器（如GM管）更優(yōu)秀；HPIC測量量程可跨9個數(shù)量級（1nGy/h～1Gy/h），不論少量還是大量的放射物釋放，都能給出正確的劑量值。

2.2 γ能譜設(shè)備

本項目選取德國ENVINET公司生產(chǎn)的SARA γ譜儀，該設(shè)備是一臺NaI閃爍體探測器，具備實時連續(xù)γ譜采集，能識別環(huán)境中的天然和人工放射性核素。靈敏度高，能量分辨率：<7% FWHM，即使在小規(guī)模的核事故污染中，也能識別事故源項，具有IP68防護(hù)等級，適合野外長時間工作。

2.3采樣設(shè)備的配置

每個子站配置氣溶膠采樣器、空氣中131I連續(xù)采樣器、干濕沉降自動采樣器，選取1~2個站點增配空氣中14C采樣器、空氣中3H采樣器。

氣溶膠采樣器分為大流量和超大流量。每次采樣按10000m3計算，超大流量采樣器采樣時間約為0.5d，而大流量為2~3d。因此，在發(fā)生應(yīng)急情況時，超大流量采樣器能夠快速采集氣溶膠，但價格較貴，且需要380V電源?？梢园凑召Y金和供電情況兩者搭配使用，超大流量采樣器建議配置在核電周邊地市。

I131是核電廠發(fā)生泄漏時候重要的特征核素，因此建議臨近核電的自動站必須配置碘采樣器。本系統(tǒng)選用的是HIQ的CF-1001BRL，輕便、簡單、耐用，主要缺點是電腦端無法控制其啟停。

2.4 系統(tǒng)傳輸和子站基礎(chǔ)設(shè)施的要求

數(shù)據(jù)傳輸采用有線、無線兩路傳輸，互為備用鏈路，且不能為同一個電信運營商；出于保密性考慮，租用電信運營商VPN通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，子站不再配備VPN設(shè)備，既可以減少投入，也能減少由于VPN設(shè)備故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失。由于子站多在野外，需做好設(shè)備防雷接地；提供子站內(nèi)部溫濕度監(jiān)控；不采樣的情況下，UPS系統(tǒng)至少能在保證48h的供電。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

省控輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)由外圍監(jiān)測子站、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和省數(shù)據(jù)中心組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 子站設(shè)備系統(tǒng)框架

本次子站配套儀器主要有氣象儀、感雨傳感器、高壓電離室、NaI譜儀、各種采樣設(shè)備等，其中氣象儀可以測量風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、溫濕度、氣壓。子站系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3.2 子站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、氣象數(shù)據(jù)采集及防雷模塊、UPS及環(huán)境信號采集模塊三部分組成，系統(tǒng)采取了模塊化設(shè)計，每部分模塊都是相對獨立的系統(tǒng)。

氣象數(shù)據(jù)采集及防雷模塊內(nèi)部集成了信號防雷器，把采集到的氣象數(shù)據(jù)通過RS—485串口（MODBUS協(xié)議）發(fā)送給數(shù)據(jù)采集傳輸模塊。

圖3 環(huán)境輻射監(jiān)測子站結(jié)構(gòu)示意圖

UPS及環(huán)境信號采集模塊集成了電池、充放電系統(tǒng)及環(huán)境信號采集器，一方面能對各模塊進(jìn)行有效的供電，另一方面此模塊能采集方艙內(nèi)部溫濕度信號、門禁監(jiān)控信號、煙霧報警信號、水浸監(jiān)控信號以及UPS電池電壓等，這些環(huán)境信號通過串口通訊協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)模塊。

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)模塊把采集到的輻射數(shù)據(jù)、接收到的氣象數(shù)據(jù)和環(huán)境信號數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)绞?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3.3 子站采集及通信軟件

子站與省數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)通信采用C/S結(jié)構(gòu)，充分利用子站數(shù)據(jù)處理能力，降低系統(tǒng)通訊開銷，增強(qiáng)數(shù)據(jù)實時性。子站負(fù)責(zé)采集γ探測器、氣象設(shè)備、采樣設(shè)備、站點運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計處理后的數(shù)據(jù)傳輸至省數(shù)據(jù)中心。

3.4省數(shù)據(jù)中心

省數(shù)據(jù)中心可監(jiān)控、存儲各類輻射、氣象、子站狀態(tài)的數(shù)據(jù)，具有對各子站的監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、生成報表，提供日報、月報、季報和年報輸出功能。

圖5 省數(shù)據(jù)中心實時監(jiān)控軟件

圖6 報表系統(tǒng)輻射數(shù)據(jù)曲線

4 系統(tǒng)不足和建議

4.1 系統(tǒng)存在的不足

該系統(tǒng)投入運行以來，工作人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的一些問題，分別是：

4.1.1子站軟件無法控制采樣設(shè)備的啟停

在系統(tǒng)設(shè)計初期，開發(fā)人員認(rèn)為采樣設(shè)備工作時必須有人員到現(xiàn)場更換濾膜，既然人員到了現(xiàn)場就沒有必要在子站的計算機(jī)上增加對采樣設(shè)備的控制，因此只記錄了采樣信息（流速、累積體積等信息）。但是，如果增加計算機(jī)端對采樣設(shè)備的控制，工作人員在啟動采樣或者關(guān)閉采樣的時間就更加靈活，可在省站遠(yuǎn)程控制采樣設(shè)備的開關(guān)機(jī)，統(tǒng)籌安排人員取樣即可。

4.1.2戶外設(shè)備線路的保護(hù)

設(shè)備預(yù)埋管線時，一定做好對線材的保護(hù)。采用PVC套管保護(hù)，盡量不要讓線材裸露，如果在接駁處套管無法跟進(jìn)，要用錫箔等其他材料包裹線材，否則線材非常容易老化、剝落；套管管口朝下，以防雨水侵入；套管管口需封堵，以防昆蟲和老鼠的爬入。

4.2 改進(jìn)建議

結(jié)合筆者多年從事輻射環(huán)境監(jiān)測工作的經(jīng)驗，針對自動站的設(shè)計和輻射數(shù)據(jù)的挖掘利用，提出如下建議：

4.2.1數(shù)據(jù)的分析挖掘

福建已初步形成覆蓋全省重點監(jiān)控核電廠的輻射監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r獲取全省35個輻射子站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且還積累了數(shù)年的輻射數(shù)據(jù)。如何挖掘這些年積累下來的數(shù)據(jù)，找出內(nèi)在的規(guī)律；如何研判當(dāng)前的實時數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)微量放射性物質(zhì)的釋放；如何區(qū)別降雨和微量的放射性物質(zhì)的釋放，這些都值得進(jìn)一步研究。建議組織人員開發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件，為技術(shù)人員提供長期跟蹤對比，進(jìn)而最大化利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源。

4.2.2輻射自動站采用模塊化設(shè)計和成熟的方案，減少對承建單位的依賴

現(xiàn)有的系統(tǒng)普遍存在業(yè)主方?jīng)]有能力對系統(tǒng)進(jìn)行運維的問題。因此，設(shè)計方案要選擇模塊化、成熟的方案；設(shè)備應(yīng)是市面上可以購買到的，而不是由承建方定制的設(shè)備；驗收時檔案完整、記錄清楚，今后不管是自行運維還是第三方運維，都易于上手，易于更換零配件。

4.2.3開展輕量化輻射自動站研究

雖然福建已布設(shè)35個輻射自動監(jiān)測站，但站點密度和發(fā)達(dá)國家比起來仍然較低，未來隨著核電的發(fā)展以及對輻射環(huán)境的關(guān)注，將會建設(shè)更多的輻射自動監(jiān)測站。然而現(xiàn)有站點多數(shù)配有采樣設(shè)備，整站造價昂貴。這對資金、場地、布線集成、后續(xù)采樣分析實驗都提出更多要求。如何降低自動站的建設(shè)和運行成本，是下一步工作方向。

本文認(rèn)為輕量化的輻射自動站可不配置采樣設(shè)備，只配備高壓電離室、數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)墓た貦C(jī)，采用兩路無線傳輸，選配氣象桿（儀）和UPS；這樣體積可以減少至一臺洗衣機(jī)大小，布設(shè)時候只需接入一根220V的電源線即可，設(shè)備如有疑難故障，可直接將整個站點更換，對場地要求低、每個自動站造價可以控制在30萬元以內(nèi)。未來地級市可形成以省控點自動站（帶采樣設(shè)備）為中心，輕量化自動站覆蓋下屬所有區(qū)縣的輻射監(jiān)測系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文系統(tǒng)介紹了輻射自動站監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)、特點和主要設(shè)備，為類似自動監(jiān)測站系統(tǒng)的建設(shè)提供參考思路，并討論了自動站建設(shè)過程中的要點和不足之處，提出輻射自動站輕量化的發(fā)展方向。

[1] 關(guān)于印發(fā)＜核電廠輻射環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)具體技術(shù)要求(試行)＞的通知(國核安函[2014] 49 號) [Z]．

[2] 劉建，楊斌．秦山核電基地外圍環(huán)境γ輻射連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)[J]．輻射防護(hù)，2005，25(5): 296-304.

[3] 張貴亮．田灣核電站環(huán)境γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用和經(jīng)驗反饋[J]．核電子學(xué)與探測技術(shù)，2011，31(6):622-626.

[4] 付強(qiáng)．環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)基本原理及操作規(guī)程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.